拱壩溫度裂縫分析與處理技術(shù)

馬永暢 羅繼明

拱壩大體積混凝土受低溫影響出現(xiàn)深層裂縫，影響壩體防滲，采用化學灌漿進行深層裂縫處理具有快速、便捷、安全等優(yōu)點。本文綜合分析拱壩裂縫產(chǎn)生的原因，通過采用環(huán)氧樹脂材料進行灌漿，有效地完成了裂縫防滲補強，在不耽誤進度的情況下有效保證了工程質(zhì)量。

低溫季節(jié)，拱壩大體積混凝土在澆筑完成初期溫升較大，遭遇大幅降溫極易出現(xiàn)溫度裂縫，針對單層壩塊貫通性裂縫采用化學灌漿方法可有效處理裂縫帶來的防滲問題，通過對開裂原因進行深入分析，對裂縫處理技術(shù)進行研究，保證工程質(zhì)量和進度，希望通過該文能為相關(guān)工程建設提供參考信息。

一、概述

某水庫單曲重力拱壩設計壩高55m，壩底最大厚度23m，壩頂厚4m。拱壩拱分10個壩段，4#～6#壩段為溢流壩段，最大壩段弧長24m。壩體內(nèi)部采用90d齡期二級配C20埋石混凝土澆筑，上下游面2m范圍內(nèi)為28d齡期二級配C20面板混凝土。

該拱壩于2018年11月初開始壩體施工，次年1月25日，5#壩段283.5～285.25m高程壩塊澆筑完成，相鄰左岸4#壩段施工至282m高程，6#壩段施工至283.5m高程，壩體施工立面見圖1。2月14日春節(jié)過后，在5#壩段285.25m高程施工縫上發(fā)現(xiàn)裂縫1（AB曲線）、裂縫2（CD曲線），裂縫分布及走向見圖2。

圖1 壩體施工立面圖（單位：cm）

圖2 倉面裂縫分布及走向（單位：cm）

二、裂縫分布、產(chǎn)生原因分析

1. 裂縫分布分析

裂縫1在5#壩塊285.25m高程橫向分布，表面基本連通且在A、B處沿兩側(cè)橫縫向下延伸1.75m至本澆筑層底部，未向下一澆筑層開裂，采用塞尺測量，裂縫寬度0～0.6mm；裂縫2呈順水流向分布，表面間斷不連續(xù)，在D點沿上游壩面向下延伸約1.1m，未至本澆筑層底部。初步分析裂縫1為單層壩塊開裂且開裂較深、端部成通縫，裂縫2開裂較淺。

為驗證分析準確性，采用地質(zhì)鉆機在裂縫1的AC段中部、BC段中部向下進行鉆試驗孔取芯，鉆孔直徑75mm，深1.5m，經(jīng)觀察AC段中部芯樣裂縫深70cm，CB段中部芯樣裂縫深90cm，且裂縫底部均偏出取芯范圍。對裂縫2的CD段中部鉆孔取芯1處，芯樣完整，未見裂縫。

對裂縫鉆芯取樣后判斷裂縫1為深度不小于1m的深層裂縫，兩側(cè)面豎向貫穿1.75m高澆筑塊；裂縫2為深度小于4cm的表層裂縫，上游壩面豎向開裂較深。

2. 裂縫產(chǎn)生原因分析

1月25日10：20，該壩塊混凝土澆筑施工完成，澆筑高度1.75m，C20埋石混凝土澆筑總量867m3?；炷敛捎锰C輸料入倉，臺階式自上游向下游澆筑。表面覆蓋一層棉被、一層塑料布進行覆蓋養(yǎng)護。過節(jié)期間未進行該壩塊模板拆除。

（1）混凝土拌和用料

混凝土采用P.O 42.5水泥，Ⅱ級粉煤灰，花崗巖機制砂、碎石，外摻減水劑等材料拌和，設計配合比見表1，塌落度80～100mm，其中水膠比0.43，砂率35%。

表1 混凝土設計配合比

水泥屬于中熱水泥，根據(jù)混凝土配合比及水泥水化熱情況計算，混凝土3天絕熱溫升為33.3℃。

（2）混凝土溫度監(jiān)測

當?shù)? 2月至2月為低溫季節(jié)，平均月低溫為1～2℃，平均月高溫10～12℃。混凝土澆筑期間，白天氣溫4～12.3℃，混凝土平均澆筑溫度10.8℃；夜間氣溫0.8～4℃，混凝土平均澆筑溫度5.6℃。

