雙河二級(jí)水電站混凝土壩裂縫處理設(shè)計(jì)

王曉麗

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

1 工程概況

白山市雙河二級(jí)水電站位于吉林省白山市所轄臨江市與撫松縣境內(nèi)，為跨市（縣）區(qū)、跨流域、引水式梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第二級(jí)電站。由攔河壩、引水隧洞和發(fā)電廠房三部分組成。水庫(kù)正常蓄水位為715.00 m，總庫(kù)容為0.153×108m3，總裝機(jī)容量為12 MW。

白山市雙河二級(jí)水電站大壩由混凝土重力壩和粘土心墻土石壩組成，壩頂高程717.00 m，大壩全長(zhǎng)為256.0m，其中混凝土重力壩長(zhǎng)度為173.0 m，最大壩高為31 m，壩頂寬度為10 m，上游鉛直，下游坡比為1∶0.66?；炷翂喂?1個(gè)壩段，其中3～4號(hào)壩段為溢流壩段，上游坡比在694.00 m高程以上為3∶1，694.00 m高程以下鉛直，下游坡比為1∶0.7，溢流壩堰頂高程為709.50 m，弧形閘門擋水，泄洪消能方式為挑流消能，挑流鼻坎高程為694.78 m。

2 混凝土壩現(xiàn)狀分析

白山市雙河二級(jí)水電站混凝土壩2003年建成，至2012年10月間始終未蓄水，壩體多處存有裂縫。2012年3月至5月間，先后對(duì)混凝土壩裂縫的分布情況包括裂縫的數(shù)量、分布與走向進(jìn)行了調(diào)查，對(duì)壩體混凝土內(nèi)部缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，對(duì)混凝土芯樣進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。

2.1 裂縫情況

裂縫調(diào)查與檢測(cè)結(jié)果顯示：11個(gè)混凝土壩段表面現(xiàn)存裂縫539條，其中上游面400條，下游面139條。需要處理的裂縫共517條（上游面398條，下游面119），其中A類裂縫92條，B類裂縫129條，C類裂縫174條，D類裂縫122條。需處理裂縫總長(zhǎng)度約為1851.75 m，其中A類裂縫約為136.13 m，B類裂縫約為 237.01 m，C類裂縫約為601.03 m，D類裂縫約為881.70 m。溢流壩閘墩上游側(cè)共有3條相對(duì)細(xì)小裂縫裂縫，而兩個(gè)邊閘墩下游側(cè)卻各有1條貫穿裂縫。壩頂上游側(cè)防浪墻共有30條貫穿性裂縫。

其中溢流壩段（3號(hào)壩段）堰體上游側(cè)中部F3-1，F(xiàn)3-30，F(xiàn)3-46等3條裂縫沿壩頂與下游側(cè)裂縫F3-52相接，深度不小于1 m，為上下游貫通縫。

2.2 混凝土鉆芯檢測(cè)試驗(yàn)情況

2012年3月，現(xiàn)場(chǎng)選取1～11號(hào)壩段代表性部位鉆取芯樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，包括芯樣容重、抗壓強(qiáng)度、靜壓彈性模量、抗凍、抗?jié)B等性能試驗(yàn)。11個(gè)混凝土壩段現(xiàn)場(chǎng)取芯試驗(yàn)結(jié)果如下：①容重與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果：芯樣試件容重介于 2210～2450 kg/m3之間，平均容重為 2324 kg/m3；抗壓強(qiáng)度介于18.5～40.2 MPa之間，平均強(qiáng)度為26.8 MPa，芯樣試件的抗壓強(qiáng)度均值不低于20.0 MPa。②彈性模量測(cè)試結(jié)果：1～11號(hào)壩段芯樣試件的彈性模量介于（1.69～4.38）×104MPa之間，彈性模量平均值為2.73×104MPa，不同位置、不同孔深芯樣試件間的彈性模量試驗(yàn)結(jié)果存在一定差異。③抗凍性能測(cè)試結(jié)果：芯樣試件抗凍試驗(yàn)結(jié)果存在較大差異，最大凍融次數(shù)級(jí)最低為25次，最高為225次；深層芯樣試件抗凍性能略高于表層芯樣試件。④抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果均滿足W8的抗?jié)B等級(jí)。

