保豐水庫壩基墊層混凝土裂縫成因分析及處理

楊秀東

(遵義市水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563002)

碾壓混凝土重力壩因其混凝土體積小、膠凝材料用量少、防滲性能優(yōu)、壩身可溢流、施工導(dǎo)流便捷、地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)和工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在西南山區(qū)迅速發(fā)展為工程實(shí)踐應(yīng)用的重要壩型之一[1]。重力壩壩基墊層在澆筑過程中需連續(xù)、大倉面快速澆筑，若受溫控措施采取不當(dāng)、氣溫驟降頻繁或澆筑區(qū)域環(huán)境惡劣等不利因素影響，將會導(dǎo)致混凝土在施工期出現(xiàn)不同程度的裂縫[2-3]。這些初始裂縫如沒及時(shí)處理或處理措施采取不當(dāng)，其蓄水后在高水位運(yùn)行工況下服役，初始裂縫易進(jìn)一步惡化造成起裂、擴(kuò)展甚至貫穿，影響大壩的整體穩(wěn)定性和使用壽命[4-5]。保豐水庫是一座高山峽谷地區(qū)的碾壓混凝土重力壩，在壩基墊層澆筑巡查過程中發(fā)現(xiàn)10條裂縫且有發(fā)展成為深層長大裂縫的趨勢，急需查清混凝土裂縫原因并及時(shí)修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)處理，以便有效指導(dǎo)施工，確保大壩混凝土澆筑質(zhì)量及運(yùn)行安全。

1 工程概況

保豐水庫位于貴州省遵義市習(xí)水縣雙龍鄉(xiāng)境內(nèi)，距遵義市城區(qū)154km。壩址處于桐梓河右岸一級支流沙溪河上游的官倉壩河段。壩址以上流域面積為69.2km2，多年平均年徑流量為3780萬m3。水庫正常蓄水位為900.00m，總庫容為1277萬m3，興利調(diào)節(jié)庫容為830萬m3。工程任務(wù)為農(nóng)田灌溉和農(nóng)村人畜飲水。工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等。水庫擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程為906.0m，最大壩高67.0m，壩頂寬8.0m，壩軸線長196m。工程于2018年11月開工建設(shè)，靜態(tài)總投資57775萬元。

2 壩基墊層混凝土裂縫情況

2.1 建基面條件

設(shè)計(jì)河床壩段壩基開挖至839.0m高程，基礎(chǔ)開挖揭露地層巖性以弱風(fēng)化中厚層夾薄層灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，壩基巖體較完整，巖體工程分類主要為BⅢ2類，強(qiáng)度總體較高。壩基主要發(fā)育有三組裂隙和一條斷層F1，裂隙及斷層為方解石脈充填，對壩基F1斷層破碎帶進(jìn)行了清挖處理，清除深度為斷層寬度的1.5倍，清理完成后采用C20混凝土回填。

2.2 裂縫基本情況

河床段壩基墊層混凝土于2020年1月2日下午13:25開始澆筑，1月4日凌晨2:00停倉，停倉時(shí)已完成墊層55%的澆筑量；1月5日上午開始剩余混凝土澆筑，1月6日凌晨2:00完成全部墊層混凝土澆筑，澆筑方量約2470m3，澆筑時(shí)大氣溫度為5～8℃；澆筑完成后及時(shí)采用彩條布夾棉被對混凝土進(jìn)行了覆蓋保溫。

2020年1月12日上午，在現(xiàn)場巡視過程中發(fā)現(xiàn)河床段壩基墊層上游左側(cè)表面發(fā)現(xiàn)有3條裂縫，縫寬約0.2mm，午后又發(fā)現(xiàn)一條新裂縫，縫寬0.1～0.3mm，裂縫均未貫通，檢查其他部位未發(fā)現(xiàn)裂縫。澆筑完7天后，墊層混凝土的強(qiáng)度已超過50%設(shè)計(jì)強(qiáng)度，開始對壩基段基礎(chǔ)進(jìn)行Ⅰ序孔的固結(jié)灌漿，1月22號Ⅰ序孔的固結(jié)灌漿完成。受春節(jié)放假和疫情影響，節(jié)后未能按時(shí)復(fù)工，現(xiàn)場停工時(shí)間較長。2020年2月20日復(fù)工后全面檢查，共發(fā)現(xiàn)10條裂縫，即經(jīng)鉆孔壓水檢查有2條貫穿性裂縫，8條非貫穿性裂縫，如圖1所示。

