設(shè)置“工作縫”消除混凝土大壩裂縫危害分析

師寧焉

（遼寧省白石水庫(kù)管理局，遼寧 朝陽 122000）

設(shè)置“工作縫”消除混凝土大壩裂縫危害分析

師寧焉

（遼寧省白石水庫(kù)管理局，遼寧 朝陽 122000）

混凝土大壩裂縫問題是一種普遍現(xiàn)象。如何防治，國(guó)內(nèi)外已有很多科研成果發(fā)表。但簡(jiǎn)單易行的不多，白石水庫(kù)攔河壩是部分采用碾壓混凝土的大壩，在總結(jié)以前大壩裂縫規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)基礎(chǔ)上，對(duì)一些重要部位采用設(shè)置“工作縫”的辦法，達(dá)到了防患于未然，又方便施工的目的。

工作縫；大壩裂縫；白石水庫(kù)

1 概況

白石水庫(kù)位于遼寧西部大凌河干流上，1996年 7 月開工，2000 年底建成。攔河壩為“金包銀”式RCD 碾壓混凝土重力壩，壩體內(nèi)部為碾壓混凝土，外部及底部為常態(tài)混凝土。壩高 49.3m，壩頂長(zhǎng) 513m，壩體混凝土 49.2 萬 m3，由擋水、溢流、底孔、引水、電站、等 32 個(gè)壩段組成。遼寧省經(jīng)過觀音閣和白石兩座水庫(kù)碾壓混凝土重力壩的施工實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)碾壓混凝土本身很少裂縫，絕大多數(shù)裂縫發(fā)生在常態(tài)混凝土中，且多發(fā)生在施工期。

常態(tài)混凝土在施工中產(chǎn)生的裂縫，其原因是多方面的，除溫控原因外，還有混凝土長(zhǎng)期間歇、基礎(chǔ)開挖起伏差過大、建筑物形狀窄而長(zhǎng)（如閘墩）、建筑物體形發(fā)生突變等等，均易使混凝土產(chǎn)生裂縫。

在已建的水利工程中，如河北省桃林口水庫(kù)，為了減少裂縫，在基礎(chǔ)常態(tài)混凝土施工中曾采用過預(yù)留“寬槽”措施，使之滿足兩側(cè)混凝土的收縮變形。白石水庫(kù)工程在 1996 年秋，基礎(chǔ)灌漿蓋板施工中亦采用過這種方法?！皩挷邸笔窃谒そㄖ镞m當(dāng)部位預(yù)留寬 1.0～2.0m 寬的槽（或稱寬縫），兩側(cè)壁予埋連接鋼筋，“寬槽”的澆筑一般是選在第二年的春秋季低溫期將槽內(nèi)鋼筋連接，然后回填膨脹混凝土。通過在白石水庫(kù)工程的具體施工實(shí)踐，感到“寬槽”施工會(huì)帶來相互干擾，程序繁瑣，不便操作。如低部位基礎(chǔ)灌漿蓋板設(shè)置的“寬槽”，當(dāng)固結(jié)灌漿或周圍混凝土養(yǎng)生時(shí)，泥漿和雜物自然被沖入槽內(nèi)，清除非常困難。在高部位如閘墩設(shè)置“寬槽”，在回填混凝土?xí)r，由于高差過大，混凝土澆筑困難，且“寬槽”側(cè)面模板容易漏漿，影響建筑物外觀質(zhì)量。白石水庫(kù)工程初期在基礎(chǔ)灌漿蓋板中設(shè)置“寬槽”，后來經(jīng)過研究和論證，將“寬槽”改為“工作縫”，即允許混凝土建筑物在該處產(chǎn)生收縮裂縫，又能使其兩側(cè)共同工作的特點(diǎn)，解決了“寬槽”施工難度大的問題。

2 “工作縫”設(shè)置部位

2.1 基礎(chǔ)灌漿蓋板混凝土

為了使壩基固結(jié)灌漿達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)上一般都要求在建基面上澆筑一層厚 1.5～2.0m 的常態(tài)混凝土蓋板。混凝土在降溫的過程中，收縮變形受到巖石的約束作用而產(chǎn)生裂縫，約束力的大小與蓋板的幾何形狀、內(nèi)外溫差、混凝土與基巖的彈模比等因素有關(guān)。當(dāng)其它條件相同時(shí)，蓋板的形狀（如寬長(zhǎng)比）對(duì)裂縫能否發(fā)生至關(guān)重要，當(dāng)基礎(chǔ)灌漿蓋板長(zhǎng)度達(dá)到 40m 以上時(shí)，單用降低混凝土入倉(cāng)溫度使其達(dá)到不發(fā)生裂縫是極其困難的。白石水庫(kù)工程為了減少蓋板混凝土裂縫，在蓋板平行壩軸線方向，大致中間部位設(shè)置過2種分縫：“寬槽”和“工作縫”。

