萬安大壩左岸非溢流壩段裂縫成因分析及加固處理

曹勝中，肖 雨

（萬安水力發(fā)電廠，江西萬安343800）

0 前言

中國國電集團(tuán)公司萬安水力發(fā)電廠位于贛江中游，南離贛州市90 km，北距南昌市320 km。

電站大壩全長1 104 m，最大壩高68.51 m，總庫容為22.16億m3，現(xiàn)裝機(jī)規(guī)模533 MW，多年平均發(fā)電量11.5億kW·h。電廠以發(fā)電為主，兼有防洪、航運、灌溉、養(yǎng)殖等綜合效益，是江西電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用的主力電廠。

1 問題提出

2008年底，電廠管理人員在對擋水建筑物進(jìn)行例行檢查時，發(fā)現(xiàn)左岸非溢流壩段（以下簡稱左非壩段）3～5號壩段臨空面存在大量裂縫。為研究裂縫成因及其危害性，判定其發(fā)展趨勢，制定裂縫處理加固措施，確保大壩運行安全，萬安水電廠致函長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司（原設(shè)計單位），通報了左非壩段裂縫情況。長江設(shè)計公司分兩次派出專家和設(shè)計人員對現(xiàn)場進(jìn)行考查調(diào)研后，提出了《萬安水電站左非壩段裂縫檢查技術(shù)要求》。

2 裂縫現(xiàn)場檢測

2.1 檢測方法

首先對大壩3～5號壩段上、下游面、壩頂表面、壩內(nèi)廊道表面進(jìn)行裂縫普查，檢查壩體裂縫條數(shù)及大致分布情況并結(jié)合壩體排水孔、表面滲水和溶出物情況進(jìn)行綜合分析判斷，然后對記錄在案的裂縫進(jìn)行詳查，詳查重點是裂縫寬度、深度和連通情況、漏水通道等。

裂縫深度檢查的方法是：用單面超聲平測法測定深度在50 cm以內(nèi)的裂縫深度；用鉆孔超聲對測法、鉆孔取芯法測定深度大于50 cm的裂縫深度。為避免對大壩主體造成過度損傷，重點抽查代表性裂縫深度，先用鋼筋探測儀掃描鉆孔區(qū)域，避開鋼筋后進(jìn)行鉆孔。

對壩頂裂縫深度大于50 cm的裂縫采取鉆孔超聲對測法，每個測點需鉆取2～3個孔，較長裂縫選取2～3個點，較短裂縫選取1個點。

對深度大于50 cm的壩體側(cè)面裂縫（垂直及水平裂縫），用鉆孔取芯法檢查裂縫深度，騎縫鉆孔，直至取出的芯體上無裂縫，即可確認(rèn)此時孔深即為裂縫深度。

對下游面及廊道內(nèi)裂縫，采取壓水法測試裂縫是否貫通，先做好一側(cè)裂縫表面的清潔工作，然后涂抹WSS密封膠，同時埋設(shè)注水嘴，利用注水器連接空壓機(jī)和注水嘴，將水壓入裂縫中，留意觀察另一側(cè)裂縫是否有滲水現(xiàn)象，即可判斷裂縫是否貫穿。

2.2 檢測依據(jù)及儀器

此次檢查主要依據(jù)GB/T 50344-2004《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、CECS21：2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》，使用的主要儀器有RS-ST01C型非金屬聲波檢測儀、徑向振動式換能器、DJCK-2型裂縫測寬儀、手持式激光測距儀、鋼筋探測儀、鉆芯取樣機(jī)、工程地質(zhì)鉆機(jī)以及角磨機(jī)等。

2.3 檢測成果

檢測結(jié)果表明，左非3～5號壩段共發(fā)現(xiàn)裂縫103條，總長度973.3 m，裂縫寬度一般0.2～0.4 mm，最大深度為5.4 m，主要分布在壩體中部位置，中部較深，兩端較淺，壩體中部裂縫呈對稱狀分布。