壩內(nèi)溫度采用TM-902C測溫計人工監(jiān)測，空氣溫度采用RC-4自動測溫?；炷翝仓瓿珊?天內(nèi)連續(xù)測溫數(shù)據(jù)見表2，低溫期測溫記錄見表3。

表2 混凝土7天測溫記錄表

表3 混凝土低溫期測溫記錄表

根據(jù)RC-4自動測溫計對溫度連續(xù)記錄，1月26日夜間至27日凌晨氣溫驟降至0℃以下，夜間氣溫監(jiān)測記錄見表4。

表4 氣溫監(jiān)測記錄表

（3）裂縫產(chǎn)生原因分析

①根據(jù)表2分析，混凝土澆筑完成后第3天，即1月27日達到最高溫度39.6℃，在此期間混凝土水化熱反應劇烈，內(nèi)部迅速升溫；1月26日夜間至27日凌晨，空氣溫度降至最低-4.3℃，混凝土表面溫度在23～25℃之間，兩者溫差長時間超過20℃規(guī)范要求，壩塊內(nèi)熱外冷，內(nèi)部膨脹高于表面，表面結(jié)構(gòu)受到拉應力超過混凝土早期抗拉強度，因而出現(xiàn)溫度應力裂縫。

②1月28日至2月14日，春節(jié)期間暫停施工。1月31日至2月1日，當?shù)亟笛┮归g最低溫度-0.7℃，2月7日晚至2月13日，連續(xù)6日為雨夾雪天氣，氣溫在0.5～4.5℃之間波動，混凝土內(nèi)部最高溫度由29.2℃降至27℃，受低溫雨雪天氣及混凝土內(nèi)外溫差影響，溫度應力裂縫進一步擴大。

③該壩塊施工完成后周圍壩體混凝土未施工，且相鄰壩段施工高程均低于283.5m高程，5#壩段開裂壩塊只受底部壩體約束，后期混凝土溫度逐漸下降，結(jié)構(gòu)收縮產(chǎn)生的應力大于約束力時導致裂縫。

從裂縫分布情況觀察，兩條裂縫均通至壩塊中心部位。大體積混凝土中部，是溫度應力與收縮應力最集中地方，兩種應力疊加，造成混凝土開裂。即混凝土溫度應力和結(jié)構(gòu)收縮應力，是該壩塊產(chǎn)生裂縫的主要原因。

三、裂縫處理技術(shù)

1. 處理方法

根據(jù)裂縫1、2寬度、深度、長度及走向數(shù)據(jù)，對裂縫1采用鉆孔化學灌漿處理，對裂縫2進行刻槽封堵，裂縫1及裂縫2端部豎向裂縫采用化學灌漿處理。施工期為3月初，平均氣溫12℃，裂縫張開度相對較大，適宜灌漿。

裂縫處理完成后沿裂縫走向水平布置3層4m寬加強鋼筋網(wǎng)片，防止裂縫發(fā)展影響上部結(jié)構(gòu)。

2. 灌漿材料及設備

（1）灌漿材料

拱壩裂縫化學灌漿需滿足防滲及補強加固作用，選擇雙組分改性環(huán)氧灌漿材料，產(chǎn)品固結(jié)體環(huán)保無毒，漿液參考質(zhì)量配比為：A組分（改性樹脂）8～10份，B組分（固化劑）1份，可操作時間6～12h。

（2）灌漿設備

裂縫1采用無極變速灌漿機，通過齒輪油泵加壓后進行灌漿，控制灌漿壓力0.3～0.4MPa，最大輸出流量4.5L/min，壓力及流量可自動調(diào)節(jié)。裂縫2上游豎向淺表裂縫選擇小型高壓化學灌漿機，設備最高工作壓力700kg/cm2，最大輸出流量0.7L/min。

因環(huán)氧樹脂灌漿材料不溶于水，設備使用完畢后，采用稀釋劑進行設備、管路清洗。

3. 灌漿方法

隨著水工混凝土裂縫處理技術(shù)的不斷發(fā)展，淺層裂縫化學灌漿工藝比較成熟，不再贅述，僅對裂縫1深層及貫通裂縫處理方法進行介紹。

（1）刻槽、鉆孔

①壓水試驗

裂縫1采用鉆孔灌漿法進行防滲加固，隊伍進場后再次按裂縫長度3～5m分段在裂縫一側(cè)鉆斜孔進行壓水試驗，判斷裂縫深度，確定鉆孔最優(yōu)布置角度、位置及排數(shù)，利于漿液擴散。

