某河床式水電站溢流壩裂縫分析處理

卓 勝

（贛州市水利電力勘測設(shè)計研究院，江西 贛州，341000）

1 工程概況

某河床式水電站壩址控制流域面積7 339km2，水庫總庫容7 360萬m3，正常蓄水位122.0m（黃海高程，下同），電站裝機(jī)2（臺）×3萬kW。水電站工程等別為Ⅲ等，大壩、廠房等主要建筑物為3級建筑物。

水電站樞紐建筑物由混凝土溢流壩、混凝土非溢流重力壩、河床式電站廠房等組成。樞紐建筑物沿壩軸線呈“一”字型布置，壩頂長258.20m，壩頂高程124.30m，從左至右依次為：左岸非溢流混凝土重力壩段（長40m）、混凝土溢流壩段（長108m），廠房壩段（長66.72m）、右岸非溢流混凝土重力壩段（長43.48m）。

2 溢流壩結(jié)構(gòu)設(shè)計情況

溢流壩段溢流壩布置于河床中部至河床左側(cè)，由8孔表孔溢流堰組成，單孔凈寬10m，溢流壩全長108m。堰頂高程108.00m，閘室順?biāo)鞣较蜷L度為26.28m。表孔溢流堰采用WES曲線型實用堰，基本斷面最大堰高7.0m（河床深槽處最大堰高20.85m）。溢流堰面混凝土強(qiáng)度等級為C25，堰體為C15，混凝土強(qiáng)度等級分區(qū)線在橫剖面上呈臺階形，堰頂處C25混凝土厚2.0m，斜坡面處C25混凝土最小厚度為1.6m，反弧末端及平段處C25混凝土最小厚度1.2m。溢流壩中墩厚3.0m，邊墩厚3.5m，在0+003.4m樁號處設(shè)有檢修閘門槽，門槽深0.7m，寬1.4m。閘墩最大高度22.1m。閘墩混凝土強(qiáng)度等級為C25（底部混凝土分區(qū)線同堰體）。

溢流壩段基礎(chǔ)巖性為弱風(fēng)化中部花崗巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，傾角一般較陡，基巖較堅硬、承載力滿足要求。溢流壩全壩基經(jīng)固結(jié)灌漿處理，灌漿孔按孔、排距4.0m梅花型布置，固結(jié)灌漿孔深入基巖6.0m。溢流壩基礎(chǔ)經(jīng)處理后，壩基不存在不均勻沉陷問題。

電站溢流壩分兩期施工，本文分析處理的溢流壩裂縫位于工程一期的4孔溢流壩段（壩0+092.50～壩0+148.00），4孔溢流壩平面布置圖見圖1，溢流壩基本斷面見圖2。

圖1 4孔溢流壩平面布置圖

圖2 溢流壩基本斷面圖

3 裂縫情況

一期4孔溢流壩段施工過程中發(fā)現(xiàn)的裂縫共14條，其中1#閘墩右側(cè)面2條，左側(cè)面1條，2#閘墩左、右側(cè)面各2條，3#閘墩左、右側(cè)面各2條，4#閘孔溢流堰面2條，3#閘墩頂部1條，閘墩裂縫分布情況見表1。

表1 裂縫分布情況表 m

表中閘墩裂縫寬度0.1～0.2mm，4#溢流孔堰面裂縫寬度0.2～0.5mm。2#閘墩門槽處所在裂縫呈彎曲不連續(xù)狀，其余裂縫基本順直、連續(xù)。

4 裂縫成因分析

通過對閘墩裂縫外觀、1#～4#閘墩混凝土澆筑情況（分層厚度、停歇時間和澆筑溫度等）的分析，混凝土裂縫主要由表面干縮裂縫和溫度變形裂縫組成。其中2#閘墩裂縫為不連續(xù)裂縫，屬混凝土表面干縮裂縫；1#～3#閘墩中部的裂縫屬在基礎(chǔ)約束條件下的溫度變形裂縫。1#～4#閘墩分層澆筑厚度、停歇時間和澆筑溫度等情況詳見表2。

