混凝土拱壩裂縫成因分析及質(zhì)量措施研究

張梓寒

（銅仁市碧江區(qū)水務(wù)局,貴州 銅仁 554300）

0 引言

在水利水電工程混凝土大壩中,裂縫的存在不僅影響結(jié)構(gòu)的美觀和耐久性,而且容易引發(fā)結(jié)構(gòu)的滲漏、病害,在不利工況條件下裂縫不斷貫穿引發(fā)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和坍塌,危及大壩安全,也給下游居民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅[1]。混凝土裂縫的產(chǎn)生受到內(nèi)外多種因素共同作用影響,比如混凝土的施工工藝、原材料性質(zhì)、溫度應(yīng)力以及外荷載、配筋不足等,裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展機(jī)理復(fù)雜,在施工過程中降低裂縫的開展是最為重要的研究?jī)?nèi)容之一,研究裂縫產(chǎn)生的原因和機(jī)理、提出科學(xué)合理的裂縫控制措施對(duì)于保證大壩工程質(zhì)量,避免高昂的補(bǔ)裂措施費(fèi)用等都具有十分重要的意義[2]。

1 工程概況

某水電站庫(kù)容量達(dá)5.2×105m3,總裝機(jī)容量約60000 kW,水庫(kù)流域面積約2660 m2,對(duì)于區(qū)域的用電調(diào)峰調(diào)幅都具有十分重要的意義。項(xiàng)目主要包括2 條導(dǎo)流洞、碾壓混凝土單曲拱壩、引水隧洞、壓力鋼管、調(diào)壓豎井、地面廠房及開關(guān)站、廊道（平洞）組成。大壩為碾壓混凝土中厚拱壩,高度為100 m,寬高比0.308,為拱形結(jié)構(gòu),最大底寬30.8 m,壩頂長(zhǎng)273 m,整體碾壓混凝土方量為24.2 萬(wàn)m3,為了充分發(fā)揮碾壓混凝土施工“快速”的優(yōu)勢(shì),控制施工過程中混凝土裂縫發(fā)展,根據(jù)項(xiàng)目大壩施工實(shí)踐,主要從入倉(cāng)手段、誘導(dǎo)縫成縫、層間處理方式等方面進(jìn)行快速化施工研究,旨在保證質(zhì)量的前提下,加快施工進(jìn)度,降低混凝土裂縫產(chǎn)生。

2 混凝土拱壩裂縫成因分析

混凝土材料在硬化的過程是一個(gè)相變過程,其混凝土的彈性模量增加迅速,而抗壓強(qiáng)度則較低,在固結(jié)成型后,混凝土骨料對(duì)漿液具有一定的約束作用,這種約束允許發(fā)生的收縮拉應(yīng)力極小,當(dāng)混凝土受到外荷載、溫度和濕度環(huán)境因素影響時(shí),漿液收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度,使得混凝土內(nèi)部的裂縫不斷擴(kuò)張,形成宏觀的貫通裂縫。產(chǎn)生混凝土拱壩裂縫產(chǎn)生的原因,主要以下幾種：

（1）塑性沉降導(dǎo)致的裂縫?；炷翑嚢柰瓿珊蠊橇显跐{液之中存在下沉的趨勢(shì),當(dāng)下沉過程中遇到鋼筋、模板等阻擋,骨料之間存在不同程度的沉降差,進(jìn)行形成表面塑性沉降裂縫[3-5]。

（2）塑性收縮導(dǎo)致的裂縫?；炷猎谟不倪^程中,水分從混凝土內(nèi)部向表面遷移,不斷蒸發(fā),混凝土表面產(chǎn)生約1%的塑性收縮,進(jìn)而引發(fā)不規(guī)則的收縮裂縫。

（3）水化收縮和自生干縮裂縫。硅酸鹽水泥的水化反應(yīng)過程中,固體顆粒之間的自由水分不斷減少,使得體積產(chǎn)生1%～2%的收縮,同時(shí)在水分不足的情況下,混凝土內(nèi)部產(chǎn)生自干燥現(xiàn)象,這些綜合作用都會(huì)產(chǎn)生裂縫。

（4）硬化后干燥收縮導(dǎo)致的裂縫。在養(yǎng)護(hù)結(jié)束后,混凝土的水分蒸發(fā)仍持續(xù)發(fā)生,在約束條件下,內(nèi)部原有的細(xì)微裂縫也隨著干縮率的增加而擴(kuò)張[6]。

（5）溫度應(yīng)力導(dǎo)致的裂縫。水泥和水混合后產(chǎn)生的水化熱是導(dǎo)致溫度裂縫的最主要因素,特別是對(duì)于大體積混凝土,混凝土內(nèi)外部的溫度場(chǎng)分布不均,內(nèi)部溫度高使得混凝土體積膨脹,而表面的相對(duì)低溫使得混凝土出現(xiàn)相對(duì)收縮,由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過極限抗拉強(qiáng)度,使得混凝土開裂。