②刻槽、封縫

沿裂縫走向進行刻槽并沖洗干凈，刻槽面呈“V”形，表面寬8cm，深不小于5cm。槽面稍干后，拌和堵漏網(wǎng)進行封縫，采用抹子刮平、壓實。同時沿縫間隔50cm安裝一根20cm長Φ10?6.5mmPU排氣管，進入刻槽部分采用22#扎絲綁扎數(shù)匝增加與填充劑的結(jié)合性。

③鉆孔

壓水試驗后擬定在285.25m高程裂縫1表面兩側(cè)各鉆1排斜孔，鉆孔起點距結(jié)構(gòu)側(cè)邊不小于50cm，單排間隔1.5m布置1孔，兩排孔交叉布置，鉆孔平面布置見圖3。

圖3 鉆孔平面布置圖（單位：cm）

灌漿孔采用手風鉆鉆孔，孔徑Φ32。裂縫一側(cè)鉆孔位置距離裂縫50cm，鉆孔角度45°，長1m；另一側(cè)鉆孔位置距離裂縫75cm，鉆孔角度59°，長1.75m，為保證鉆孔穿過裂縫，預設鉆孔末端穿過裂縫不小于30cm。鉆孔布置斷面見圖4。

圖4 鉆孔斷面布置圖（單位：mm）

④洗孔

鉆孔完成后，采用灌漿機連通灌漿管進行鉆孔沖洗，控制水壓不大于0.1MPa，直至孔口回水清凈，防止堵塞裂縫，影響灌漿質(zhì)量。

（2）灌漿管安裝

①灌漿管安裝

灌漿管采用DN15鋼管，外露端安裝球閥。在灌漿管上部45cm長度范圍內(nèi)安裝1根Φ10?6.5mmPU排氣管，常溫耐壓強度不小于1MPa，混凝土內(nèi)部排氣管綁扎固定在灌漿管上，外露端不小于15cm。灌漿管安裝前在混凝土面以下25cm位置包裹土工布并固定，保證灌漿管順利進入鉆孔內(nèi)，又可有效屏蔽封孔漿液。

灌漿管安裝后采用堵漏王稀漿對混凝土面以下20cm長鉆孔進行封堵密實。灌漿管道安裝見圖5。

圖5 灌漿管道安裝圖（單位：mm）

②壓風試驗

灌漿管道安裝完成后，采用空壓機進行壓風，控制通風壓力不大于0.1MPa，通過壓風將積水、浮塵從排氣管內(nèi)吹出，并檢查灌漿管路安裝的暢通性、密閉性及牢固性。

（3）灌漿

①配漿

灌漿前調(diào)試灌漿機性能穩(wěn)定后現(xiàn)場配置灌漿材料，根據(jù)操作時間、結(jié)合使用說明按8︰1～10︰1比例準備環(huán)氧樹脂A、B組分，慢速攪拌均勻。

②灌漿

平面裂縫選擇吃漿量較大灌漿孔進行灌漿，控制灌漿壓力0.3～0.4MPa，沿左右側(cè)灌漿孔交替向兩端進行作業(yè)，操作人員配帶護目鏡、防護口罩等保護用品。

逐級提升灌漿壓力，防止結(jié)構(gòu)變形。灌漿孔周圍排氣管、灌漿管均全部打開，待排氣管口返出化學漿液后及時綁扎牢固。當灌漿機達到最大壓力、灌漿孔不再吃漿后停止該孔灌漿并關(guān)閉灌漿管球閥。

（4）質(zhì)量檢測

為保證工程進度，灌漿完成后對裂縫走向進行測量后，采用地質(zhì)鉆機在裂縫1上均勻鉆2個1.5m深壓水試驗孔，在孔口表面安裝DN80鍍鋅管豎直上引，管口底部與混凝土面接觸處采用堵漏靈密封，60天后通過鍍鋅管進行壓水試驗，透水率滿足q≤0.2Lu要求。請專業(yè)試驗結(jié)構(gòu)進行聲波檢測合格。

四、結(jié)語

拱壩大體積混凝土施工應根據(jù)地理、氣候及溫度變化情況采取積極溫控措施，最大限度避免出現(xiàn)溫度裂縫、應力裂縫，合理控制施工成本。本文通過對裂縫成因、處理方法、灌漿工藝三項主要內(nèi)容進行闡述，介紹了壩體裂縫化學灌漿處理的各項措施，達到防滲補強目的，創(chuàng)造了良好的示范效果。