圖1 壩基墊層混凝土裂縫分布圖

為選擇合適修補(bǔ)措施以確保混凝土補(bǔ)強(qiáng)質(zhì)量，將結(jié)合裂縫類型分類指標(biāo)，從裂縫縫寬、深度、縫長、性狀表現(xiàn)等方面，對裂縫類型進(jìn)行全面檢查和評估[6]。墊層混凝土裂縫類型分類指標(biāo)見表1。

墊層混凝土表面裂縫寬度采用鋼尺和塞尺進(jìn)行測量，對裂縫深度采用鑿槽和鉆孔取芯檢測，即每條裂縫寬度測量檢查點(diǎn)不少于8個，大于1mm的裂縫開度，采用鋼鋼尺；小于1mm的裂縫開度，采用塞尺。裂縫長度采用鋼卷尺測量。

根據(jù)保豐水庫墊層混凝土的裂縫現(xiàn)狀，初步判定①號和②號裂縫為基礎(chǔ)貫穿性裂縫(Ⅳ類裂縫)，其他裂縫為表面淺層裂縫(Ⅱ類裂縫)或表面深層裂縫(Ⅲ類裂縫)。為準(zhǔn)確測量壩基墊層混凝土裂縫深度，Ⅳ類裂縫(①號和②號裂縫)采用鉆芯取樣測量縫深；Ⅲ類裂縫和Ⅱ類裂縫采用沿縫鑿槽，鑿槽深度視為裂縫深度。壩基墊層混凝土裂縫性狀檢測成果，見表2。

根據(jù)表2的檢測成果，結(jié)合表1指標(biāo)進(jìn)行研究討論，判定①、②號裂縫為基礎(chǔ)貫穿性裂縫(Ⅳ類裂縫)；③、④、⑥、⑧、⑨號裂縫為表面深層裂縫(Ⅲ類裂縫)；⑤、⑦、⑩號縫為表面淺層裂縫(Ⅱ類裂縫)。

表1 墊層混凝土裂縫類型分類指標(biāo)

表2 壩基墊層混凝土裂縫性狀檢測成果

3 裂縫成因分析

根據(jù)保豐水庫壩基混凝土墊層裂縫性狀及檢測成果，結(jié)合工程特性及澆筑全程資料，并參照同地區(qū)類似工程實(shí)踐，分析裂縫產(chǎn)生的主要成因有以下兩點(diǎn)。

(1)溫度影響

壩基墊層混凝土設(shè)計(jì)厚度為1.5m，長寬比為1∶2，為薄層大體積結(jié)構(gòu)?；炷翝仓r(shí)大氣溫度為5～8℃，由于墊層混凝土屬于大體積、薄層混凝土，內(nèi)部溫升快、不易散發(fā)而表面散熱快，內(nèi)外較大溫差形成抗拉應(yīng)力，當(dāng)超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，即會產(chǎn)生裂縫[7]。根據(jù)大壩內(nèi)部觀測資料反映，基巖面變形計(jì)和滲壓計(jì)的檢測溫度值平均為33.25℃，由此可以推測出其混凝土內(nèi)部中心溫度應(yīng)大于基巖面溫度。而保豐水庫環(huán)境的大氣溫度為5～8℃，內(nèi)外溫差已大于25℃。因此，在溫度應(yīng)力作用下裂縫形成，同時(shí)隨著大氣溫度的下降，裂縫將進(jìn)一步擴(kuò)展。

(2)養(yǎng)護(hù)階段溫控不佳

墊層固結(jié)灌漿施工時(shí)，大壩混凝土養(yǎng)護(hù)的保溫被被取消，混凝土表面暴露，加之灌漿過程中施工用水對混凝土表面形成冷擊，形成溫度應(yīng)力從而導(dǎo)致混凝土裂縫。另外，春節(jié)停工期間，固結(jié)灌漿施工停工，未覆蓋保溫被的壩基墊層混凝土繼續(xù)產(chǎn)生收縮變形。墊層混凝土溫度應(yīng)力形成高應(yīng)力區(qū)，裂縫繼續(xù)會沿長邊方向發(fā)展，形成一條順?biāo)鞣较虻呢灤┬粤芽p，橫向裂縫也增加，并延伸至壩肩。

