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
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。
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。
3.1 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。
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。
(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。