豎井式壓力管道襯砌混凝土裂縫成因分析及處理

何玉虎

(中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司,云南 昆明 650041)

1 概述

黃登水電站設(shè)計(jì)4臺(tái)機(jī)組，引水隧洞按單機(jī)單管布置，埋深為284～500 m，壓力管道采用豎井式設(shè)計(jì)，垂直高差為101 m，水道采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為0.6～0.8 m，襯砌后直徑從10 m漸變到9.2 m，從下彎段開始采用Q345鋼管襯砌加0.6～0.8 m厚鋼筋混凝土。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在大壩蓄水驗(yàn)收前，需進(jìn)行壓力管道襯砌混凝土裂縫檢查及處理，施工單位通過設(shè)置電動(dòng)吊籃對(duì)豎井進(jìn)行裂縫初步檢查，發(fā)現(xiàn)豎井段混凝土表面裂縫較多，部分裂縫有少量滲水。為此進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)普查和分類，針對(duì)性提出處理方案，驗(yàn)證處理效果，以確保工程運(yùn)行安全。

2 裂縫分類及普查情況

參考類似工程經(jīng)驗(yàn)[1-3]，裂縫分類按照縫面寬度和對(duì)工程的危害劃分為三類：Ⅰ類裂縫表面寬度小于0.1 mm，Ⅱ類裂縫表面寬度為0.1～0.3 mm，Ⅲ類裂縫表面寬度大于0.3 mm或貫穿性裂縫。黃登水電站引水豎井裂縫分布見表1，根據(jù)檢查結(jié)果對(duì)裂縫分類統(tǒng)計(jì)見表2、表3。

從表2可看出，1#引水豎井裂縫條數(shù)以Ⅰ、Ⅱ類裂縫為主，占64.87%，Ⅲ類裂縫占35.13%，但Ⅲ類裂縫長(zhǎng)度占49.9%。2#引水豎井裂縫條數(shù)以Ⅲ類裂縫為主，Ⅰ、Ⅱ類裂縫占42.86%，Ⅲ類裂縫占57.14%，Ⅲ類裂縫長(zhǎng)度占74.15%。3#引水豎井裂縫條數(shù)上以Ⅰ、Ⅱ類裂縫為主，占63.36%，Ⅲ類裂縫占36.64%，但Ⅲ類裂縫長(zhǎng)度占49.64%。4#引水豎井裂縫條數(shù)以Ⅰ、Ⅱ類裂縫為主，占62.3%，Ⅲ類裂縫占37.5%，但Ⅲ類裂縫長(zhǎng)度占49.61%。Ⅲ類裂縫長(zhǎng)度占比較大，對(duì)豎井結(jié)構(gòu)危害也較大。對(duì)有危害性的Ⅲ類以上裂縫進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的處理，并驗(yàn)收合格后方能進(jìn)行引水系統(tǒng)充放水試驗(yàn)。

表1 引水豎井裂縫分布統(tǒng)計(jì) m

表2 引水豎井裂縫數(shù)量分布比例 %

表3 引水豎井縫長(zhǎng)度分布比例 %

根據(jù)普查情況，裂縫分布具有較強(qiáng)的規(guī)律性，裂縫產(chǎn)狀均為下陡上緩，下部?jī)A角約為60°～70°，向上慢慢變緩，上部約為5°～15°，且大部分集中在廠房側(cè)。典型裂縫分布見圖1所示。

圖1 典型裂縫分布示意

3 混凝土裂縫成因分析

引起豎井襯砌混凝土產(chǎn)生裂縫的因素很多，也極其錯(cuò)綜復(fù)雜。在實(shí)際施工過程中，裂縫的產(chǎn)生往往是幾種因素共同作用造成的，這些因素有的是內(nèi)因，有的是外因，但總有一個(gè)主導(dǎo)因素，其他因素則起誘發(fā)或促進(jìn)作用[4]。根據(jù)該工程的特點(diǎn)，主要從以下幾方面進(jìn)行分析。

