玉石水庫混凝土壩上游面豎向裂縫原因與處理

張 殳，王成山

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽110006）

玉石水庫混凝土壩上游面豎向裂縫原因與處理

張 殳，王成山

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽110006）

本文分析了玉石水庫混凝土重力壩上游面豎向裂縫產生的原因，介紹了裂縫處理措施，提出北方寒冷地區(qū)混凝土重力壩表面豎向裂縫的預防措施。對于類似工程有一定的借鑒意義。

混凝土重力壩；大壩上游面豎向裂縫；處理措施

1 概述

玉石水庫位于遼寧省營口市境內，總庫容8852萬m3，為中型水庫。玉石水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高50.20m。全壩共分15個壩段。

6#溢流壩段長為24.00m，建基面高程為155.00m，壩底寬39.50m，堰頂高程為196.00m，最大壩高41.00m。大壩斷面采用“金包銀”型式，即外部和基礎采用常態(tài)混凝土，內部采用碾壓混凝土。上游常態(tài)混凝土防滲層3.0m，下游保護層和基礎墊層常態(tài)混凝土2.0m。

玉石水庫大壩混凝土澆筑于1999年5月20日開盤，首先對6#、7#壩段153.00m高程建基面以下用C 3混凝土進行補坑、填平，5月30日進行153.00～154.00m高程B 1混凝土澆筑，6月6日澆筑154.00～155.00m的混凝土，6月14日達到156.00m高程，6月24日達到157.00m高程后停止?jié)仓?。然后進行基礎固結灌漿。于8月8日開始繼續(xù)升程，進行碾壓混凝土施工。在碾壓混凝土施工時，將原設計的壩體上、下游面A2富膠材碾壓混凝土改為B2常態(tài)混凝土。A2混凝土與B2混凝土配合比對比見表1。至11月7日，6#壩段混凝土升程到169.00m高程后停止?jié)仓?，進行保溫防護越冬。169.00m高程以上混凝土從2000年3月27日開始澆筑，至2000年8月24日，澆筑高程達到190.00m。

2 裂縫分布情況

6#壩段上游面豎向裂縫位于大壩迎水面，裂縫下自基巖面155m高程上至169m高程混凝土越冬停澆面，高14m。左距5#壩段15m，右距7#壩段9m。裂縫在169m高程平面上向壩內延伸3.9m。裂縫在位于壩體下部的灌漿廊道上游壁出露。

3 裂縫成因分析

3.1 澆筑溫度高，內表溫差大，壩段過長，引起較大的溫度應力

原設計混凝土允許澆筑溫度，基礎約束區(qū)為15℃（高程155～163m，H≤8m），上部為18℃（高程163m以上，H＞8m）。實際基礎約束區(qū)內（高程155～163m）平均澆筑溫度為9.75～22.5℃，最高澆筑溫度為27℃。上部（高程163～169m）平均澆筑溫度為9.5～17℃，最高澆筑溫度為19℃。由于6#壩段未設內部溫度計，無內部溫度觀測記錄。借鑒9#壩段壩體內部溫度觀測結果，混凝土最高溫度達到34℃。借鑒3#壩段側立面T3-立溫度計觀測記錄，6#壩段上游面保溫板內混凝土表面溫度，一月份最低溫度達到0℃左右。

（1）水化熱溫升及壩體溫度計算

采用有限差分法計算混凝土內部水化熱溫升，混凝土升程過程按壩體混凝土實際升程過程。計算結果基礎蓋板內（高程155～157m）水化熱溫升為13.3℃，基礎約束區(qū)內（高程157～163m）水化熱溫升為10.5℃，上部（高程163～169m）水化熱溫升為9℃，與澆筑溫度值進行迭加后得出混凝土內最高溫度見表2。