混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B性能滿足設(shè)計(jì)要求，但壩體混凝土的抗凍指標(biāo)不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

3 混凝土壩裂縫處理必要性

通過(guò)計(jì)算可知，溢流壩和擋水壩的壩體裂縫不僅僅發(fā)生在冬季，甚至是秋季寒潮來(lái)臨時(shí)，壩體表面拉應(yīng)力也大面積超標(biāo)，導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。可見(jiàn)溫度應(yīng)力是引起白山市雙河二級(jí)水電站混凝土壩壩體裂縫生成和發(fā)展的主要原因。

壩體裂縫的存在，不僅改變了壩體的應(yīng)力分布，出現(xiàn)應(yīng)力集中，壩體蓄水情況下，容易導(dǎo)致滲水現(xiàn)象發(fā)生，尤其是水位較高時(shí)，裂隙水的劈裂作用有可能引起裂縫逐漸擴(kuò)展，影響混凝土壩應(yīng)力及穩(wěn)定，冬季時(shí)，縫隙水結(jié)冰凍脹會(huì)使裂縫繼續(xù)擴(kuò)展等。可見(jiàn)，裂縫的存在，會(huì)加速壩體老化，鋼筋銹蝕，降低混凝土壩耐久性，影響壩體應(yīng)力和穩(wěn)定等，嚴(yán)重威脅大壩安全，為保證雙河大壩的運(yùn)行安全，對(duì)白山市雙河二級(jí)水電站混凝土壩裂縫進(jìn)行處理是非常必要和緊迫的。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)裂縫的分類標(biāo)準(zhǔn)及處理原則，上游面需要處理的裂縫有398條，占上游面裂縫總數(shù)的99.5%，布滿雙河混凝土壩每個(gè)壩段的上游表面，接近壩頂部位裂縫較少；下游面需要處理的裂縫有118條，占下游面總裂縫總數(shù)的84.9%。因此，從裂縫分布情況看，混凝土壩上下游面均需進(jìn)行裂縫處理。

另外，從壩體混凝土試驗(yàn)成果看，上下游面混凝土抗壓、抗?jié)B強(qiáng)度等級(jí)雖然滿足設(shè)計(jì)要求，但其抗凍指標(biāo)都不滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求，所以上下游面都需要進(jìn)行處理。

4 混凝土壩裂縫處理方案

4.1 上游面的處理方案設(shè)計(jì)

4.1.1 處理范圍確定

在檢測(cè)的539條裂縫中，上游面有400條，占?jí)蚊媪芽p總數(shù)的74.2%，需要處理的裂縫有398條，占上游面裂縫總數(shù)的99.5%，布滿雙河混凝土壩每個(gè)壩段的上游表面，接近壩頂部位裂縫較少。

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明壩體混凝土的所有抗凍指標(biāo)都不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，同時(shí)由于凍融破壞，使得表面混凝土的容重、彈性模量質(zhì)量差異較大，降低混凝土壩的使用壽命、影響混凝土壩防滲能力。

由于雙河大壩建成后一直沒(méi)有蓄水，上游面施工受環(huán)境影響不大，具備全壩面裂縫處理的施工條件。

開(kāi)挖后置換新混凝土解決裂縫對(duì)壩體帶來(lái)的不利影響，主要是用來(lái)提高壩體混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，尤其是壩體混凝土的抗凍強(qiáng)度等級(jí)，因?yàn)楝F(xiàn)行規(guī)范對(duì)水上、水下混凝土的抗凍要求不同，水下混凝土滿足F50即可，而東北嚴(yán)寒地區(qū)水上混凝土，特別是水位變化區(qū)的混凝土應(yīng)滿足F300的抗凍指標(biāo)要求。盡管雙河混凝土壩上游面混凝土的抗凍指標(biāo)不滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，但全面開(kāi)挖處理的必要性不大，死水位以下混凝土經(jīng)表面處理并蓄水后就不存在凍融問(wèn)題，水上及水位變化區(qū)混凝土進(jìn)行開(kāi)挖置換是必要的，在提高混凝土抗凍強(qiáng)度等級(jí)的同時(shí)，解決了壩體混凝土的耐久性問(wèn)題，提高了混凝土壩的使用壽命。