表2 閘墩澆筑情況及裂縫情況統(tǒng)計表

閘墩裂縫成因分析如下：

（1）2#閘墩門槽裂縫為表面縫，呈彎曲不連續(xù)狀，走向沒有規(guī)律，裂縫寬度較細(xì)，屬混凝土表面干縮裂縫。成因主要是高標(biāo)號混凝土水泥用量較大，閘墩門槽壁厚相對較小，收縮變形較大，收縮、降溫與約束共同作用引起混凝土裂縫。

（2）1～3#閘墩裂縫連續(xù)順直，裂縫走向基本垂直，屬溫度變形裂縫。成因主要是閘墩混凝土收縮變形大，受下部堰體約束，最終導(dǎo)致閘墩產(chǎn)生垂直長度方向的裂縫。具體成因分析為：1#～3#閘墩是在堰體混凝土澆筑完畢10～29d后開始澆筑，堰體混凝土當(dāng)時已基本達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度，加上堰體斷面遠(yuǎn)大于閘墩，閘墩則成為以堰體為基礎(chǔ)的長墻結(jié)構(gòu)，堰體對閘墩下部混凝土約束作用較大，易引起開裂；1#～3#閘墩下部混凝土澆筑分層厚度偏大，澆筑層間歇時間偏長，閘墩上升速度偏低，上升高度不足閘墩長度一半即長時間停止?jié)仓?；閘墩混凝土為高標(biāo)號混凝土，水泥用量大，水化熱溫升較高，106m高程以上混凝土澆筑氣溫偏高；以上這些因素綜合導(dǎo)致了裂縫的產(chǎn)生。

4#閘孔堰面裂縫亦為基礎(chǔ)約束條件下的溫度變形裂縫，裂縫未深入堰體混凝土，裂縫產(chǎn)生原因分析如下：

（1）堰面C25混凝土澆筑時，堰體C15混凝土已基本達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度，堰體對堰面混凝土的約束作用大，在溫度應(yīng)力影響下產(chǎn)生裂縫。

（2）堰面下部堰體呈臺階形，堰面混凝土厚度呈不均勻變化，堰面澆筑采用滑模形式，若滑模重量及混凝土流動性不足，則混凝土硬化前局部易沉實不足，造成沿面垂直水流方向面層鋼筋位置發(fā)生裂縫。

（3）堰體臺階尖角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，而該部位混凝土厚度相對更小，加上混凝土摻入了粉煤灰及減水劑，早期抗拉強(qiáng)度降低，在集中應(yīng)力作用下而產(chǎn)生裂縫。

5 裂縫影響分析

2#閘墩門槽閘墩裂縫為表層干縮裂縫，對結(jié)構(gòu)安全無影響；閘墩中部裂縫為溫度變形裂縫，裂縫是因基礎(chǔ)約束的存在限制了混凝土變形而產(chǎn)生的，但同樣由于約束作用而會限制裂縫的擴(kuò)展，因此裂縫寬度發(fā)展有限，溫度變形裂縫有自愈的特點，即裂縫寬度將逐漸變小。目前裂縫寬度僅為0.1～0.2mm，此寬度量級基本上不影響閘墩結(jié)構(gòu)安全，但裂縫的存在易導(dǎo)致閘墩鋼筋銹蝕。

4#閘孔堰面裂縫為表層溫度縫，裂縫的深度有限（僅局限在堰面混凝土中），裂縫的存在對結(jié)構(gòu)安全影響較小，但溢流壩泄流時，在裂縫處易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，降低了堰面抗沖耐磨性能，另外裂縫的存在也易引起鋼筋的銹蝕。

