某碾壓混凝土壩貫穿性裂縫的成因及預(yù)防措施探討

丁志堅(jiān)

(廣西壯族自治區(qū)柳州水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣西 柳州 545005)

1 基本情況

1.1 工程概況

南方某地水利樞紐工程主壩為碾壓混凝土重力壩，壩軸線全長(zhǎng)317.90m，壩頂高程161.80m，最大壩高59.8m，由14個(gè)壩塊組成。工程區(qū)地貌類型以構(gòu)造侵蝕中-低山地形為主，壩址地質(zhì)為厚層狀長(zhǎng)石石英砂巖夾泥巖及粉砂質(zhì)泥巖。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳径嗄曩Y料統(tǒng)計(jì)，多年平均氣溫為19.3℃，歷年極端最高氣溫為38.8℃，極端最低氣溫為-3.0℃，多年平均降雨量為1755mm，年平均日照時(shí)數(shù)達(dá)1374h，多年平均相對(duì)濕度為79%；年均無(wú)霜期在300d以上。

1.2 工程施工情況

2016年11月該工程主壩完成河床截流。2017年1月開(kāi)始進(jìn)行第一塊地基混凝土填塘；2月開(kāi)始澆第一塊大壩基礎(chǔ)墊層混凝土；3月開(kāi)始碾壓第一倉(cāng)混凝土；至2017年5月中旬，碾壓完汛前最后一倉(cāng)混凝土后。在汛期前，大壩碾壓混凝土施工完成的形象為：3#～4#壩塊已碾壓至113m高程，5#～8#壩塊已碾壓至109.5m高程，9#～10#壩塊已碾壓至115m高程，1#～2#和11#～14#壩塊因故未能施工。2017年6月28日，圍堰過(guò)水，基坑被淹，主壩區(qū)混凝土澆筑施工全面暫停。

1.3 貫穿性裂縫出現(xiàn)的位置及發(fā)展情況

2017年汛期過(guò)后，施工單位在2017年12月17日清理9#～10#壩塊115m高程混凝土倉(cāng)面時(shí)，在該高程倉(cāng)面中部發(fā)現(xiàn)一條縱向裂縫。平面位置上裂縫從10#與11#壩塊分縫處(樁號(hào)：壩0+223.900)向左岸下游延伸至8#與9#壩塊分縫處(樁號(hào)：壩0+185.900)，大致平行于壩軸線，如圖1所示。由于11#壩塊因故未能施工，因此，可從10#與11#壩塊分縫面(樁號(hào)：壩0+223.900)上觀查到該裂縫從115m高程一直延伸至建基面107m高程，如圖2所示，為貫穿性裂縫。該裂縫總長(zhǎng)約48.18m，裂縫寬度約0.02～1mm不等。

已澆筑的其它壩塊未發(fā)現(xiàn)類似的裂縫。

圖1 9#～10#壩塊裂縫示意圖

圖2 9#～10#壩塊貫穿性裂縫示意圖

2 貫穿性裂縫成因分析

2.1 9#～10#壩塊施工情況

大壩壩基開(kāi)挖完成后，發(fā)現(xiàn)9#～10#壩塊局部壩基巖石較破碎，需進(jìn)行清理。施工單位根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)破碎巖石進(jìn)行了清除處理，最終在9#～10#壩塊的下游部分清挖出一個(gè)0～4m深的塘，其范圍如圖3、4所示。

圖3

圖4

9#～10#兩個(gè)壩塊的施工時(shí)間是2017年3月7—22日，用常態(tài)混凝土進(jìn)行填塘處理；2017年3月13—28日澆筑常態(tài)混凝土墊層；2017年4月1日—5月13日，108～115m碾壓混凝土壩體施工。由于汛期的影響，壩體碾壓到115m高程時(shí)被迫停工度汛。因砂石料供應(yīng)和汛前搶工期等原因，這兩個(gè)壩塊的混凝土施工未采取任何溫控措施。