上部高程考慮到防浪墻和人行道建于混凝土壩上游側(cè)1.5 m的懸挑板上，且接近壩頂部位裂縫分布較少，為保證壩頂結(jié)構(gòu)的安全，擋水壩段懸挑板以下1.0 m范圍內(nèi)不進(jìn)行開(kāi)挖處理，即混凝土開(kāi)挖頂高程不應(yīng)超過(guò)715.40 m。因此，擋水壩段混凝土開(kāi)挖頂高程定為715.40 m，河床部位開(kāi)挖底高程為698.00 m，即死水位700.00 m以下2.0 m處；兩岸壩段開(kāi)挖底高程為地面以下1.5～2.0 m或建基面。對(duì)開(kāi)挖范圍以外的裂縫仍需根據(jù)規(guī)范要求采用其他方法進(jìn)行處理，即上游面需要全壩面進(jìn)行處理。

4.1.2 處理厚度確定

從裂縫深度檢測(cè)結(jié)果看，在混凝土壩上游面400條裂縫中，壩體表面混凝土30 cm范圍內(nèi)共有裂縫235條，占?jí)误w上游面面裂縫總數(shù)的58.8%；40 cm范圍內(nèi)共有裂縫309條，占?jí)误w上游面裂縫總數(shù)的77.3%；50 cm范圍內(nèi)共有裂縫340條，占?jí)误w上游面面裂縫總數(shù)的85.0%；深度超過(guò)50 cm的裂縫僅有60條。

從上游面混凝土在深度為65 cm范圍鉆孔所取芯樣試驗(yàn)結(jié)果表明：壩面混凝土質(zhì)量較差，壩體混凝土凍融的破壞程度非常嚴(yán)重。

考慮混凝土壩表面裂縫、壩體混凝土強(qiáng)度等多種因素，結(jié)合其它工程加固處理經(jīng)驗(yàn)，確定混凝土開(kāi)挖厚度60 cm，新澆筑的抗裂混凝土厚度為60 cm。

4.1.3 裂縫處理方案設(shè)計(jì)

從基礎(chǔ)至698.00 m高程：該范圍屬于水下環(huán)境，對(duì)C類和D類裂縫化學(xué)灌漿后，采用手刮聚脲對(duì)壩面進(jìn)行處理。

698.00～715.40 m高程：屬于水位變化區(qū)，將壩面混凝土挖除60 cm后，對(duì)壩面存留的D類裂縫進(jìn)行化學(xué)灌漿后，重新鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，打錨筋，噴混凝土界面粘結(jié)劑，再澆筑60 cm厚的抗裂混凝土。

715.40～716.40 m高程：該范圍屬于露天環(huán)境，在水庫(kù)正常蓄水位以上，不是常擋水范圍，與水下部分的處理方式相同，對(duì)C類和D類裂縫化學(xué)灌漿后，采用手刮聚脲對(duì)壩面進(jìn)行處理。

壩面裂縫選用高分散性環(huán)氧類化學(xué)灌漿材料。 一般裂縫的化學(xué)灌漿鉆孔采用水鉆沿混凝土裂縫兩側(cè)鉆跨縫斜孔，孔深為30～60 cm（根據(jù)裂縫寬度和深度調(diào)整）單側(cè)孔間距60～80 cm，在混凝土表面沿裂縫采用結(jié)構(gòu)膠封縫，封縫厚度5～8 mm，封縫寬度40 mm。對(duì)個(gè)別貫穿性壩體橫縫需采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，專門化灌處理。

開(kāi)挖范圍內(nèi)新澆筑的混凝土采用抗裂混凝土，同時(shí)在混凝土中摻加網(wǎng)狀聚丙烯纖維及高效外加劑等以提高壩面混凝土的限裂和抗?jié)B能力；混凝土用錨筋掛鋼筋網(wǎng)及混凝土界面粘結(jié)劑與壩體老混凝土牢固連接，以增加壩的整體性，由于老混凝土有新混凝土保護(hù)，提高了混凝土壩表面抗凍抗老化的能力。鋼筋網(wǎng)采用直徑16 mm的螺紋鋼，縱向和水平向間距均為20 cm。錨筋采用直徑22 mm的螺紋鋼，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)=3.0 m，間排距為1.5 m，梅花型布置，外露端部與鋼筋網(wǎng)焊接牢固。錨筋的錨固長(zhǎng)度為2.25 m。