3.1 工程地質(zhì)條件分析

引水豎井圍巖以變質(zhì)火山角礫巖為主，局部夾變質(zhì)凝灰?guī)r條帶，巖體總體較完整、堅(jiān)硬，僅局部發(fā)育的薄層狀凝灰?guī)r夾層以及構(gòu)造影響帶巖體相對(duì)破碎，洞室整體穩(wěn)定條件較好。引水豎井圍巖以Ⅲ、Ⅱ類為主，進(jìn)口段弱風(fēng)化、弱卸荷和凝灰?guī)r條帶發(fā)育部位為Ⅲ類較差巖體，僅局部斷層發(fā)育巖體破碎部位為Ⅳ類，洞室圍巖整體條件較好。引水豎井圍巖分類詳見表4。

表4 引水豎井圍巖分類與Ⅲ類裂縫統(tǒng)計(jì) %

引水豎井巖體總體較完整、堅(jiān)硬。空間地應(yīng)力測(cè)量所得最大主應(yīng)力量值均為壓應(yīng)力，其量級(jí)為7～15 MPa，總體屬中低地應(yīng)力場(chǎng)。但引水豎井處于淺部岸坡中低應(yīng)力場(chǎng)和深部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)過渡區(qū)域，應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，局部存在高地應(yīng)力現(xiàn)象。

地下洞室開挖后，破壞了洞室四周巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，洞壁周邊失去原有巖體的約束，圍巖向內(nèi)變形，使洞室四周一定范圍內(nèi)的巖體中應(yīng)力重新分布，使圍巖中某些部位產(chǎn)生應(yīng)力集中。此時(shí)若應(yīng)力超過巖體的強(qiáng)度極限時(shí)，則在該處發(fā)生局部破壞，同時(shí)引起附近圍巖中應(yīng)力分布進(jìn)一步變化。

從表3中裂縫長(zhǎng)度分布比例表和表4中圍巖分類統(tǒng)計(jì)表可以發(fā)現(xiàn)，2#壓力管道圍巖較好，全部為Ⅱ類圍巖及Ⅲ類較好圍巖，但Ⅲ類裂縫長(zhǎng)占比最大，而其余管道Ⅲ類裂縫長(zhǎng)占比49.61%～49.9%，基本相同，但4#壓力管道圍巖也相對(duì)較好。根據(jù)以上分析可以初步判斷裂縫成因與地質(zhì)條件無關(guān)。

3.2 襯砌混凝土分析

壓力管道混凝土襯砌采用“限裂”設(shè)計(jì)，引水隧洞結(jié)構(gòu)根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5195—2004)，并參考《水工隧洞的設(shè)計(jì)理論和計(jì)算》[5]的相關(guān)內(nèi)容，采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院開發(fā)的“理正巖土隧道襯砌計(jì)算軟件5.2版”進(jìn)行計(jì)算。豎井段(圓形斷面)Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞段受運(yùn)行工況控制，在Ⅱ、Ⅲ類圍巖中采用厚0.8 m的襯砌，在Ⅳ、Ⅴ類圍巖中采用厚1.2 m的襯砌，襯砌承受圍巖壓力、外水壓力或與圍巖共同承受內(nèi)水壓力及其它荷載。采用內(nèi)、外側(cè)均配置Φ32@200 mm的主筋，經(jīng)設(shè)計(jì)單位對(duì)裂縫驗(yàn)算，最大裂縫寬度為0.24 mm，小于長(zhǎng)期組合最大裂縫寬度的控制標(biāo)準(zhǔn)(0.25 mm)，混凝土襯砌厚度及結(jié)構(gòu)配筋滿足規(guī)范要求。

3.3 環(huán)境溫度分析

豎井襯砌混凝土采用的配合比為C2825W8F100二級(jí)配常態(tài)混凝土，根據(jù)原材料檢測(cè)及混凝土澆筑、溫度監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析，結(jié)合對(duì)水泥、粉煤灰、減水劑等項(xiàng)目的檢測(cè)成果以及施工期間混凝土溫度、環(huán)境溫度分析。豎井混凝土澆筑完成后，在壓力管道封閉前，壓力管道內(nèi)形成從廠房下平段經(jīng)豎井向進(jìn)水口的流動(dòng)氣流，流動(dòng)氣體與混凝土間的溫差會(huì)對(duì)豎井混凝土養(yǎng)護(hù)和防裂造成一定不利影響。