2.2 基礎(chǔ)約束和溫度的影響

9#～10#兩個(gè)壩塊基本參數(shù)為：9#壩塊，建基面高程104m，橫向分縫長(zhǎng)度16m，壩底寬度L=47.55m，碾壓停工時(shí)壩塊的厚度為11m；10#壩塊，建基面高程104～107m，橫向分縫長(zhǎng)度22m，壩底寬度L=47.55～44.7m，碾壓停工時(shí)壩塊的厚度為8～11m。由此可見(jiàn)，兩個(gè)已碾壓壩塊基本處于離基礎(chǔ)高度為0.2L的強(qiáng)約束區(qū)內(nèi)，地基巖體對(duì)壩塊的約束較強(qiáng)。混凝土碾壓完成后，由于膠凝材料的水化熱作用，壩塊內(nèi)溫度不斷升高。當(dāng)膠凝材料水化熱作用逐步減弱到無(wú)后，壩塊內(nèi)溫度會(huì)逐步下降至環(huán)境溫度。根據(jù)埋在9#壩塊內(nèi)的溫度計(jì)(T60)測(cè)出的數(shù)據(jù):4月2日，混凝土澆筑溫度17℃，與當(dāng)天氣溫12～23℃基本吻合；4月8日(第7天)，達(dá)到最高溫度是35.2℃，超過(guò)設(shè)計(jì)允許最高溫度33℃；6月26日，停工度汛前的溫度是30.6℃；12月27日，發(fā)現(xiàn)裂縫時(shí)的溫度是25℃。升溫時(shí)，壩塊的體積在膨脹，但此時(shí)混凝土還未完全變硬，彈性模量小，徐變較大，地基巖石對(duì)混凝土的約束較小，引起的應(yīng)力不大。降溫時(shí)，壩塊的體積在收縮，此時(shí)混凝土已經(jīng)變硬，彈性模量大，地基巖石對(duì)混凝土的約束也較大。由于地基巖石的約束作用，在混凝土內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生較大的水平拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土的極限抗拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)在內(nèi)部拉開(kāi)，產(chǎn)生貫穿性裂縫。因壩塊橫向分縫長(zhǎng)度16～22m，小于壩的底寬度44.7～47.55m，最大的拉應(yīng)力應(yīng)發(fā)生在壩塊中部，且垂直于壩軸線方向。所以，這種情況下發(fā)生的裂縫大多是平行于壩軸線的縱向縫。

2.3 填塘混凝土干縮的影響

9#～10#壩塊的地基處理約3月6日完成，3月7日開(kāi)始混凝土填塘施工，3月22日填塘施工基本結(jié)束。由于已臨近汛期，需搶工期，填塘完成到澆墊層混凝土的間隔僅為2～6d，完成墊層混凝土澆筑到壩體混凝土碾壓的間隔時(shí)間也只有4～5d。同時(shí)，為了加快施工進(jìn)度，施工單位用了和易性較好的混凝土填塘，混凝土的坍落度達(dá)到70～90mm，遠(yuǎn)大于一般大體積混凝土坍落度10～40mm。而坍落度越大，混凝土硬化后的收縮性就越大。由于填塘混凝土較大的收縮，會(huì)引起壩塊下游部分產(chǎn)生微小的不均勻沉降，從而在壩塊混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，并集中在填塘的邊緣處，垂直于地基的平面上。

表1 3#、9#壩塊混凝土實(shí)測(cè)溫度表 單位：℃

2.4 結(jié)論

綜上所述，本次貫穿性裂縫是在壩塊混凝土降溫時(shí)，由于地基巖石的強(qiáng)約束使得壩塊混凝土內(nèi)部產(chǎn)生水平拉應(yīng)力，其最大的拉應(yīng)力發(fā)生在壩塊中部，垂直于壩軸線方向；同時(shí)，9#～10#壩塊下填塘的邊緣亦基本沿壩軸線方向延伸，且剛好位于壩塊的中部附近。高和易性填塘混凝土硬化后較大的干縮，使得壩塊下游部分產(chǎn)生微小的不均勻沉降，導(dǎo)致壩塊混凝土內(nèi)部沿填塘的邊緣產(chǎn)生垂直于壩軸線方向的水平拉應(yīng)力。這兩個(gè)拉應(yīng)力疊加后大于混凝土的極限抗拉應(yīng)力，將混凝土拉裂，從而產(chǎn)生貫穿性裂縫。我們?cè)?#～10#壩塊上觀測(cè)到裂縫的走向和發(fā)展情況，與這個(gè)結(jié)論是吻合的。

3 貫穿性裂縫的預(yù)防措施

平行于壩軸線的貫穿裂縫，破壞壩體的整體性，削弱壩體承受水壓荷載的剛度，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全影響極大。同時(shí)，裂縫也導(dǎo)致大壩的受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)的假定出現(xiàn)較大的偏差，嚴(yán)重影響到大壩的安全運(yùn)行。貫穿裂縫出現(xiàn)后，可采取一些工程措施進(jìn)行補(bǔ)救處理，但最安全、最經(jīng)濟(jì)的辦法是在施工中采取必要的預(yù)防措施，避免貫穿性裂縫的發(fā)生。

3.1 溫控措施

貫穿裂縫的產(chǎn)生與接近基礎(chǔ)部位強(qiáng)約束區(qū)處混凝土的溫度應(yīng)力有直接關(guān)系。因此，必須在強(qiáng)約束區(qū)采取必要的溫控措施，防止基礎(chǔ)約束范圍內(nèi)壩塊混凝土溫度過(guò)高，降溫時(shí)受基礎(chǔ)的約束產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。施工中，主要的溫控措施有：