3 裂縫成因分析

鑒于左非3號壩段裂縫條數(shù)多、寬度大，具有代表性，因此選擇該壩段作為裂縫分析研究對象，對其裂縫成因進(jìn)行有限元計算分析。

通過三維溫度應(yīng)力場仿真計算，重點對左非3號壩段壩頂面裂縫和下游面裂縫成因進(jìn)行分析?；谒矐B(tài)溫度場和徐變應(yīng)力有限元法，對3號壩段的溫度場與應(yīng)力場進(jìn)行了有限元仿真計算，考慮壩體施工進(jìn)度、混凝土澆筑溫度、混凝土徐變等因素，模擬大壩分期施工和蓄水的全過程。計算結(jié)果表明：

（1）左非3號壩段壩頂?shù)捻樍飨蛄芽p、下游面的豎直裂縫、高程98.7 m的水平裂縫主要是溫度荷載引起的。

壩頂?shù)膲屋S向裂縫主要是由于冬季溫度下降，壩體下游面溫降收縮向下游變形，而上游面收縮向上游變形，則在壩體的中間部位產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力區(qū)域。

壩頂面的順流向裂縫與上、下游面的豎直向裂縫，當(dāng)內(nèi)外溫差較大時，壩體側(cè)向收縮變形受到限制，壩體中部為壩體內(nèi)部混凝土自身約束最大的部位，一般在壩體中部會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，容易產(chǎn)生順流向裂縫與豎直向裂縫。

同時，在左非3號壩段左側(cè)存在比較大的臨空面，壩體左右側(cè)氣溫條件不一致，也是導(dǎo)致產(chǎn)生上述裂縫的原因之一。

高程98.7 m產(chǎn)生水平裂縫，主要有以下三方面原因：①夏季氣溫升高時，壩體表面溫度隨外界氣溫升高，壩體表層一定深度的熱膨脹受到壩體內(nèi)部混凝土的約束，壩體表面處于受壓狀態(tài)，而壩體內(nèi)部處于受拉狀態(tài)，在豎直方向上產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力；②由于內(nèi)部溫度與表面溫度存在著一定的相位差，當(dāng)外界溫度達(dá)到最高時，內(nèi)部的溫度還正處于溫升階段，但是數(shù)值小于平均值，所以自身的溫度應(yīng)力仍然為拉應(yīng)力；③高程98.7 m為混凝土的弱結(jié)合面，上下澆筑時存在著兩個月的長間歇，當(dāng)遇到較大的拉應(yīng)力時，很容易產(chǎn)生水平裂縫。

（2）2008年的極寒天氣，氣溫在原本較低的基礎(chǔ)上5 d時間內(nèi)又下降了4℃左右，且寒冷天氣持續(xù)時間較長，使壩體表面一定深度范圍內(nèi)的拉應(yīng)力明顯提高，正常年份壩體應(yīng)力較大的部位，最大應(yīng)力值提高了0.7 MPa左右。當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時，混凝土發(fā)生開裂，壩體出現(xiàn)多條新裂縫。

（3）左非壩段施工和運行期，受溫度荷載的影響，在壩體表面或內(nèi)部存在一定的拉應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力的大小隨氣溫的變化而變化。有些部位拉應(yīng)力數(shù)值比較大，甚至接近混凝土的極限抗拉強(qiáng)度。當(dāng)這些大拉應(yīng)力區(qū)遭遇混凝土薄弱部位（這些薄弱部位有的是施工質(zhì)量缺陷造成的，有的是早期存在的微小裂縫），或者遭遇不利的外部溫度、邊界條件時（2008年初極寒天氣），在這些部位就會產(chǎn)生混凝土裂縫，或使原有的裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，形成危害裂縫。

4 裂縫危害性分析

裂縫危害性分析主要采用有限元混合法模擬裂縫的開裂、摩擦、接觸問題。該方法將作用在接觸體上的力系分解為外力和接觸界面上的接觸力，以接觸體的位移為基本未知量，以接觸區(qū)域局部坐標(biāo)系下的結(jié)點接觸力為迭代變量，將非線性接觸迭代收縮在可能接觸面上進(jìn)行，求解過程中總體剛度矩陣只需在迭代之前形成和分解一次，大大提高了計算效率。壩體混凝土以拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度ft作為開裂判據(jù)，跟蹤模擬裂縫開裂擴(kuò)展情況及對壩體應(yīng)力等指標(biāo)的影響。

