丹江口水利樞紐大壩混凝土裂縫演變過程及其處理分析

句廣東 石 妍 李家正

(長江水利委員會建設(shè)與管理局,湖北武漢 430010)

丹江口水利樞紐大壩混凝土裂縫演變過程及其處理分析

句廣東 石 妍 李家正

(長江水利委員會建設(shè)與管理局,湖北武漢 430010)

在對近50 a來丹江口大壩混凝土不同時期的裂縫發(fā)展檢測結(jié)果進行分析的基礎(chǔ)上,研究了丹江口大壩混凝土老化演變過程,說明針對不同的裂縫特征和裂縫特點可采用不同的修補方法以及不同修補方法所產(chǎn)生的不同效果。最后提出應(yīng)盡快建立大型水利工程健康檔案的設(shè)想。

混凝土裂縫;演變;處理措施;丹江口水利樞紐

丹江口水利樞紐位于湖北省丹江口市漢江干流上,是一座具有防洪、發(fā)電、灌溉、航運和養(yǎng)殖功能的大型水利工程,也是南水北調(diào)中線方案的重要水源工程。丹江口水利樞紐自 1973年底投入正常運行以來,壩體混凝土出現(xiàn)了不同程度的老化和病害,主要表現(xiàn)在混凝土建筑物老裂縫的發(fā)展和新裂縫的產(chǎn)生以及其他一些病害癥狀。在對其進行修復(fù)的過程中,采用了各種不同的手段,修復(fù)效果也不盡相同,本文主要論述大壩混凝土裂縫的演變及不同處理方法對處理結(jié)果的影響。

1 混凝土裂縫演變及處理措施

1.1 施工過程

丹江口大壩 1959年 2月 15日開始澆筑混凝土,1962年 2月因混凝土質(zhì)量問題暫停施工,1964年 12月 26日恢復(fù)澆筑,1973年底基本完成,1974年 2月工程收尾,壩體共澆筑混凝土 293萬 m3。大致可分為 3個階段。

(1)第 1階段 (1959年 2月 ～1962年 2月),澆筑混凝土約100萬m3,各壩段達(dá)到的高程為:右部河床 9～17號壩段 100m左右,18號壩段 100～126m;左部河床 19～33號壩段 107～117m。

(2)第 2階段(1964年底 ～1970年 7月),澆筑混凝土約 183萬 m3,壩頂全線達(dá) 162m高程。

(3)第 3階段(1970年 7月 ～1974年 2月 ),主要為通航建筑物和溢流壩段的收尾工程,澆筑混凝土約 8萬 m3。

1.2 施工期裂縫及處理措施

1.2.1 裂縫分布狀況

在丹江口大壩施工第 1階段,經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有各類裂縫 2 463條,其中 95%以上為表面裂縫;危害性較大的基礎(chǔ)貫穿裂縫 17條,約占0.7%;基礎(chǔ)部位壩塊兩側(cè)對應(yīng)縫 18條,深層裂縫 19條。

1964年恢復(fù)澆筑施工后,混凝土澆筑質(zhì)量得到提高,并且采取了嚴(yán)格的保溫措施,從而使裂縫數(shù)量較第 1階段大為減少。1965年至工程竣工,共產(chǎn)生裂縫 869條,其中只有1條為貫穿性裂縫。整個施工期產(chǎn)生的裂縫總數(shù)為 3 332條。其分類見表1。

表1 施工期產(chǎn)生的裂縫分類條

1.2.2 處理措施及效果

對表面裂縫,在壩體上升時進行鑿除處理。對于嚴(yán)重危害壩體的一些裂縫,則采取了如下處理措施:

(1)對 18號壩段的 2號壩塊和 32號壩段的 4號壩塊的基礎(chǔ)貫穿裂縫,采取抽槽回填和夾板加固、壩體加重等綜合處理措施。槽體和夾板回填混凝土澆筑質(zhì)量好,新老混凝土結(jié)合良好。1967年,發(fā)現(xiàn) 18號壩段的 2號壩塊左夾板被拉開,1981年經(jīng)超聲檢查發(fā)現(xiàn)表面開裂,裂縫深度為1.7～3.3m。

(2)對 20、22、24、27號等壩段的 6條長 45m的防滲板迎水面裂縫,采取了環(huán)氧砂漿粘貼橡膠的處理措施。經(jīng)蓄水期間觀察,取得了防滲補強的效果。

(3)對壩塊頂面貫穿裂縫進行了鋪筋處理。一般鋪設(shè) ?25～32 mm鋼筋,間距 20 cm,長 3～5m。1962年以前,僅在重要裂縫上進行了鋪筋處理,1964年以后對大多數(shù)壩塊的頂面裂縫均實施了鋪筋處理。對閘墩上產(chǎn)生的裂縫,除了在騎縫處鋪筋以外,還在臨水面的壩體立面上加鋪了抗裂鋼筋。鋪筋處理裂縫共計 434條,起到了限制裂縫發(fā)展的作用。

