張 殳，王成山

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽110006）

玉石水庫混凝土壩上游面豎向裂縫原因與處理

張 殳，王成山

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽110006）

本文分析了玉石水庫混凝土重力壩上游面豎向裂縫產(chǎn)生的原因，介紹了裂縫處理措施，提出北方寒冷地區(qū)混凝土重力壩表面豎向裂縫的預(yù)防措施。對(duì)于類似工程有一定的借鑒意義。

混凝土重力壩；大壩上游面豎向裂縫；處理措施

1 概述

玉石水庫位于遼寧省營口市境內(nèi)，總庫容8852萬m3，為中型水庫。玉石水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高50.20m。全壩共分15個(gè)壩段。

6#溢流壩段長為24.00m，建基面高程為155.00m，壩底寬39.50m，堰頂高程為196.00m，最大壩高41.00m。大壩斷面采用“金包銀”型式，即外部和基礎(chǔ)采用常態(tài)混凝土，內(nèi)部采用碾壓混凝土。上游常態(tài)混凝土防滲層3.0m，下游保護(hù)層和基礎(chǔ)墊層常態(tài)混凝土2.0m。

玉石水庫大壩混凝土澆筑于1999年5月20日開盤，首先對(duì)6#、7#壩段153.00m高程建基面以下用C 3混凝土進(jìn)行補(bǔ)坑、填平，5月30日進(jìn)行153.00～154.00m高程B 1混凝土澆筑，6月6日澆筑154.00～155.00m的混凝土，6月14日達(dá)到156.00m高程，6月24日達(dá)到157.00m高程后停止?jié)仓?。然后進(jìn)行基礎(chǔ)固結(jié)灌漿。于8月8日開始繼續(xù)升程，進(jìn)行碾壓混凝土施工。在碾壓混凝土施工時(shí)，將原設(shè)計(jì)的壩體上、下游面A2富膠材碾壓混凝土改為B2常態(tài)混凝土。A2混凝土與B2混凝土配合比對(duì)比見表1。至11月7日，6#壩段混凝土升程到169.00m高程后停止?jié)仓?，進(jìn)行保溫防護(hù)越冬。169.00m高程以上混凝土從2000年3月27日開始澆筑，至2000年8月24日，澆筑高程達(dá)到190.00m。

2 裂縫分布情況

6#壩段上游面豎向裂縫位于大壩迎水面，裂縫下自基巖面155m高程上至169m高程混凝土越冬停澆面，高14m。左距5#壩段15m，右距7#壩段9m。裂縫在169m高程平面上向壩內(nèi)延伸3.9m。裂縫在位于壩體下部的灌漿廊道上游壁出露。

3 裂縫成因分析

3.1 澆筑溫度高，內(nèi)表溫差大，壩段過長，引起較大的溫度應(yīng)力

原設(shè)計(jì)混凝土允許澆筑溫度，基礎(chǔ)約束區(qū)為15℃（高程155～163m，H≤8m），上部為18℃（高程163m以上，H＞8m）。實(shí)際基礎(chǔ)約束區(qū)內(nèi)（高程155～163m）平均澆筑溫度為9.75～22.5℃，最高澆筑溫度為27℃。上部（高程163～169m）平均澆筑溫度為9.5～17℃，最高澆筑溫度為19℃。由于6#壩段未設(shè)內(nèi)部溫度計(jì)，無內(nèi)部溫度觀測(cè)記錄。借鑒9#壩段壩體內(nèi)部溫度觀測(cè)結(jié)果，混凝土最高溫度達(dá)到34℃。借鑒3#壩段側(cè)立面T3-立溫度計(jì)觀測(cè)記錄，6#壩段上游面保溫板內(nèi)混凝土表面溫度，一月份最低溫度達(dá)到0℃左右。

（1）水化熱溫升及壩體溫度計(jì)算

采用有限差分法計(jì)算混凝土內(nèi)部水化熱溫升，混凝土升程過程按壩體混凝土實(shí)際升程過程。計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)蓋板內(nèi)（高程155～157m）水化熱溫升為13.3℃，基礎(chǔ)約束區(qū)內(nèi)（高程157～163m）水化熱溫升為10.5℃，上部（高程163～169m）水化熱溫升為9℃，與澆筑溫度值進(jìn)行迭加后得出混凝土內(nèi)最高溫度見表2。

表1 A2與B2混凝土配合比

表2 混凝土內(nèi)最高溫度

因6#壩段未埋設(shè)溫度計(jì)，借鑒9#壩段壩體內(nèi)部溫度計(jì)實(shí)測(cè)結(jié)果。以溫度計(jì)T6、T7結(jié)果最具代表性，表明壩體內(nèi)部溫度達(dá)到30℃，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。

（2）混凝土表面溫度應(yīng)力計(jì)算

外界溫度年變化在6#壩段上游混凝土表面引起的溫度應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中：α—混凝土線脹系數(shù)（1/℃），取10×10-5；

T0—混凝土內(nèi)表溫差（℃），取30；

KP—混凝土松弛系數(shù)，取0.65；μ—混凝土泊松比，取0.167；

C—系數(shù)，與壩段長度有關(guān)，取0.64；

σ—混凝土表面應(yīng)力（MP a）；

Eh—混凝土彈性模量（M P a），取2.55×104。將數(shù)值代入上述公式中：得上游混凝土表面水平拉應(yīng)力σ=3.82MP a。

混凝土允許拉應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中：〔σ〕—混凝土表面允許拉應(yīng)力（MP a）；