（1）有限元計算成果表明，壩體頂部出現(xiàn)了較大的壩軸向裂縫，下游面出現(xiàn)了較長的豎直裂縫，計算得到的開裂范圍、開裂深度、縫面最大張開度與現(xiàn)場的實測情況基本相當(dāng)。由于在非線性有限元計算中沒有考慮混凝土的軟化性能，所以得到的裂縫開裂深度一般要比實際情況略大。

（2）左非3號壩段頂面的順流向裂縫、壩軸向裂縫以及下游面的豎直裂縫，當(dāng)遇到極寒天氣時，部分縫端仍有較大的拉應(yīng)力存在，處于開裂的極限狀態(tài)，仍有進(jìn)一步擴(kuò)展的可能。壩體內(nèi)部夏季存在較大拉應(yīng)力的區(qū)域：在中間順流向剖面高程94.0～96.0 m之間存在著一個較大的拉應(yīng)力區(qū)（壩軸方向正應(yīng)力），中心點最大拉應(yīng)力值有1.75 MPa；在壩軸向剖面高程97.0～98.0 m中間部位也存在一個較大拉應(yīng)力區(qū)域（順河向正應(yīng)力），最大法向拉應(yīng)力有1.97 MPa。這些高應(yīng)力區(qū)是壩體產(chǎn)生裂縫和使裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展的隱患。

（3）當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度由2.0 MPa調(diào)整到1.9 MPa時，壩頂?shù)捻樍飨蛄芽p、壩踵和下游面的豎直向裂縫都有不同程度的擴(kuò)展。特別是壩軸向裂縫，由于存在側(cè)向臨空面，夏季在壩體高程97.0～98.0 m間的高應(yīng)力區(qū)發(fā)生開裂，并迅速擴(kuò)展至高程89.5 m，裂縫深度達(dá)14.5 m，說明了壩軸向裂縫對抗拉強(qiáng)度非常敏感，如果遇到一些特殊情況，壩軸向裂縫有可能再次發(fā)生大規(guī)模的開裂，對大壩運行安全產(chǎn)生不利影響。

（4）當(dāng)水位抬升到100.0 m，壩體頂部和壩踵處拉應(yīng)力（壓應(yīng)力減?。┒紩兴黾樱敳康捻樍飨蛄芽p和壩踵的豎直向裂縫都有一定程度的擴(kuò)展。如果在水位抬升后碰到極寒天氣，頂面的順流向裂縫將擴(kuò)展至上游面，形成豎直向裂縫，對壩體的耐久性將產(chǎn)生不利影響。

（5）有限元計算分析和鉆孔電視錄像均表明，壩體在高程98.7 m出現(xiàn)了較大規(guī)模的水平裂縫，且水平裂縫貫穿于整個壩面的可能性很大。這不僅削弱了大壩的整體性，且在壩前水位抬升后，同樣會對壩體的耐久性產(chǎn)生影響。

當(dāng)遇到下列情況時，3號壩段危害性較大的裂縫，特別是順流向裂縫和壩軸向裂縫有可能進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)引起足夠的重視。

（1）在溫度疲勞荷載的作用下，裂縫縫端混凝土的抗拉強(qiáng)度有可能降低。

（2）再遇到極寒天氣或遇到地震荷載的作用。

（3）壩體在澆筑過程中，混凝土的強(qiáng)度具有一定的離散性。據(jù)《萬安水電站施工復(fù)查報告》，檢測到R90150號混凝土的最小抗壓強(qiáng)度為9.3 MPa，對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度只有0.74 MPa。如果裂縫由質(zhì)量較好混凝土擴(kuò)展至較差混凝土?xí)r，將引起壩體更大范圍的開裂。

（4）水位抬升至最終的設(shè)計水位100.0 m，或者遇到較高洪水位時，壩面溫度邊界條件的改變可能使裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。

5 裂縫處理設(shè)計

針對有可能導(dǎo)致裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展的不利因素，確定左非壩段混凝土裂縫處理重點如下：