（6）養(yǎng)護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致的裂縫?；炷恋酿B(yǎng)護(hù)可以有效改善其內(nèi)外的溫度場(chǎng),減緩水分的蒸發(fā),有效抑制微裂縫的發(fā)生,但如果養(yǎng)護(hù)不及時(shí)或者養(yǎng)護(hù)不足則會(huì)使得混凝土產(chǎn)生塑性變形和干縮。

3 混凝土裂縫控制措施

結(jié)合該水電站混凝土拱壩基本情況,在層間結(jié)合部位采用水泥漿處理方式、采用倉(cāng)外自卸汽車+滿管溜槽垂直運(yùn)輸+倉(cāng)內(nèi)自卸車運(yùn)輸?shù)目焖偃雮}(cāng)手段、采用預(yù)制塊預(yù)埋進(jìn)行誘導(dǎo)縫成縫、冷卻水管鋪設(shè)、RCC 攤鋪和碾壓等方面進(jìn)行裂縫控制。

（1）層間結(jié)合部位采用水泥漿處理方式

凈漿配合比經(jīng)過試驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)確定,其配合比為袋裝低熱水泥（45%火山灰摻量）42.5 kg、水27.6 L、Megaflow 減水劑297.5 g；水灰比為0.65∶1,漿液比重為1.65 g/cm3,流動(dòng)度馬氏漏斗檢測(cè)時(shí)間為40 s±5 s。碾壓混凝土加漿范圍為上游防滲區(qū)域?yàn)? m,巖體接觸周邊為0.5 m,下游預(yù)制塊周邊為0.5 m,加漿量為該區(qū)域混凝土量的7%,其它冷縫處理區(qū)鋪0.5 cm 厚水泥漿,鋪設(shè)碾壓混凝土前30 min 將水泥凈漿灑滿將要鋪設(shè)區(qū)域,不可提前,防止水分蒸發(fā),改變漿液性能。鋪灑漿液時(shí),需要鋪灑均勻,避免漏灑,因此有必要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員進(jìn)行專門培訓(xùn),使其熟悉流程工藝,同時(shí)要安排質(zhì)檢人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督,確保層間處理過程滿足要求。

（2）采用倉(cāng)外自卸汽車+滿管溜槽垂直運(yùn)輸+倉(cāng)內(nèi)自卸車運(yùn)輸?shù)目焖偃雮}(cāng)

管溜槽直徑為0.8 m 高強(qiáng)錳鋼管,厚度為0.5 cm,考慮到滿管溜槽坡度太小會(huì)導(dǎo)致卸料困難而坡度太大混凝土對(duì)倉(cāng)號(hào)內(nèi)自卸車的沖擊力過大,采用滿管溜槽最佳坡比為51°,不能低于45°,此情況下滿管溜槽設(shè)計(jì)強(qiáng)度達(dá)140 m3/h。

根據(jù)計(jì)算,高峰期碾壓混凝土單層最大方量為1000 m3,按照規(guī)定的單層攤鋪時(shí)間不超過12 小時(shí)考慮,則滿管溜槽12 小時(shí)卸料量為140 m3/h×12 h=1680 m3＞1000 m3,滿足施工要求。拌合站為2 臺(tái)120 m3/h 的強(qiáng)制式攪拌機(jī),每小時(shí)混凝土生產(chǎn)量為2×120 m3/h×0.6=144 m3/h,12 小時(shí)生產(chǎn)總量為144 m3/h×12 h=1728 m3＞1000 m3,拌合站生產(chǎn)能力滿足要求。自卸汽車額定載重為25 t,每趟運(yùn)輸混凝土7.5 m3,每趟來回1 h,安排14 輛自卸車,則12 h 可運(yùn)輸7.5 m3×14×12 h=1260 m3＞1000 m3,所以14 輛自卸車滿足碾壓混凝土運(yùn)輸要求。

施工期間要隨時(shí)監(jiān)測(cè)碾壓混凝土VC 值,保證滿管溜槽順利卸料。倉(cāng)外自卸汽車要搭設(shè)防曬棚,減少運(yùn)輸途中的VC值損失和溫度回升。倉(cāng)號(hào)內(nèi)自卸車嚴(yán)格按照規(guī)定路線運(yùn)輸,避免破壞碾壓成型的碾壓混凝土。由于倉(cāng)面原因不能接料時(shí),應(yīng)及時(shí)將溜管中的混凝土放空,碾壓混凝土在溜管中的存放時(shí)間應(yīng)控制在1 h 以內(nèi)。收倉(cāng)后及時(shí)用水對(duì)溜管進(jìn)行清洗,以防下次澆筑時(shí)堵料。每次開倉(cāng)前,應(yīng)對(duì)滿管溜槽進(jìn)行維護(hù)檢查,變形的螺栓以及磨損部件要及時(shí)更換,料斗及槽身磨損超過5 mm 時(shí),應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)、調(diào)換。汽車卸料和倉(cāng)內(nèi)接料應(yīng)設(shè)置專人進(jìn)行指揮,盡量保證出料量與進(jìn)料量平衡,從而保證混凝土不出現(xiàn)骨料分離現(xiàn)象。