2.1.1 “寬槽”

如前面所述白石水庫(kù)工程初期的大壩底孔壩段在灌漿蓋板的中間部位設(shè)置“寬槽”，槽寬 1.2 m，槽內(nèi)兩側(cè)壁予埋二期混凝土的連接插筋，當(dāng)兩側(cè)混凝土充分收縮后澆筑上層混凝土前，對(duì)“寬槽”側(cè)壁混凝土鑿毛、焊接插筋、回填膨脹混凝土，使蓋板成為整體受力結(jié)構(gòu)，白石水庫(kù)大壩底孔壩段灌漿蓋板“寬槽”位置，見圖 1。

圖 1 底孔壩段灌漿蓋板“寬槽”位置示意圖

2.1.2 “工作縫”

“工作縫”指2塊被分開的混凝土之間不留槽，只是一種縫結(jié)構(gòu)，并且在以后運(yùn)用中使縫兩側(cè)混凝土在受力時(shí)能共同工作。白石水庫(kù)工程溢流壩段灌漿蓋板在巖面變坡處設(shè)置一道“工作縫”，兩側(cè)的混凝土（稱甲、乙塊）不能同時(shí)澆筑，一般先澆筑下游塊（乙塊），并予埋連接甲乙塊混凝土鋼筋。經(jīng)過一個(gè)月左右間歇（越長(zhǎng)越有利），乙塊混凝土大致收縮完成時(shí)，側(cè)面鑿毛，澆筑甲塊混凝土。澆筑上層混凝土前騎工作縫扣 φ150～200mm 半圓鋼管，溢流壩段基礎(chǔ)灌漿蓋板“工作縫”設(shè)置，見圖2。

圖 2 溢流壩段灌漿蓋板“工作縫”位置示意圖

2.2 底孔壓坡段出口的“工作縫”

大凌河為多泥沙河流，壩址處多年平均含沙量為 18.08kg/m3，為減少水庫(kù)的淤積，在河床右側(cè)18～23 號(hào)壩段布置 12 個(gè) 4m×7m 的泄洪排沙底孔，由進(jìn)口喇叭段、平直段、壓坡段及出口擴(kuò)散段組成，底孔洞長(zhǎng) 34.59m，出口擴(kuò)散段長(zhǎng) 20.07m。壓坡段出口頂高程 EL107.0m，擴(kuò)散段邊墻頂高程EL104.0m，且自重及體形發(fā)生明顯突變，該連接部位容易產(chǎn)生裂縫，因此在該處設(shè)一道“工作縫”見圖3。

圖 3 底孔壩段“工作縫”位置示意圖

2.3 溢流壩段閘墩及反弧段的“工作縫”

在河床左側(cè) 6～17 號(hào)溢流壩段，布置 11 個(gè)凈寬為 12m 的溢流表孔，堰頂高程為

EL115.0m，閘墩頂高程 EL134.3m，閘墩寬3.0m，長(zhǎng) 34.3m。白石水庫(kù)工程溢流壩閘墩經(jīng)三維有限元計(jì)算，在距閘墩上游 13.0m 處設(shè)置一道“工作縫”，該部位閘墩原配筋不斷開，用鋼板隔縫，見圖 4。在閘墩體內(nèi)設(shè)置“工作縫”時(shí)應(yīng)注意閘墩各部位的應(yīng)力狀態(tài)，不宜設(shè)在受拉區(qū)。

溢流挑坎反弧段最底部是混凝土最薄的部位，經(jīng)計(jì)算該處最大溫度拉應(yīng)力達(dá) 3.16MPa，大于C40混凝土允許拉應(yīng)力。北方地區(qū)其它已建工程在該處大多產(chǎn)生了縱向裂縫，白石水庫(kù)工程在該處也設(shè)置了“工作縫”，見圖 4。

圖 4 溢流壩段閘墩及反弧段“工作縫”位置示意圖

3 “工作縫”結(jié)構(gòu)及其配筋設(shè)計(jì)