(4)對頂面深層裂縫,如 18號壩段的 1號壩塊的深層裂縫,采用大口徑鉆孔抽槽回填混凝土進行處理。鉆孔回填之后雖未灌漿,但并聯(lián)壓水試驗結(jié)果表明漏水量微小,取得了較好的處理效果。

(5)對 9～11號壩段楔形梁裂縫及 18號壩段的 3號壩塊裂縫采用水泥灌漿方法處理,取得了較好效果。

(6)對 102條裂縫用丙凝、環(huán)氧和甲凝等進行了化學(xué)灌漿處理,對恢復(fù)壩體整體性和改善防滲性能起到一定作用。

對壩塊頂面的表面裂縫進行鑿槽回填砂漿處理。將通向迎水面的裂縫全部鑿除,對于不與迎水面相通的裂縫,鑿深一般為 20～30 cm,寬度與深度相等。鑿槽后將其清洗干凈,然后回填 200號砂漿。對于外露裂縫,也多是采用此法進行處理,起到了保護裂縫、防止庫水和雨水進入裂縫的作用。

1.3 運行前期混凝土裂縫及處理

1.3.1 運行前期混凝土裂縫分布狀況

1978年及 1980年對混凝土壩內(nèi)外部的裂縫進行了兩次檢查,結(jié)果表明,壩頂、下游護坦以上壩面、上游面 134m高程以上壩面、以及各層廊道共有裂縫 1 152條,其中絕大部分為表面裂縫,裂縫的分布情況列于表 2。

表2 運行前期(1980年 8月前)裂縫分布情況

主要危害性裂縫情況描述如下:

右 1～3號壩段高程 143 m的水平縫是由于澆筑時的長間歇、層間處理不善、層面結(jié)合不良,以及運行期在水壓力和氣溫變化作用下形成的裂縫。隨著運行期的延長,該水平縫滲水有發(fā)展的趨勢,不僅在滲水時間上提前,而且在庫水位較低的情況下也滲水,在低溫高庫水位時,滲水沿下游壩面流淌至壩腳。1988年和 1990年的壓水試驗表明,高程 143m處的水平施工縫已局部開裂,庫水經(jīng)過該開裂面流至下游縫面滲出,對大壩整體性與耐久性有較大的不利影響。

19～24號壩段防滲板高程 113 m處的水平裂縫,長 112 m,平均寬 1～2 mm,最寬 5 mm。 21～24號壩段高程 102m廊道的 3條橫縫、排水管、19號壩段豎井常年滲水。1984年 2月,在庫水位為高程151.05m時,19號壩段豎井實測滲水量達(dá)56.76 L/min,以后逐年減少;1996年 11月 22日,在庫水位為高程156.93m時,實測滲水量為0.44 L/m in。

經(jīng)施工期處理的 18號壩段的危害性裂縫,在運行一段時間之后,其 2、3號壩塊出現(xiàn)有夾板頂部局部脫開的現(xiàn)象。

1.3.2 處理措施及效果

運行前期檢查出的裂縫,在 1991年之前,除了對高程 143 m處的水平縫進行過處理外,沒有對其他裂縫進行處理。

對高程 143 m處的水平縫,在 1987年用石膏對一壩段裂縫進行過處理,但是效果不理想。1991年對水平縫和橫縫再次進行了全面處理,由于受施工技術(shù)和灌漿材料的限制,效果仍然不理想。

1997～1999年,對 19～24號壩段防滲板高程113 m處的水平裂縫,在上游面采用水下裂縫灌漿和粘貼橡膠片封堵處理,效果顯著。2000年 11月24日,庫水位為高程156.53m時,只有少許滴水現(xiàn)象。因該裂縫僅限于在防滲板出現(xiàn),不致影響壩體的穩(wěn)定性。

2 近期混凝土裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)及處理措施

1976年,在低水位時進行過檢查,初次發(fā)現(xiàn)右岸轉(zhuǎn)彎壩段高程 143 m處有干枯白漿,說明 1976年以前裂縫即已生成,并滲水溶蝕壩體。后來在下游坡面也觀察到裂縫有滲水情況,并逐年嚴(yán)重。1987年和 1991年 2次對水平縫和橫縫進行了處理,但由于受施工技術(shù)和灌漿材料的限制,效果不理想。1988年 2月 ～1990年 10月,用排水孔壓水、壩頂鉆孔壓水、鉆孔電視等不同方式對該處裂縫進行了仔細(xì)的檢查,結(jié)果表明:從 2號壩段至右 6號壩段,裂縫長度達(dá)到 98m,裂縫平均寬度0.9 mm,其各壩段間橫縫在高程 143m處的縫面附近寬度大都有 1～3 mm。1999年 3月,開始對該裂縫進行了重新修補處理,以封堵滲水為主,輔以低壓淺層灌漿以求增強混凝土的整體性能。封堵材料選用有較好的粘著性及變形性能的“膠霸 600”。處理方法是對水平裂縫進行鑿槽清理后,將“膠霸 600”直接填至涂有“冷底油”的槽內(nèi),再鋪設(shè)水膨脹橡膠和氯丁橡膠片,表面以鋼板加壓緊固。由于不適應(yīng)氣溫變化影響,前面處理的鋼壓板發(fā)生了松動現(xiàn)象,故在后續(xù)處理時,沒有采用鋼壓板。在對水平縫進行處理的同時,對水平縫附近的相關(guān)橫縫也進行了相同方式的處理。