4 裂縫處理與應(yīng)用效果

4.1 裂縫處理方案

保豐水庫大壩基礎(chǔ)墊層混凝土產(chǎn)生裂縫的主要成因是內(nèi)外溫差過大和基礎(chǔ)墊層混凝土厚度不足。根據(jù)裂縫分布和大小，主要采取分層填縫、灌漿補(bǔ)強(qiáng)、鉆孔灌漿等分類處理措施。

(1)Ⅱ類裂縫分層填縫。沿裂縫方向鑿深為30～50mm、底寬為50mm的梯形槽，梯形凹槽槽長超過縫端15cm，并用清水清洗干凈，先刷水泥凈漿一層，然后用細(xì)石混凝土分層填縫，總厚度控制在50～80mm。

(2)Ⅲ類裂縫灌漿補(bǔ)強(qiáng)：采用充填法和灌漿法相結(jié)合的方法進(jìn)行修補(bǔ)，先按Ⅱ類裂縫處理方式沿裂縫方向鑿槽后用細(xì)石混凝土分層填縫，再灌漿補(bǔ)強(qiáng)。平面方向沿裂縫鑿深為30～50mm、底寬為50mm的梯形槽，梯形凹槽槽長超過縫端15cm，豎向方向的裂縫鑿深為50～80mm、底寬為150mm的燕尾形槽，并用清水清洗干凈，先刷水泥凈漿一層，然后用細(xì)石混凝土分層填縫，總厚控制在50～80mm。

(3)Ⅳ類裂縫鑿槽回填和鉆孔灌漿：對壩基墊層混凝土中①號和②號深層貫穿裂縫，采取表面鑿槽回填高標(biāo)號細(xì)石混凝土和鉆孔灌漿處理，并在裂縫表面布設(shè)Φ25并縫鋼筋，鋼筋單根長1.8m，間距為150mm，分布筋采用Φ25鋼筋，間距為250mm。

4.2 裂縫處理實(shí)施

4.2.1裂縫封閉及封孔材料、灌漿材料

采用C30干硬性預(yù)縮膨脹混凝土嵌槽封閉裂縫，裂縫封閉及封孔、灌漿材料配合比見表3。

表3 裂縫封閉及封孔、灌漿材料配合比 單位：kg/m3

4.2.2施工工藝及方法

(1)混凝土裂縫鑿槽施工

以混凝土裂縫為中心，順裂縫縫隙開內(nèi)八字梯形槽，外寬15～20cm，內(nèi)寬20～25cm，深15～20cm，沖洗裂縫及梯形槽。根據(jù)干硬性預(yù)縮膨脹混凝土配合比計(jì)量拌和，停滯90min后方可進(jìn)行裂縫嵌槽施工，在嵌槽施工前，在梯形槽上均勻涂刷水泥漿，使新老混凝土接合更好。嵌槽時(shí)使用木錘錘擊混凝土，確保新嵌的混凝土密實(shí)。

(2)混凝土裂縫灌漿施工

沿裂縫左右兩側(cè)每2m鉆灌漿斜孔，必須使每個孔穿過裂縫，使穿縫孔距裂縫表面1.2～1.4m，沖洗注漿孔。安裝排氣孔及出漿孔：排氣孔或出漿孔采用4分管，長20cm，一端設(shè)堵頭，便于觀察和封閉出漿孔。安裝時(shí)確保管安裝在裂縫上，用堵漏王固定。

(3)截縫孔施工

根據(jù)干硬性預(yù)縮膨脹混凝土配合比計(jì)量拌和，停滯90min后方可進(jìn)行截縫孔嵌填施工。灌漿施工：待干硬性預(yù)縮膨脹混凝土確定達(dá)到15MPa后進(jìn)行裂縫灌漿施工，按漿液配合比準(zhǔn)確計(jì)量，確保漿液的性能及質(zhì)量，待出漿孔排除氣泡和漿液后，封閉出漿孔，確保灌漿壓力達(dá)到0.4～0.5MPa。