(1)降低混凝土澆筑溫度?；炷翝仓囟扰c壩塊最高溫度有直接的關(guān)系，較典型的3#和9#兩個(gè)壩塊的實(shí)測(cè)溫度詳見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，降低澆筑溫度可使得最高溫度也相應(yīng)降低；

(2)水管冷卻。水管冷卻可有效削減混凝土水化熱溫升，利于控制壩塊最高溫度，減小基礎(chǔ)溫差和內(nèi)外溫差。

以本工程為例，設(shè)計(jì)要求的溫控指標(biāo)為：約束區(qū)大壩混凝土碾壓允許澆筑溫度18～20℃；強(qiáng)約束區(qū)允許最高溫度為33℃；3—11月份澆筑的壩體混凝土應(yīng)布設(shè)冷卻水管，并進(jìn)行兩期通水。從表1中可見(jiàn)，由于沒(méi)采取控制措施，兩壩塊的混凝土澆筑溫度基本上等于當(dāng)天的天氣氣溫，混凝土的最高溫度均超過(guò)設(shè)計(jì)要求。實(shí)際施工中，3號(hào)壩塊按設(shè)計(jì)要求采取了水管冷卻措施，而9#壩塊沒(méi)有。因而，3#壩塊的澆筑溫度雖遠(yuǎn)高于9#壩塊，但是澆筑溫度與最高溫度的溫差反而小于9#壩塊。水管通水冷卻可以有效地將最高溫度降低3～5℃。可見(jiàn)，要達(dá)到設(shè)計(jì)的溫控要求，上述兩個(gè)措施都應(yīng)實(shí)施。

3.2 填塘混凝土的處理措施

現(xiàn)行的水工混凝土施工規(guī)范規(guī)定，巖基深度超過(guò)3m的塘、槽回填混凝土，應(yīng)采用分層澆筑、通水冷卻等溫控措施，控制混凝土最高溫度，將回填混凝土溫度降低到設(shè)計(jì)要求的溫度后，再繼續(xù)澆筑上部混凝土。因此，對(duì)于存在基礎(chǔ)填塘壩塊，應(yīng)把填塘部分提前單獨(dú)澆筑，待其內(nèi)部溫度基本與基巖一致，再按平整基礎(chǔ)澆混凝土。如果把平整基巖與填塘同時(shí)澆筑，澆筑層就會(huì)在早期產(chǎn)生豎向不均勻沉縮而導(dǎo)致裂縫。

填塘深度超過(guò)3m時(shí)的填塘混凝土處理，應(yīng)采取以下措施：

(1)按現(xiàn)行施工規(guī)范要求，采取必要的溫控措施，延長(zhǎng)填塘與澆筑上部混凝土的時(shí)間間隔。在本工程施工中，從填塘完成到開(kāi)始澆筑壩塊混凝土的時(shí)間間隔9#～10#壩塊僅為13～16d，其它沒(méi)出現(xiàn)裂縫壩塊的這個(gè)間隔是29～63d，說(shuō)明這是一個(gè)非常有效的措施。

(2)澆筑墊層混凝土?xí)r，沿填塘邊緣布設(shè)防裂鋼筋，讓鋼筋來(lái)承受大部分拉應(yīng)力，起到防裂或限裂的作用。(3)使用坍落度較小的混凝土填塘，盡量減小填塘混凝土的干縮率。本工程填塘混凝土的坍落度為70～90mm，一般基礎(chǔ)工程混凝土可用10～30mm的坍落度。

(4)若需趕工期，除采取上述措施外，可在填塘混凝土水泥熟料中摻少量的氧化鎂，使混凝土硬化后期緩慢水化，產(chǎn)生微膨脹作用，可以補(bǔ)償混凝土后期降溫階段的體積收縮而不破壞混凝土的結(jié)構(gòu)，起到減少或避免混凝土裂縫的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

碾壓混凝土重力壩出現(xiàn)裂縫比較常見(jiàn)，但貫穿性裂縫對(duì)大壩的結(jié)構(gòu)安全影響很大，必須采取相應(yīng)的措施避免其發(fā)生。從文獻(xiàn)資料看，貫穿性裂縫主要是由于降溫時(shí)混凝土的收縮與地基約束的作用引起的溫度應(yīng)力造成的，一般出現(xiàn)在基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)。但根據(jù)本工程的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，深度超過(guò)3m的填塘混凝土的干縮亦是其發(fā)生的重要原因。從文中分析看，只要施工單位和現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員對(duì)此有足夠的認(rèn)識(shí)，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)和現(xiàn)行施工規(guī)范的溫控要求進(jìn)行施工，是可以避免貫穿性裂縫發(fā)生的。