（1）針對壩頂?shù)捻樍飨蛄芽p和下游的豎直裂縫，以降低縫內(nèi)孔隙水壓力為目的的裂縫防水排水處理。

（2）針對危害性較大的裂縫，以穩(wěn)定裂縫、限制其進(jìn)一步發(fā)展為目的進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理。

（3）針對上游壩面水平裂縫和豎直裂縫，以降低壩體內(nèi)滲壓力為目的進(jìn)行防、排水處理。

（4）針對屬于“活縫”的水平層間縫，采取能適應(yīng)其變形的處理措施。

（5）為改善不利的溫度邊界條件，對左非3號壩段左側(cè)臨空面采取表面保溫措施。

6 施工重點控制項目

6.1 裂縫灌漿

水上、水下裂縫均采用貼嘴灌漿，水上裂縫灌漿材料采用結(jié)構(gòu)注縫膠，水下灌漿材料采用LW水下專用系列材料。

灌漿過程控制要求如下：水平縫由一端向另一端逐孔灌注，豎直縫或斜縫由下往上逐孔灌注，在上方第二個灌漿孔出純漿后，封閉該灌漿孔，移至上方第二個灌漿孔繼續(xù)灌漿，直至保證整條縫內(nèi)充滿漿液。灌漿壓力應(yīng)先小后大，進(jìn)漿宜緩慢，不應(yīng)急促進(jìn)漿，最大壓力控制在0.2 MPa。灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：裂縫縫面停止吸漿，再繼續(xù)灌注30 min結(jié)束。

對Ⅲ類縫及以上裂縫灌漿處理后需進(jìn)行鉆孔取芯檢查,每20 m取一個檢查孔，鉆孔孔徑一般為φ76 mm，孔深20～30 cm，觀察其縫面漿液結(jié)石和充填情況，縫面可見漿液面積不小于80%。

6.2 騎縫鑿槽

按裂縫分類處理方式確定槽型及尺寸，先沿槽口兩側(cè)采用砂輪切割邊線，切割深度2 cm，并形成倒角。在切割形成的邊線內(nèi)采用人工鑿除混凝土，嚴(yán)禁使用機(jī)械設(shè)備施工，騎縫槽形成后應(yīng)清除周邊松動混凝土塊，并用高壓水清洗干凈。

6.3 嵌填塑性止水材料及聚合物砂漿

嵌填止水材料采用SR2塑性止水材料。槽內(nèi)回填止水材料工序完成后再回填聚合物砂漿。砂漿表干后，采用噴霧養(yǎng)護(hù)或用塑料薄膜覆蓋養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)表面不能見明水。潮濕養(yǎng)護(hù)時表面如遇寒流或下雨，應(yīng)加以覆蓋，不受雨水沖洗?；靥钔瓿? d后，要求錘擊檢查，敲擊聲應(yīng)清脆，保證無脫開或空殼現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)不密實區(qū)時，應(yīng)鑿除重新回填。

6.4 粘貼SR防滲蓋片

SR防滲蓋片是以SR塑性止水材料為防滲主體，與增強(qiáng)聚酯無紡布、反光聚酯鋁箔薄膜復(fù)合而成的片狀防水材料。

水上施工時，處理粘貼部位基面，要求平整干凈，對于較大的凹坑與不平整面，應(yīng)采用SR2塑性止水材料填平補(bǔ)齊。粘貼面涂刷SR防滲蓋片配套底膠，要求涂刷均勻無漏刷。根據(jù)需要剪裁SR防滲蓋片，并撕去面上防粘保護(hù)紙。待底膠表干后，粘貼蓋片，使蓋片與基面粘貼密實。蓋片接頭采用搭接形式，搭接長度不小于5 cm，且需涂刷底膠，再進(jìn)行搭接粘貼。蓋片應(yīng)粘貼平整，蓋片粘結(jié)完好。

水下施工時，基面處理后，分段涂刷HK-963水下粘結(jié)劑或水下專用粘貼劑，要求涂刷均勻無漏刷。待底膠表干后，粘貼蓋片，使蓋片與基面粘貼密實，接頭采用搭接形式，搭接長度不小于5 cm。蓋片粘貼完成后，用粘結(jié)劑配成膠泥對SR防滲蓋片與混凝土的接觸部位用膠泥進(jìn)行封邊處理。粘貼SR蓋片的結(jié)合面表面不平整度應(yīng)小于1 cm。