(4)并縫鋼筋安裝

在采用充填法和灌漿法相結(jié)合的方法進(jìn)行修補(bǔ)和補(bǔ)強(qiáng)的基礎(chǔ)上，為了防止裂縫向上層混凝土發(fā)展，在澆筑上層混凝土前沿裂縫鋪設(shè)并縫鋼筋網(wǎng)。鋼筋的規(guī)格和數(shù)量嚴(yán)格按設(shè)計(jì)通知單執(zhí)行，并縫筋Φ25@150×180，分布筋Φ25@250。

(5)貫穿裂縫的防滲處理

為了截?cái)嘭灤┬粤芽p的滲水通道，利用⑤號裂縫檢查孔，距離上游面600mm，跨縫施鉆，孔徑Φ200，鉆孔深度>4m，直接深入基巖。采用C30干硬性預(yù)縮膨脹混凝土填充，并預(yù)留灌漿管，進(jìn)行灌漿封閉。同時(shí)，對①、②號裂縫檢查孔也采取相同的方法，使貫穿性裂縫的上游面形成兩道防滲措施，確保大壩基礎(chǔ)防滲安全。

4.3 應(yīng)用效果分析

壩基混凝土墊層裂縫修復(fù)后，為了評估裂縫修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)效果，采用現(xiàn)場聲波檢測和壓水試驗(yàn)，其中，①現(xiàn)場聲波檢測指標(biāo)為：聲波波速不小于實(shí)測同等級的完整性混凝土波速，標(biāo)準(zhǔn)值為3.834m/s；②壓水試驗(yàn)指標(biāo)為：灌漿壓力控制在0.5MPa，穩(wěn)壓20min。經(jīng)聲波檢測，跨縫混凝土波速達(dá)到完整混凝土的99.1%。對灌漿處理后的裂縫進(jìn)行壓水試驗(yàn)，平均透水率(Lu)為0.16，處理效果較好。經(jīng)裂縫修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)處理后，未出現(xiàn)裂縫向上部繼續(xù)延伸的情況，壩基墊層混凝土裂縫問題得到有效處理。

裂縫進(jìn)行壓水和聲波檢測合格后，為進(jìn)一步監(jiān)測后期裂縫處理質(zhì)量情況，在①、②號裂縫上各布設(shè)1只測縫計(jì)，在②號裂縫上布置1只滲壓計(jì)，即①號裂縫上測縫計(jì)坐標(biāo)為X=3138862.847，Y=362174.446，②號裂縫上測縫計(jì)坐標(biāo)為X=3138910.074，Y=362147.521，均布設(shè)于840.50m高程；②號裂縫上滲壓計(jì)坐標(biāo)為X=3138895.549，Y=362154.255，布設(shè)于839.00m高程。

5 結(jié)語

壩基墊層混凝土受導(dǎo)流時(shí)段的限制和施工工期的影響多選擇在冬季澆筑，由于冬季氣溫低、混凝土內(nèi)部水化熱高，內(nèi)外溫差大、應(yīng)力集中極易產(chǎn)生溫度裂縫。根據(jù)保豐水庫壩基混凝土裂縫現(xiàn)狀，結(jié)合裂縫分類指標(biāo)，采用鑿槽和鉆孔取芯等方法對裂縫進(jìn)行檢測和評估，并采取干硬性預(yù)縮膨脹混凝土嵌槽封閉和鉆孔灌漿等措施進(jìn)行處理。裂縫修復(fù)完成后，根據(jù)聲波檢測和透水率壓水試驗(yàn)結(jié)果，墊層混凝土的結(jié)構(gòu)完整性均滿足設(shè)計(jì)要求，修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)處理效果好。在類似工程建設(shè)中，應(yīng)加強(qiáng)混凝土開裂機(jī)理及防治措施的研究，并做好大體積混凝土澆筑質(zhì)量事前預(yù)防，確保大壩高效優(yōu)質(zhì)施工。