堆石混凝土大壩淺層裂縫成因分析

楊 松，王 峰，閉忠明，向 智，劉利強(qiáng)

（1.南充市水利基本建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站,四川 南充 637000；2.中國(guó)水利水電第十二工程局有限公司,浙江杭州 311321；3.北京華石納固科技有限公司,北京 100085）

1 工程概況

某水庫(kù)位于貴州省鳳岡縣,大壩為堆石混凝土重力壩,設(shè)計(jì)方量約19 萬(wàn)m3,設(shè)計(jì)壩高53 m,為中型水庫(kù)。在2021年9月3日,已澆筑堆石混凝土壩體陸續(xù)出現(xiàn)裂縫,位置信息見(jiàn)圖1。

裂縫①～④出現(xiàn)在壩段中游區(qū)域且均為貫穿,其中裂縫①延伸到縫0+135,從頂層往下1.9 m；裂縫④延伸到縫0+105,從頂層往下1.3 m。裂縫⑤為橫向裂縫,延伸到廊道側(cè)墻部位后中斷；第⑥條裂縫貫穿至上游防滲面板,鑿開(kāi)發(fā)現(xiàn)深度在18 cm～20 cm范圍。裂縫⑥、⑦所在倉(cāng)面前期被堆石料、泥土渣覆蓋,待倉(cāng)面清理后才發(fā)現(xiàn)裂縫,所以尚不清楚裂縫⑥、⑦具體出現(xiàn)時(shí)間。

裂縫的平面分布及統(tǒng)計(jì)信息見(jiàn)圖1、表1。

圖1 裂縫平面分布示意圖

表1 裂縫信息統(tǒng)計(jì)表

2 裂縫成因分析

2.1 混凝土原材料分析

混凝土原材料信息見(jiàn)表2。

表2 原材料信息統(tǒng)計(jì)表

由表2可知,除了石粉性能有波動(dòng)外,其余原材料性能基本滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 混凝土配合比及生產(chǎn)澆筑過(guò)程分析

本工程項(xiàng)目主要采用雙摻2 配合比（水泥單方用量170 kg）進(jìn)行混凝土生產(chǎn),見(jiàn)表3。

表3 本工程項(xiàng)目高自密實(shí)性能混凝土配合比 單位：kg/m3

車拗口水庫(kù)距離本工程項(xiàng)目所在地60 km,同樣采用相同廠家的石粉、水泥、粉煤灰,配合比情況見(jiàn)表4。車拗口水庫(kù)自2020年12月開(kāi)始首倉(cāng)堆石混凝土澆筑,累計(jì)已完成澆筑堆石混凝土2 萬(wàn)m3,目前壩體沒(méi)有出現(xiàn)溫度裂縫跡象。

表4 車拗口水庫(kù)HSCC 雙摻配合比 單位：kg/m3

以該水庫(kù)澆筑倉(cāng)（樁號(hào)：0+135～0+161）為例,其上下游方向長(zhǎng)32 m,層高2 m,倉(cāng)澆筑量為1660 方,在2021年7月23日早上7 點(diǎn)開(kāi)始澆筑,每小時(shí)生產(chǎn)自密實(shí)混凝土50 m3～60 m3,累計(jì)生產(chǎn)780 m3,于當(dāng)日晚上22 點(diǎn)完成澆筑。

澆筑當(dāng)日氣溫20℃～32℃,天氣晴,澆筑完成后倉(cāng)面及時(shí)安排沖毛。澆筑當(dāng)日的混凝土生產(chǎn)配合比見(jiàn)表5,混凝土澆筑狀態(tài)良好,其中性能檢測(cè)照片見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 混凝土擴(kuò)展度檢測(cè)（700mm）

圖3 混凝土V 漏斗檢測(cè)（11s）

表5 澆筑倉(cāng)樁號(hào)0+135～0+161m 生產(chǎn)配合比 單位：kg/m3

澆筑時(shí)未出現(xiàn)用水量、外加劑用量激增現(xiàn)象,其中外加劑用量一度降至4.5 kg,經(jīng)驗(yàn)判斷砂石骨料含泥量控制比較理想,因此砂、石粉的含泥對(duì)壩體裂縫的影響范圍有限,基本可以排除。

2.3 HSCC 抗壓強(qiáng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)分析（見(jiàn)表6）

表6 本工程HSCC 立方體試塊90 天抗壓強(qiáng)度評(píng)定統(tǒng)計(jì)（試驗(yàn)日期截至2021.7.13）

由表6可知,采用統(tǒng)計(jì)法（樣本數(shù)量≥30）,離差系數(shù)＜0.18；最小強(qiáng)度≥90%設(shè)計(jì)強(qiáng)度；強(qiáng)度保證率＞80%,強(qiáng)度可評(píng)定為優(yōu)良；檢測(cè)平均值16.8 MPa,強(qiáng)度分布總體合理。

2.4 施工組織工序分析

通過(guò)對(duì)各倉(cāng)澆筑間隔時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行劃分,見(jiàn)圖4。

圖4 裂縫倉(cāng)上下層澆筑間隔時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)示意圖

由圖4可知,出現(xiàn)裂縫的壩段,上下兩層混凝土澆筑均出現(xiàn)了45～90 天不等的時(shí)間間隔,形成了薄層長(zhǎng)間歇澆筑的不利工況。