6 裂縫處理方案

為控制閘墩裂縫的發(fā)展，加強(qiáng)閘墩的完整性，閘墩裂縫采取設(shè)置并縫鋼筋和裂縫封閉相結(jié)合的措施：

（1）閘墩并縫鋼筋布置。

閘墩繼續(xù)上升時，在已發(fā)現(xiàn)裂縫的閘墩現(xiàn)狀頂面布置垂直于裂縫方向并縫鋼筋，并縫鋼筋為Φ25@100mm，單根長4m，分布鋼筋采用Φ18@200mm或Φ20@200mm。在架設(shè)并縫鋼筋前，閘墩頂面應(yīng)嚴(yán)格按施工縫處理要求進(jìn)行鑿毛、沖洗、鋪漿等。

（2）閘墩裂縫封閉處理。

裂縫封閉處理措施為：① 沿閘墩裂縫鑿深2cm，寬5cm凹槽，并對裂縫兩側(cè)混凝土表面進(jìn)行打磨清理（清理寬度10～15cm）；② 對裂縫表面均勻涂刷一道HK-G低粘度環(huán)氧；③用環(huán)氧膩子填補(bǔ)縫面并找平；④ 涂刷HK-961環(huán)氧增厚涂料（0.8mm厚）封閉裂縫。

堰面裂縫處理采用表面封閉和裂縫灌漿相結(jié)合的措施：① 對裂縫表面進(jìn)行打磨清理（清理寬度10～15cm）；② 沿裂縫表面粘貼灌漿嘴（間距一般為15～20cm）；③ 涂刷HK-961環(huán)氧增厚涂料封閉灌漿嘴以外的裂縫；④ 對裂縫進(jìn)行環(huán)氧灌漿；⑤ 表面修復(fù)：涂刷HK-961環(huán)氧增厚涂料（0.8mm厚，10～15cm寬）。

裂縫封閉灌漿處理一般選擇在裂縫開度較大時處理，這樣可避免裂縫開度增大時導(dǎo)致漿體承受較大拉力而破壞，保證封閉灌漿效果，因此裂縫封閉灌漿選擇冬季低溫季節(jié)進(jìn)行。

7 裂縫預(yù)防措施建議

根據(jù)上述裂縫成因分析，對類似本工程混凝土壩裂縫預(yù)防措施建議如下：

（1）合理分縫分塊，嚴(yán)格控制間歇期?；炷翝仓r應(yīng)合理分層、分塊，在基礎(chǔ)和老混凝土約束部位，澆筑層高不應(yīng)大于1.5m；嚴(yán)格控制大體積混凝土和墩墻等結(jié)構(gòu)混凝土澆筑的層間間歇期，間歇期不少于3d，也不宜大于10d。

（2）優(yōu)化大壩混凝土配合比。在滿足混凝土標(biāo)號及抗?jié)B、抗凍等主要設(shè)計指標(biāo)前提下，盡量減少水泥用量以降低水化熱；大體積混凝土盡量采用低熱水泥。

（3）合理解決堰面C25混凝土和易性和早期抗拉強(qiáng)度的矛盾，在增加堰面混凝土和易性的同時，盡可能減少混凝土早期抗拉強(qiáng)度降低幅度。

（4）堰面混凝土采用滑模施工時注意控制滑模支撐時間，必要時在混凝土澆灌1～2h后，對混凝土進(jìn)行二次振搗，表面拍打振實，以減小混凝土早期沉縮量。

（5）高溫季節(jié)應(yīng)延長澆筑混凝土的養(yǎng)護(hù)時間。

8 結(jié)語

電站溢流壩閘墩及堰面經(jīng)上述措施處理后，已有裂縫已封閉，后續(xù)混凝土澆筑也未見新的裂縫產(chǎn)生。目前電站已投入運行14年，多次定檢顯示閘墩和閘墩表面整體結(jié)構(gòu)良好，未發(fā)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)裂縫、脫落、剝蝕等異常現(xiàn)象，溢流堰面也未發(fā)現(xiàn)新增結(jié)構(gòu)裂縫，堰面結(jié)構(gòu)完整，沒有發(fā)現(xiàn)空蝕、沖磨破壞現(xiàn)象。