3.4 相鄰洞室開挖影響分析

壓力管道段地下洞室相距較近，挖空率較高，且應(yīng)力條件復(fù)雜，各洞室開挖過程中，均會(huì)對(duì)相鄰洞室的應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，豎井段混凝土襯砌過程中，相鄰或附近部位洞室仍未開挖完成，存在洞室襯砌后圍巖變形不充分、應(yīng)力二次調(diào)整的可能性，從而成為豎井混凝土變形開裂的因素之一。

3.5 固結(jié)灌漿影響分析

結(jié)合固結(jié)灌漿完成后進(jìn)行灌后檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯滲水裂縫，豎井內(nèi)壁表面干燥。引水豎井固結(jié)灌漿嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)和要求進(jìn)行施工，施工過程正常，灌漿全過程監(jiān)控未發(fā)現(xiàn)混凝土產(chǎn)生抬動(dòng)變形情況，灌漿完成后也未見明顯滲水裂縫，基本可以判斷豎井裂縫的產(chǎn)生與固結(jié)灌漿沒有關(guān)系。

3.6 施工影響分析

圍巖固結(jié)灌漿單位平均耗灰量分別為：1#、2#洞119 kg/m、3#洞201 kg/m、4#洞131 kg/m；其中3#洞段豎井段洞下部出現(xiàn)2個(gè)孔，單位耗灰量分別為650 kg/m和700 kg/m，并經(jīng)待凝處理后達(dá)到灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。從固結(jié)灌漿耗灰量看，與洞段地質(zhì)情況基本相吻合。

豎井段混凝土澆筑質(zhì)量較易控制，經(jīng)了解，混凝土施工過程正常，未出現(xiàn)混凝土中斷停倉(cāng)等澆筑事故；經(jīng)混凝土取樣、現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯測(cè)試與混凝土表面回彈儀檢測(cè)，混凝土強(qiáng)度等指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。據(jù)此判斷，裂縫的產(chǎn)生可排除洞襯混凝土存在缺陷導(dǎo)致開裂的原因。

1#～3#豎井標(biāo)準(zhǔn)段采用滑模澆筑，未設(shè)施工縫，4#引水豎井采用定型鋼模澆筑，按照設(shè)計(jì)要求每12 m設(shè)置了1道施工縫，豎井混凝土施工完成后形成了較長(zhǎng)的圓筒薄壁結(jié)構(gòu)，混凝土自身體積收縮對(duì)結(jié)構(gòu)抗裂不利，根據(jù)裂縫性狀分析，混凝土自身體積收縮是裂縫產(chǎn)生的主要原因之一。

3.7 綜合分析評(píng)價(jià)

由于4#、3#洞位于靠山體外側(cè)，巖體條件相對(duì)2#、1#洞為差；根據(jù)工期安排，3#洞豎井最先開始澆筑，而此時(shí)洞段圍巖挖空后的變形尚未收斂完成，圍巖仍處于持續(xù)變形中，混凝土澆筑時(shí)巖層變形未收斂，從而可能導(dǎo)致混凝土裂縫的產(chǎn)生。

本工程隧洞襯砌混凝土按限裂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)判斷：從裂縫的開展方向來看，環(huán)向裂縫對(duì)襯砌的極限承載能力基本沒有影響；而豎向裂縫則較大地降低了鋼筋混凝土襯砌的極限承載能力。從水平向裂縫的開展寬度來看，裂縫寬度越大，襯砌的極限承載能力越低。故在以鋼筋應(yīng)力是否達(dá)到屈服強(qiáng)度作為鋼筋混凝土襯砌極限承載能力判斷標(biāo)準(zhǔn)的前提下，貫穿性和非貫穿性裂縫同樣程度地削弱了襯砌的極限承載力。