表1 A2與B2混凝土配合比

表2 混凝土內最高溫度

因6#壩段未埋設溫度計，借鑒9#壩段壩體內部溫度計實測結果。以溫度計T6、T7結果最具代表性，表明壩體內部溫度達到30℃，計算結果與實測結果基本吻合。

（2）混凝土表面溫度應力計算

外界溫度年變化在6#壩段上游混凝土表面引起的溫度應力計算公式為：

式中：α—混凝土線脹系數（1/℃），取10×10-5；

T0—混凝土內表溫差（℃），取30；

KP—混凝土松弛系數，取0.65；μ—混凝土泊松比，取0.167；

C—系數，與壩段長度有關，取0.64；

σ—混凝土表面應力（MP a）；

Eh—混凝土彈性模量（M P a），取2.55×104。將數值代入上述公式中：得上游混凝土表面水平拉應力σ=3.82MP a。

混凝土允許拉應力計算公式為：

式中：〔σ〕—混凝土表面允許拉應力（MP a）；

ε—混凝土極限拉伸值，取1.0×10-4；

Kf—安全系數，取1.5。

將數值代入上述公式中，得混凝土允許拉應力〔σ〕=1.5 MP a

由于混凝土澆筑溫度高，內表溫差大，壩段過長，在混凝土表面引起較大的溫度拉應力，超過混凝土抗裂能力，這是6#壩段上游面劈頭裂縫產生的最主要原因。

靠近基巖部位是混凝土外部約束最大的部位，靠近基巖部位混凝土雙向散熱，向外散發(fā)熱量快，混凝土降溫較快，易引起較大的外部約束，該部位在內部約束與外部約束共同作用下，進一步加大溫度應力，從而導致混凝土的開裂。大多數混凝土壩側立面越冬裂縫與此類似，其共同特點是裂縫從下部開始，下部寬而上部窄，多數裂縫沒有達到頂面即已尖滅。

3.2 上游防滲層改變混凝土品種，對上游面混凝土拉應力的影響

大壩上游3m厚防滲層混凝土由原設計的二級配碾壓混凝土改為三級配常態(tài)混凝土，水泥用量由144kg增加到184kg，增加了40kg。粉煤灰摻量由36kg增加到46kg，增加了10kg。由于膠凝材料的增加，導致混凝土發(fā)熱量增加和溫升的加大，壩體混凝土溫度有所提高，加大了上游壩面溫度應力，不利于上游壩面混凝土的防裂。

3.3 巖石地質條件的影響

F 2斷層沿上下游方向斜向橫穿6#壩段，斷層破碎帶寬2.9～5.5m，影響帶寬超過10m。受斷層影響，巖體風化程度、完整性及巖體強度變化較大，工程地質條件相對較差。由于斷層破碎的影響，該壩段基礎開挖成臺階狀，臺階高差2m。臺階在上游面出露點距6#壩段左側橫縫9m，臺階在下游面出露點位于6#壩段右側橫縫處。這種臺階狀的建基面，使得基礎部位壩體混凝土應力狀態(tài)進一步惡化。

4 裂縫處理措施

在169m高程平面裂縫位置，布置4層φ 20@ 200的限裂鋼筋，并自169m高程起將上部壩體分成兩個12m長的壩段。

在垂直方向上的處理范圍如前所述，在上游壩面和廊道內向裂縫內灌注L W、H W雙組分水溶性聚氨酯。沿裂縫開鑿出深8c m，口寬8c m的V形槽，內嵌SR 3型塑性止水材料，表面用寬度為50c m的SR防滲保護蓋片粘貼保護。施工時先用水、鋼絲刷沖刷縫槽及邊緣到扁鋼壓條的寬度，去除雜物，涼干或烘干。然后刷兩道SR底膠，待底膠表干后，在縫槽內及兩側各25c m的范圍內用SR 3型塑性止水材料嵌縫及找平，達到設計規(guī)定的SR 3材料形狀，并使表面光滑。然后撕去SR防滲保護蓋片上的防粘保護紙，將SR防滲保護蓋片粘貼到SR 3材料上。在SR防滲保護蓋片的起止段及搭接段兩側用膨脹螺栓及扁鋼錨固，并用SR 3材料對粘好的SR防滲保護蓋片邊緣進行封邊。

這種處理方法有如下優(yōu)點：⑴防滲效果較好。因為這種處理方法相當于三重防滲，在縫內化灌止水，在縫面做了兩道止水，一道是塑性材料嵌縫止水，一道是SR防滲保護蓋片止水，較以往的只采用一道嵌縫止水的處理方法更加安全可靠。如果施工質量控制的很好，完全可以保證工程安全。⑵工程造價較低。⑶工期較短，施工簡單。這種處理方法存在如下缺點：施工質量要求很高，施工過程不易控制，而且無論哪一道工序出現問題都會嚴重影響工程質量。如果控制不好，會影響工程安全，且以后很難補救。

經上述方法處理后，在169m高程處未見裂縫再向上發(fā)展，廊道內滲水也完全消失。證明裂縫處理效果明顯。

5 結語

（1）由于混凝土澆筑溫度高，內表溫差大，壩段過長，在混凝土表面引起較大的溫度拉應力，超過混凝土抗裂能力，這是6#壩段上游面豎向裂縫產生的最主要原因。

T V 698.2+31

B

1672-2469（2015）06-0080-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.06.028

張 殳（1966年—），男，高級工程師。