ε—混凝土極限拉伸值，取1.0×10-4；

Kf—安全系數(shù)，取1.5。

將數(shù)值代入上述公式中，得混凝土允許拉應(yīng)力〔σ〕=1.5 MP a

由于混凝土澆筑溫度高，內(nèi)表溫差大，壩段過長，在混凝土表面引起較大的溫度拉應(yīng)力，超過混凝土抗裂能力，這是6#壩段上游面劈頭裂縫產(chǎn)生的最主要原因。

靠近基巖部位是混凝土外部約束最大的部位，靠近基巖部位混凝土雙向散熱，向外散發(fā)熱量快，混凝土降溫較快，易引起較大的外部約束，該部位在內(nèi)部約束與外部約束共同作用下，進(jìn)一步加大溫度應(yīng)力，從而導(dǎo)致混凝土的開裂。大多數(shù)混凝土壩側(cè)立面越冬裂縫與此類似，其共同特點(diǎn)是裂縫從下部開始，下部寬而上部窄，多數(shù)裂縫沒有達(dá)到頂面即已尖滅。

3.2 上游防滲層改變混凝土品種，對(duì)上游面混凝土拉應(yīng)力的影響

大壩上游3m厚防滲層混凝土由原設(shè)計(jì)的二級(jí)配碾壓混凝土改為三級(jí)配常態(tài)混凝土，水泥用量由144kg增加到184kg，增加了40kg。粉煤灰摻量由36kg增加到46kg，增加了10kg。由于膠凝材料的增加，導(dǎo)致混凝土發(fā)熱量增加和溫升的加大，壩體混凝土溫度有所提高，加大了上游壩面溫度應(yīng)力，不利于上游壩面混凝土的防裂。

3.3 巖石地質(zhì)條件的影響

F 2斷層沿上下游方向斜向橫穿6#壩段，斷層破碎帶寬2.9～5.5m，影響帶寬超過10m。受斷層影響，巖體風(fēng)化程度、完整性及巖體強(qiáng)度變化較大，工程地質(zhì)條件相對(duì)較差。由于斷層破碎的影響，該壩段基礎(chǔ)開挖成臺(tái)階狀，臺(tái)階高差2m。臺(tái)階在上游面出露點(diǎn)距6#壩段左側(cè)橫縫9m，臺(tái)階在下游面出露點(diǎn)位于6#壩段右側(cè)橫縫處。這種臺(tái)階狀的建基面，使得基礎(chǔ)部位壩體混凝土應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)一步惡化。

4 裂縫處理措施

在169m高程平面裂縫位置，布置4層φ 20@ 200的限裂鋼筋，并自169m高程起將上部壩體分成兩個(gè)12m長的壩段。

在垂直方向上的處理范圍如前所述，在上游壩面和廊道內(nèi)向裂縫內(nèi)灌注L W、H W雙組分水溶性聚氨酯。沿裂縫開鑿出深8c m，口寬8c m的V形槽，內(nèi)嵌SR 3型塑性止水材料，表面用寬度為50c m的SR防滲保護(hù)蓋片粘貼保護(hù)。施工時(shí)先用水、鋼絲刷沖刷縫槽及邊緣到扁鋼壓條的寬度，去除雜物，涼干或烘干。然后刷兩道SR底膠，待底膠表干后，在縫槽內(nèi)及兩側(cè)各25c m的范圍內(nèi)用SR 3型塑性止水材料嵌縫及找平，達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的SR 3材料形狀，并使表面光滑。然后撕去SR防滲保護(hù)蓋片上的防粘保護(hù)紙，將SR防滲保護(hù)蓋片粘貼到SR 3材料上。在SR防滲保護(hù)蓋片的起止段及搭接段兩側(cè)用膨脹螺栓及扁鋼錨固，并用SR 3材料對(duì)粘好的SR防滲保護(hù)蓋片邊緣進(jìn)行封邊。

這種處理方法有如下優(yōu)點(diǎn)：⑴防滲效果較好。因?yàn)檫@種處理方法相當(dāng)于三重防滲，在縫內(nèi)化灌止水，在縫面做了兩道止水，一道是塑性材料嵌縫止水，一道是SR防滲保護(hù)蓋片止水，較以往的只采用一道嵌縫止水的處理方法更加安全可靠。如果施工質(zhì)量控制的很好，完全可以保證工程安全。⑵工程造價(jià)較低。⑶工期較短，施工簡單。這種處理方法存在如下缺點(diǎn)：施工質(zhì)量要求很高，施工過程不易控制，而且無論哪一道工序出現(xiàn)問題都會(huì)嚴(yán)重影響工程質(zhì)量。如果控制不好，會(huì)影響工程安全，且以后很難補(bǔ)救。

經(jīng)上述方法處理后，在169m高程處未見裂縫再向上發(fā)展，廊道內(nèi)滲水也完全消失。證明裂縫處理效果明顯。

5 結(jié)語

（1）由于混凝土澆筑溫度高，內(nèi)表溫差大，壩段過長，在混凝土表面引起較大的溫度拉應(yīng)力，超過混凝土抗裂能力，這是6#壩段上游面豎向裂縫產(chǎn)生的最主要原因。

T V 698.2+31

B

1672-2469（2015）06-0080-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.06.028

張 殳（1966年—），男，高級(jí)工程師。