產(chǎn)生裂縫是多個(gè)因素綜合作用的結(jié)果[6]。本工程豎井混凝土為圓筒薄壁結(jié)構(gòu)，受四周圍巖的約束，混凝土自身體積收縮可能是裂縫產(chǎn)生的主要原因之一，鋼筋混凝土配置的縱向鋼筋有效地限制了裂縫的擴(kuò)展。

4 混凝土裂縫處理措施

裂縫處理首先進(jìn)行試驗(yàn)，分別采用普通水泥灌漿、超細(xì)水泥灌漿、化學(xué)灌漿等方式進(jìn)行了各類裂縫的處理，通過試驗(yàn)成果分析，普通水泥灌漿、超細(xì)水泥灌漿均不能有效填充裂縫，最終確定根據(jù)裂縫的類別，分別采取以下處理措施：

Ⅰ類裂縫：沿縫寬20 cm范圍用鋼絲刷刷毛，并用丙酮(縫面有污漬部位)或高壓水清洗干凈，封面干燥后涂刷1層環(huán)氧基液。

Ⅱ類裂縫：騎縫鑿寬10 cm、深2.5～3.0 cm的梯形槽，槽底寬略大于槽口寬，并覆蓋裂縫兩端頭40 cm；將槽內(nèi)的雜物用高壓水槍沖洗干凈(有油污的地方用丙酮清洗干凈)，然后刷1道環(huán)氧基液，待基液略干能拉絲時(shí)，再刮環(huán)氧砂漿進(jìn)行封縫，環(huán)氧砂漿刮至與原砼面保持齊平為止。

Ⅲ類裂縫：先對(duì)裂縫采用環(huán)氧樹脂類漿液進(jìn)行化學(xué)灌漿處理，而后按照Ⅱ類裂縫施工方法對(duì)縫面作相應(yīng)處理。

對(duì)正在滲水的縫，應(yīng)先用快速凝結(jié)高強(qiáng)堵漏王將水堵住，再刮環(huán)氧膠泥封縫，刮環(huán)氧膠泥前，應(yīng)沿裂縫寬20 cm范圍打磨掉混凝土表面乳皮，用高壓水清洗干凈，局部有油污時(shí)，必須用丙酮清洗。將混凝土表面風(fēng)干后，先刷1道環(huán)氧基液，待基液略干能拉絲時(shí)，再刮環(huán)氧膠泥封縫。

5 裂縫處理結(jié)果檢查

上述處理措施實(shí)施后，采取了鉆孔壓水試驗(yàn)、跨裂縫鉆孔取芯試驗(yàn)等方式進(jìn)行效果檢查，檢查結(jié)果如下：

1#引水豎井壓水試驗(yàn)最大透水率為0.14 Lu，最小透水率為0，平均透水率為0.054 Lu，裂縫環(huán)氧漿液充填率為94.8%。2#引水豎井壓水試驗(yàn)最大透水率為0.17 Lu，最小透水率為0，平均透水率為0.033 Lu，裂縫環(huán)氧漿液充填率為95.3%。3#引水豎井壓水試驗(yàn)最大透水率為0.21 Lu，最小透水率為0，平均透水率為0.071 Lu，裂縫環(huán)氧漿液充填率為93.6%。4#引水豎井壓水試驗(yàn)最大透水率為0.18 Lu，最小透水率為0，平均透水率為0.057 Lu，裂縫環(huán)氧漿液充填率為96.3%。

6 運(yùn)行效果檢驗(yàn)

電站豎井式壓力管道襯砌混凝土裂縫經(jīng)處理后，順利通過工程驗(yàn)收，并于2018年7月5日首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，2019年1月1日4臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)，電站已安全運(yùn)行2 a，壓力管道安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)正常，電站總體運(yùn)行狀態(tài)良好。

7 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)黃登水電站引水豎井段混凝土裂縫進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，并進(jìn)行了原因分析，針對(duì)性提出相應(yīng)處理措施，檢查及運(yùn)行情況表明，處理效果良好，可供類似工程參考。