2.5 關(guān)鍵施工質(zhì)量控制點(diǎn)分析

關(guān)鍵施工質(zhì)量控制點(diǎn)分析見(jiàn)表7。

表7 施工質(zhì)量控制因素分析表

關(guān)于堆石料與裂縫延伸走向的關(guān)系,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

表8 裂縫遇石延伸走向信息統(tǒng)計(jì)

由表8可知,裂縫遇石繞開(kāi)（中斷）比例約占88%,石頭裂開(kāi)約占12%；大多數(shù)裂縫為淺層裂縫且繞開(kāi)堆石延伸,這表明了堆石混凝土相較于常態(tài)混凝土所具備的卓越抗裂能力。

2.6 極端天氣分析

在2021年5月13日及同年8月13日,本工程項(xiàng)目經(jīng)歷兩次洪水沖擊。

澆筑倉(cāng)0+135.0～ 0+161.0、EL825～827m 在2021.4.22 澆筑完成,然后5月13日經(jīng)歷第一次洪水冷激,后續(xù)發(fā)現(xiàn)表層裂縫（圖1的藍(lán)線）；導(dǎo)流明渠一側(cè)壩段出現(xiàn)裂縫②、③。

同樣8月13日經(jīng)歷第二次洪水冷擊后,過(guò)流壩的左右兩側(cè)壩段均出現(xiàn)了貫通裂縫①、④,及橫向裂縫⑤。

裂縫⑥、⑦所在倉(cāng)面前期被堆石料、泥土渣覆蓋,待倉(cāng)面清理后才發(fā)現(xiàn)裂縫,所以尚不清楚裂縫⑥、⑦具體出現(xiàn)時(shí)間,見(jiàn)圖5。

圖5 洪水過(guò)壩及裂縫分布示意圖

3 裂縫原因分析及處理建議

本次裂縫發(fā)生的原因較大可能性為溫度裂縫：

（1）因?yàn)榇髩紊舷聝蓪佣咽炷恋臐仓g隔時(shí)間較長(zhǎng)（45 天～90 天）,上一倉(cāng)已澆筑混凝土水化放熱接近結(jié)束,形成大壩強(qiáng)約束區(qū),下一倉(cāng)后澆筑混凝土正常開(kāi)始水化放熱時(shí)正碰上洪水沖擊約10 小時(shí),洪水冷激效應(yīng)導(dǎo)致新老混凝土存在明顯溫度差,形成溫度應(yīng)力,作為變形協(xié)調(diào)從而導(dǎo)致壩體出現(xiàn)溫度裂縫。因此判斷裂縫形成的主要原因?yàn)榛炷帘娱L(zhǎng)間歇和洪水冷激。

（2）堆石率不足55%、堆石外露不足、養(yǎng)護(hù)不到位是導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫的次要原因。

（3）通過(guò)對(duì)混凝土原材料、生產(chǎn)配合比、抗壓強(qiáng)度檢測(cè)等分析,尤其是車拗口水庫(kù)配合比進(jìn)行對(duì)比,此三項(xiàng)應(yīng)該不是導(dǎo)致溫度裂縫的主要原因。

（4）通過(guò)對(duì)裂縫鑿槽觀察,大多數(shù)裂縫為淺層裂縫,深度20 cm～30 cm 之間,且繞開(kāi)堆石延伸,這表明了堆石混凝土相較于常態(tài)混凝土所具備的卓越抗裂能力。

溫度裂縫一般的處理方式為：

1）表層裂縫采取表面鑿梯形槽處理,槽底寬10 cm,槽壁坡度不陡于1∶0.5,深度根據(jù)裂縫實(shí)際深度確定（至裂縫尖滅）.

2）貫穿裂縫需要封閉灌漿和布置騎縫鋼筋處理：需布置騎縫鋼筋一層,鋼筋長(zhǎng) 1 m,垂直于裂縫布置；用高強(qiáng)混凝土封閉裂縫后應(yīng)留置排氣孔,之后進(jìn)行灌漿處理。

3）類似于裂縫⑥這樣的貫穿上下游的橫向劈頭縫,處理方式為：上游面鑿開(kāi)形成燕尾槽,采用環(huán)氧砂漿封閉再進(jìn)行灌漿處理；另外需要在上游面貼高分子 SR 板,此類裂縫需進(jìn)行化學(xué)灌漿。

4 結(jié)論

薄層長(zhǎng)間歇裂縫在溪洛渡水電站和白鶴灘水電站都曾出現(xiàn),都是采用封閉灌漿和布置騎縫筋處理,處理之后未再發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。薄層長(zhǎng)間歇混凝土開(kāi)裂對(duì)于混凝土壩基本都存在,之前福建溪源水庫(kù)澆筑常態(tài)混凝土墊層就出現(xiàn)裂縫 20 多條,后經(jīng)處理澆筑堆石混凝土僅出現(xiàn)3 條裂縫,已經(jīng)說(shuō)明堆石混凝土相對(duì)于常態(tài)混凝土的抗裂能力更強(qiáng)。

本工程項(xiàng)目出現(xiàn)的裂縫為偶然因素出現(xiàn),后期減少薄層長(zhǎng)間歇等問(wèn)題可避免該類裂縫產(chǎn)生,處理方案按照一般裂縫的處理方式即可,處理完成后可正常施工。