雙河二級(jí)水電站壩區(qū)冬季嚴(yán)寒，壩體混凝土抗凍要求很突出，裂縫處理混凝土應(yīng)采用較高的抗凍標(biāo)號(hào)，根據(jù)規(guī)范要求，新混凝土采用C25F300W6，二級(jí)配抗裂混凝土。

混凝土壩上游面手刮聚脲施工，化學(xué)灌漿完成后，將混凝土壩表面打磨3 mm，清洗干凈，晾干后涂刷界面劑，待界面劑表干后直接刮涂手刮聚脲一遍。1 h內(nèi)在裂縫部位15 cm范圍內(nèi)鋪蓋胎基布，再涂刷2～3遍手刮聚脲。一次刮涂厚度1 mm左右，保證裂縫部位聚脲厚度大于3 mm。

4.2 下游面的處理方案設(shè)計(jì)

雙河混凝土壩下游面裂縫與上游面比相對(duì)較少，在檢測(cè)的539條裂縫中下游面有139條，占?jí)蚊媪芽p總數(shù)的25.8%。根據(jù)DL/T 5251-2010《水工混凝土建筑物缺陷檢測(cè)和評(píng)估技術(shù)規(guī)程》中裂縫的分類標(biāo)準(zhǔn)及處理原則，需要處理的裂縫有118條，占下游面裂縫總數(shù)的84.9%。混凝土室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與上游面基本相同。

下游面裂縫分布相對(duì)較少，雖然混凝土強(qiáng)度和彈性模量不均，抗凍指標(biāo)較低，但規(guī)范對(duì)混凝土壩下游面混凝土的強(qiáng)度等級(jí)要求也較低，因此，設(shè)計(jì)不考慮對(duì)下游壩面進(jìn)行開(kāi)挖處理。

擋水壩段下游面的處理措施是只對(duì)裂縫進(jìn)行化學(xué)灌漿?？紤]溢流面對(duì)混凝土的抗?jié)B、抗沖磨要求較高，在溢流面化學(xué)灌漿完成后，對(duì)溢流壩表面進(jìn)行手刮聚脲處理。

4.3 溢流壩閘墩的處理方案設(shè)計(jì)

溢流壩段兩個(gè)邊墩均在接近閘墩尾部的變坡點(diǎn)處各存在1條貫穿裂縫，裂縫自703 m高程開(kāi)裂向閘墩下部延伸，左邊墩裂縫與豎直面成45°左右的夾角，右邊墩裂縫接近鉛直，裂縫長(zhǎng)度約6.5 m。

對(duì)溢流壩閘墩裂縫的處理方法仍是化學(xué)灌漿，化學(xué)灌漿材料和封縫材料與混凝土壩上游面相同。因邊墩裂縫為貫穿性裂縫，且邊墩厚度為1.75 m，為保證化學(xué)灌漿質(zhì)量，應(yīng)對(duì)閘墩左右兩側(cè)裂縫同時(shí)封縫、同時(shí)灌漿，每側(cè)孔深為50～60 cm，單側(cè)孔間距60～80 cm，在混凝土表面沿裂縫采用結(jié)構(gòu)膠封縫，封縫厚度5～8 mm，封縫寬度40 mm。

化學(xué)灌漿完成后，沿裂縫18 cm寬度范圍內(nèi)將閘墩混凝土打磨3 mm，清洗干凈，晾干后涂刷BE14界面劑，待界面劑表干后直接刮涂手刮聚脲一遍。1 h內(nèi)在裂縫部位15 cm范圍內(nèi)鋪蓋胎基布，再涂刷2～3遍手刮聚脲。一次刮涂厚度1 mm左右，保證裂縫部位聚脲厚度大于3 mm。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)混凝土壩表面存在少數(shù)裂縫時(shí)，化學(xué)灌漿是最常用的方法之一，也是最有效的裂縫處理措施，但是，當(dāng)混凝土壩表面存在大面積的深層裂縫時(shí)，開(kāi)挖后置換抗裂混凝土，既提高了壩體混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，也提高了混凝土的耐久性，從而徹底解決壩體混凝土的抗裂、抗凍問(wèn)題。