防滲蓋片采用8 cm厚PVC板材保護(hù)，防滲板兩側(cè)采用不銹鋼壓條和螺栓固定，壓條寬8 cm，厚2 mm，螺栓為M12，間距50 cm，PVC板上螺栓孔應(yīng)預(yù)留伸縮空間。

6.5 測縫計安裝

根據(jù)測縫計選型后的尺寸進(jìn)行裂縫鑿槽，槽口尺寸初定為50 cm×15 cm×10 cm（長×寬×深），槽口應(yīng)盡量保持規(guī)則。按測縫計安裝說明書要求，在槽底跨裂縫兩側(cè)鉆孔，鉆孔孔徑φ50 mm，深度超過固定測縫計的錨桿埋設(shè)長度3 cm，并采用M20水泥砂漿固定。

錨桿施工3 d后安裝好測縫計，安裝前應(yīng)預(yù)拉測縫計量程的1/3，測桿區(qū)采用2 cm厚SR2包裹，裂縫縫口與測桿間采用SR2回填，保證測縫計處于獨立測量范圍。

測縫計安裝就位后，連接配套電纜并引至槽外。測縫計的電纜采用內(nèi)徑不小于2 cm的鍍鋅鋼管保護(hù)，鋼管采用膨脹螺栓固定，電纜在鋼管內(nèi)呈“S”形設(shè)置，并按要求引入監(jiān)測箱內(nèi)。

槽內(nèi)分層回填聚合物砂漿，層厚3 cm，回填完成后保濕養(yǎng)護(hù)。

6.6 苯板安裝

左非3壩段左側(cè)臨空面采用苯板進(jìn)行保溫，苯板應(yīng)符合GB10801-89《隔熱用聚苯乙烯泡沫塑料》標(biāo)準(zhǔn)中ZR阻燃型第一類的要求。板厚5 cm，要求表觀密度18～22 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)≤0.041 W/m·k，吸水率≤6%（v/v），厚度偏差±2 mm。

苯板施工前，保溫面應(yīng)打磨平整，并在裂縫處理完成后進(jìn)行苯板安裝。

采用專用粘結(jié)劑粘貼苯板，苯板粘貼完成后表面采用PVC板保護(hù)（已帶保護(hù)層的苯板可不進(jìn)行保護(hù)），PVC板厚5 mm，并采用膨脹螺栓固定。螺栓與PVC板間設(shè)置水平向不銹鋼壓條，壓條厚2 mm，寬4 cm，螺栓長10 cm，間距1 m×1 m。

6.7 錨筋施工

左非3壩段下游面設(shè)置錨筋，按設(shè)計圖紙孔位進(jìn)行放樣，鉆孔孔徑110 cm，孔深12 m，應(yīng)采用取芯鉆造孔，鉆孔偏差度小于1%。鉆孔完成后，對鉆孔進(jìn)行清洗，并抽出孔內(nèi)積水。

錨筋為2根長12 m的II級φ36 mm鋼筋，采用鋁絲綁扎，并采用對中支架安裝好錨筋。錨筋安裝后采用M20水泥砂漿進(jìn)行灌注，灌注時采用φ30～50 mm塑料管壓入砂漿，邊進(jìn)砂漿邊慢慢向上提進(jìn)漿管，但不允許管口高于砂漿面，確?？變?nèi)砂漿密實。砂漿灌注完成7 d后，清除孔口10 cm范圍內(nèi)水泥砂漿及雜物，清洗干凈后，采用聚合物砂漿回填平整。

7 結(jié)語

施工完成后的巡視檢查中未發(fā)現(xiàn)壩面有新裂縫產(chǎn)生，處理過的裂縫也沒有發(fā)現(xiàn)重新張開的跡象。埋設(shè)的測縫計提供的數(shù)據(jù)顯示，縫寬的變化明顯滯后于氣溫的變化，且變化平緩沒有突變，說明左非壩段裂縫施工后達(dá)到了加固處理的目的。