（3）采用預(yù)制塊預(yù)埋進(jìn)行誘導(dǎo)縫成縫

如圖1 所示,誘導(dǎo)預(yù)制塊的主要參數(shù)：長(zhǎng)1 m,寬0.3 m,高0.25 m,高度較傳統(tǒng)0.3 m 調(diào)整為0.25 m,低于單層碾壓鋪料厚度33 cm～34 cm,可保證誘導(dǎo)縫按照設(shè)計(jì)位置開裂,同時(shí)保證碾壓混凝土通倉(cāng)澆筑且預(yù)制塊不被振動(dòng)碾破壞。在碾壓混凝土澆筑過程中,待每倉(cāng)奇數(shù)層碾壓完畢后下層鋪料前,在偶數(shù)層中壩縫位置拉線擺設(shè)成對(duì)的誘導(dǎo)縫預(yù)制塊,同時(shí)中間穿插接縫灌漿管,待該層碾壓混凝土鋪設(shè)覆蓋完后,可直接進(jìn)行碾壓作業(yè)。

圖1 誘導(dǎo)縫預(yù)制塊

（4）冷卻水管鋪設(shè)

如圖2 所示,冷卻水管采用HDPE 管,為確保冷卻水管在受到混凝土澆筑過程中產(chǎn)生的沖擊力和混凝土流動(dòng)力作用后不會(huì)出現(xiàn)位移,在混凝土倉(cāng)面鋪設(shè)完成冷卻水管后,采取預(yù)先制作的“U”型鋼筋將其進(jìn)行固定,固定間距控制在1.5 m左右,“U”型鋼筋的材質(zhì)為A3 圓形鋼筋,直徑為10 mm,單根長(zhǎng)度為23 cm,彎頭內(nèi)半徑為2 cm。在冷卻水管彎管段,需要采用不少于3 個(gè)“U”型鋼筋進(jìn)行固定。為了保證HDPE管的密閉性,以發(fā)揮其降溫防裂的功效,在混凝土澆筑前或者在澆筑第1 層混凝土?xí)r,應(yīng)進(jìn)行閉水試驗(yàn),以防止其漏水和堵塞,否則應(yīng)采取措施保證水管的暢通。

圖2 冷卻水管鋪設(shè)

（5）RCC 攤鋪、碾壓

倉(cāng)面澆筑時(shí)配置專人指揮卸車,指揮人員根據(jù)倉(cāng)面分區(qū)要求,將運(yùn)輸入倉(cāng)的混凝土分區(qū)卸料。自卸汽車卸料后及時(shí)采用推土機(jī)或反鏟配合人工平倉(cāng),對(duì)于卸料后骨料分離情況,在平倉(cāng)期間人工均勻撒布于倉(cāng)面。嚴(yán)格控制上游變態(tài)混凝土防滲層和碾壓混凝土的分界線,保證防滲層厚度。

攤鋪完成后,在垂直水流方向采用14 t 振動(dòng)碾對(duì)混凝土進(jìn)行碾壓施工,碾壓邊數(shù)按照試驗(yàn)段確定的碾壓參數(shù)進(jìn)行,對(duì)剛鋪平的碾壓混凝土先無振碾壓2 遍后使其初步平整,然后有振碾壓6 遍,碾壓搭接寬度≥20 cm,端頭部位的搭接寬度≥100 cm。振動(dòng)碾行走速度控制在1 km/h～1.5 km/h 左右,碾壓完成后對(duì)壓實(shí)度進(jìn)行測(cè)定,滿足要求后方可進(jìn)行下一工序。

4 結(jié)論

以某碾壓式混凝土拱壩施工為研究對(duì)象,在分析混凝土裂縫產(chǎn)生的原因基礎(chǔ)上,開展大壩的裂縫控制措施。結(jié)果表明在層間結(jié)合部位采用水泥凈漿處理方式、采用倉(cāng)外自卸汽車+滿管溜槽垂直運(yùn)輸+倉(cāng)內(nèi)自卸車運(yùn)輸?shù)目焖偃雮}(cāng)、采用預(yù)制塊預(yù)埋進(jìn)行誘導(dǎo)縫成縫、冷卻水管鋪設(shè)、RCC 攤鋪和碾壓等措施對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行控制,可有效減少混凝土裂縫的產(chǎn)生。