高程 143 m處的水平縫經(jīng)過 1999年處理后,在2000年蓄水到高程 157 m時,當(dāng)時下游壩面僅在部分壩段橫縫兩側(cè)有水滲出,主要原因是橫縫處理長度不夠而出現(xiàn)繞滲所致,但情況已有較大好轉(zhuǎn)。同時,在低水位季節(jié),上游壩面裂縫也不象原來有反滲現(xiàn)象出現(xiàn)。說明修補取得了較好的效果。2002年 3月,對已經(jīng)處理的高程 143m水平裂縫進行了復(fù)查。通過對該部位上、下游壩面的仔細(xì)觀察,下游面已干燥,無滲水現(xiàn)象,但原來歷次滲水留下的痕跡仍清楚可見。2001年檢查時,縫內(nèi)填充的膠霸仍然密實良好,高程 143 m的水平縫現(xiàn)狀與 2000年時的狀況基本相同。

19～24號壩段防滲板高程 113m的水平裂縫長 112m,平均寬 1～2mm,最寬 5 mm。21～24號壩段高程 102 m的廊道內(nèi)的 3條橫縫、排水管、19號壩段豎井常年滲水。1984年 2月,庫水位在高程151.05 m時,19號壩段豎井實測滲水量達(dá)56.76 L/min,以后逐年減少;1996年 11月 22日,庫水位在高程 156.93m時,實測滲水量為0.44 L/min。1997～1999年,在上游面采用水下裂縫灌漿和粘貼橡膠片封堵處理,效果顯著;2000年 11月 24日,庫水位在高程156.53m時,只有少許滴水現(xiàn)象。2002年檢查時,整個豎井側(cè)壁僅在高程 113m附近的下游方向尚有潮濕顯現(xiàn),無流水。對該裂縫滲水環(huán)向集中后流入高程 102 m廊道,在出水管中僅有緩緩的滴水,滴速極慢。

3 國外經(jīng)驗的借鑒

美國墾務(wù)局在大型水工混凝土建筑物病害診斷與修補管理方面的一些經(jīng)驗值得借鑒。其采用的檢測方法主要包括鉆芯取樣法、超聲回彈法、鋼筋銹蝕檢測、碳化程度檢測及對鉆芯取樣得到的樣品進行各種物理力學(xué)性能試驗和化學(xué)成分分析,進行芯樣的堿骨料反應(yīng)測試。除此之外,最關(guān)鍵的是美國墾務(wù)局對其所管轄的所有工程均建立了檔案,每隔一段時間(如 3 a或 5 a)就會對工程進行一次全面的檢查,通過對比連續(xù)幾十年的資料,就可以了解工程發(fā)生病害的程度,分析工程發(fā)生病害的原因,以及應(yīng)采取的預(yù)防和修補措施。

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度的加大,越來越多的工程會建成并投入使用,應(yīng)盡快為這些工程建立健康檔案,以便對其進行定期體檢,對檔案統(tǒng)一進行管理,及時掌握工程的健康狀況,盡量延長工程的使用壽命,減少工程修補和重建的費用。

4 結(jié) 語

在丹江口大壩澆筑過程中,由于長間歇,在高溫季節(jié)澆筑施工時沒有采取應(yīng)有的溫控措施,上、下層面處理不善、結(jié)合面施工質(zhì)量差,應(yīng)力情況復(fù)雜或者壩體受氣溫變化及水壓影響、表面養(yǎng)護不當(dāng)?shù)仁钱a(chǎn)生裂縫的主要原因,在長年運行期間,縫面又有發(fā)展趨勢。

1991年以后,對一些有危害性的裂縫進行了修補處理,增強了混凝土的耐久性,改善了壩體應(yīng)力,效果明顯。但是由于橫縫處理長度不夠,仍存在局部繞滲現(xiàn)象;已處理過的部位,可能會由于封堵材料使用年限有限,封堵材料老化、應(yīng)力狀態(tài)改變等原因而使縫面重新開裂滲水,這樣會危害壩體的正常運行;另外,隨著壩體的加高,應(yīng)力狀態(tài)的改變,也會使該處的條件變劣。

2008年初,在丹江口大壩迎水面的老混凝土表面進行了水泥基滲透結(jié)晶型防水材料涂刷試驗,擬選取性能優(yōu)良的材料對壩體表面裂縫進行封堵,以增強壩體的整體抗?jié)B等級,提高壩體防裂、防滲和裂縫的自修復(fù)能力,形成多層次的防滲體系。

TV 698.231

A

1006-0081(2010)10-0037-03

2010-08-10

句廣東,男,長江水利委員會建設(shè)與管理局,副局長,高級工程師.

(編輯:趙秋云)