白石水庫(kù)工程在施工中設(shè)置的“工作縫”是在其他已建工程及白石水庫(kù)工程施工初期曾采用的“寬槽”基礎(chǔ)上，經(jīng)過論證改進(jìn)而形成的一種新的常態(tài)混凝土分縫方法，既保留了“寬槽”兩側(cè)混凝土共同工作的特點(diǎn)，又解決了“寬槽”施工困難的問題。

3.1 “工作縫”的施工方法

3.1.1 “工作縫”兩側(cè)混凝土分期澆筑

灌漿蓋板混凝土中設(shè)置的“工作縫”，其兩側(cè)混凝土可分為二次澆筑，“工作縫”上游稱甲塊、下游稱乙塊，一般先澆筑乙塊，因?yàn)榧讐K有廊道，施工期長(zhǎng)；放置插筋，即木模板鉆孔，插入鋼筋。當(dāng)乙塊混凝土基本收縮后，拆除木模板，鑿毛后澆筑甲塊混凝土，在甲乙塊之間自然形成一道“工作縫”。

3.1.2 “工作縫”兩側(cè)混凝土同時(shí)澆筑

溢流挑坎反弧段一般常采用滑模施工方法，在反弧段中設(shè)置的“工作縫”，兩側(cè)混凝土應(yīng)同時(shí)澆筑。

溢流堰頂閘墩為空間板狀結(jié)構(gòu)，閘墩中設(shè)置的“工作縫”兩側(cè)混凝土亦應(yīng)一次完成。這種部位的“工作縫”可用薄鐵板作為分縫材料，鋼筋不必切斷。

3.2 “工作縫”插筋設(shè)計(jì)

大體積混凝土施工中設(shè)置的“工作縫”兩側(cè)插筋設(shè)計(jì)方法，可分為素混凝土和鋼筋混凝土2種情況。

3.2.1 素混凝土中“工作縫”的插筋設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)灌漿蓋板為素混凝土，由于設(shè)置“工作縫”后，將原整體混凝土分成兩塊?！肮ぷ骺p”中插筋設(shè)計(jì)方法，假設(shè)兩側(cè)混凝土之間已形成一道隔縫，混凝土之間沒有粘著力，蓋板混凝土一側(cè)受拉時(shí)，拉力全部由“工作縫”的插筋傳到另一側(cè)的混凝土中去。蓋板混凝土按 C20，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度（Rc）1.3MPa，插筋用 II 級(jí)鋼筋，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度（Rg）340MPa。“工作縫”斷面混凝土拉應(yīng)力假設(shè)達(dá)到本體抗拉強(qiáng)度時(shí)，則每 m2斷面所需配置的插筋面積（Ag）為：

“工作縫”斷面上每平方米布置 8φ25，則 Ag= 39.27cm2，可滿足要求，每側(cè)插筋最小插入長(zhǎng)度按40d計(jì)算。

3.2.2 鋼筋混凝土中“工作縫”的插筋設(shè)計(jì)

在鋼筋混凝土中設(shè)置的“工作縫”，其位置應(yīng)設(shè)在壓應(yīng)力區(qū)，如白石水庫(kù)工程溢流壩段閘墩的“工作縫”，布置在距閘墩上游 13.0m，經(jīng)應(yīng)力計(jì)算該位置為受壓區(qū)。原閘墩配置的鋼筋在“工作縫”處亦不必?cái)嚅_（鋼筋不限制“工作縫”的形成），這種情況可不必再另設(shè)插筋。

4 “工作縫”的實(shí)施效果

實(shí)踐證明“工作縫”結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，施工方便，避免了“寬槽”在狹窄的空間進(jìn)行鑿毛、焊接鋼筋、回填膨脹混凝土等繁瑣工序，克服了高部位“寬槽”無法保證混凝土外觀施工質(zhì)量的難題。白石水庫(kù)工程大壩已建完5年，從永久外露的底孔出口段擋墻、溢流壩段閘墩和挑坎等部位常態(tài)混凝土中設(shè)置的“工作縫”來看，已經(jīng)明顯形成一道“人工縫”結(jié)構(gòu)，這對(duì)減少水工建筑物縱向自然裂縫的減少起到了一定的作用。當(dāng)然，在大體積常態(tài)混凝土施工中予設(shè)“工作縫”在白石水庫(kù)工程是一次嘗試，有待于進(jìn)一步探討與論證，但從理論上和幾年的運(yùn)行中看是成功的。

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2013-12-11