劉 杰，吳道倉(cāng)，吳興威，劉宜思，劉 霞

(湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司庫(kù)壩中心，湖北 宜昌 443000)

隨著我國(guó)水電事業(yè)的大力發(fā)展，混凝土壩由于使用年限久遠(yuǎn)等原因，逐漸出現(xiàn)各種裂縫，影響大壩本身結(jié)構(gòu)安全與長(zhǎng)久運(yùn)行。表孔、深孔作為汛期頻繁打開、閉合的泄水建筑物，泄洪期間有高速水流通過，震動(dòng)等作用促使混凝土裂縫進(jìn)一步發(fā)育，對(duì)過流面甚至整個(gè)大壩產(chǎn)生危害。掌握混凝土裂縫發(fā)育情況，對(duì)裂縫進(jìn)行性狀描述和建立檔案，分析其發(fā)展原因，關(guān)注其發(fā)展趨勢(shì)并及時(shí)處理，對(duì)確保其全生命周期安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。

1 工程概況

1.1 隔河巖大壩泄洪孔

隔河巖水電站位于長(zhǎng)陽(yáng)土家族自治縣龍舟坪鎮(zhèn)，工程以發(fā)電、防洪為主，大壩壩高151 m，庫(kù)容31.2億m3，屬于大Ⅰ型水利工程。大壩從右至左分為31個(gè)壩段，其中11～18號(hào)壩段為溢流壩段，最上層設(shè)有7個(gè)溢流表孔，孔口剖面型式為實(shí)用溢流堰，表孔主要為泄洪通道。相鄰表孔之間設(shè)有4個(gè)下彎型深孔，供泄洪、排沙、放空和導(dǎo)流之用。

1.2 泄洪孔裂縫情況

自大壩泄洪孔建成以來(lái)，表孔及深孔過流面、牛腿等部位先后出現(xiàn)了多處明顯裂縫。2014年5月，對(duì)表孔及深孔裂縫進(jìn)行了近距離詳細(xì)檢查，檢查結(jié)果顯示，裂縫大多為干縫，濕縫(含淅漿縫)較少，表孔及深孔裂縫總計(jì)超過200條，其中干縫約1 700 m，濕縫約900 m。

2 裂縫處理工藝

大壩泄洪孔混凝土裂縫根據(jù)裂縫滲水與否，分為濕縫和干縫，分別采用不同的處理工藝。

2.1 干縫處理

干燥裂縫相對(duì)于濕潤(rùn)裂縫而言，往往延伸短，裂縫寬度小，表面干凈無(wú)淅鈣，處理流程如下：①縫面清理。以裂縫為中線，對(duì)裂縫兩側(cè)各10 cm范圍混凝土進(jìn)行打磨，高壓水沖洗干凈縫面。②裂縫檢查。用高壓水沖洗混凝土表面，對(duì)裂縫位置、走向、縫長(zhǎng)、縫寬等作好記錄。③縫面處理。對(duì)打磨后的縫面兩側(cè)進(jìn)行二次檢查，如發(fā)現(xiàn)縫面有松散骨料、孔洞、油污等缺陷，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)處理。④表面涂刷。將環(huán)氧基液A、B組分按比例混合，采用寬毛刷蘸取基液對(duì)裂縫兩側(cè)進(jìn)行底層涂刷與面層涂刷。

2.2 濕縫處理

濕縫往往伴隨表層淅鈣存在，處理難度大，工藝更為復(fù)雜?？p面清理、檢查、涂刷與干縫近似一致，主要差別為中間的化學(xué)灌漿環(huán)節(jié)。

流程如下：①基面處理。以裂縫為中線，對(duì)裂縫兩側(cè)各10 cm范圍混凝土進(jìn)行打磨，打磨以露出新鮮混凝土為標(biāo)準(zhǔn)。②造孔。以裂縫為中心騎縫造孔，采用用水、風(fēng)作輪換沖洗，確?？p面及基面干凈無(wú)雜物污漬(見圖1)。③貼嘴及封縫。將注漿嘴放置灌漿孔內(nèi)，孔口用環(huán)氧砂漿封閉。④試氣檢查。試氣檢查主要檢查孔縫暢通性及縫面密封性。⑤化學(xué)灌漿。將環(huán)氧樹脂A、B組分按比例充分混合均勻，灌漿壓力為0.2 MPa。裂縫灌漿遵循由低往高(豎向裂縫)、從內(nèi)至外或從一端往另一端(水平向裂縫)注漿的原則。灌注結(jié)束待凝48 h后，鑿除埋設(shè)灌漿管路，采用環(huán)氧砂漿對(duì)孔洞進(jìn)行填平修補(bǔ)。

圖1 裂縫注漿示意圖

3 施工管理實(shí)踐

3.1 灌漿材料選擇

環(huán)氧樹脂作為目前最常用的水工建筑物封堵材料，其通常由環(huán)氧樹脂及稀釋劑作為主要成分，添加特定固化劑。它具有收縮率小、粘度高、強(qiáng)度大、止水效果好等一系列特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于三峽、葛洲壩等大壩灌漿處理工程[1-2]。

CW510系環(huán)氧樹脂灌漿材料作為長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)科院自主研制的新型化學(xué)灌漿材料，該材料由新型環(huán)氧樹脂、活性稀釋劑、表面活性劑等雙組分灌漿材料組成。其中的CW511和CW512型化學(xué)灌漿材料的力學(xué)性能都較高，但兩者常溫下常見配合比性能測(cè)試結(jié)果仍然有差距(見表1)，CW511初凝時(shí)間長(zhǎng)，可操作時(shí)間長(zhǎng)，適用于細(xì)微裂隙和泥化夾層的浸潤(rùn)和滲透，而CW512型初凝時(shí)間適中，適合于裂隙較大的部位，適當(dāng)增加固化劑配比，作為本次裂縫處理材料，其在電站混凝土裂縫修補(bǔ)中發(fā)揮較好效果[3-4]。

表1 CW511、CW512理化性能測(cè)試情況[5]

3.2 施工方法控制

泄洪表孔、深孔施工難度大，主要為有限空間進(jìn)行的高空作業(yè)，表現(xiàn)如下：①表孔內(nèi)閘門液壓臂橫跨整個(gè)左、右邊墻，液壓臂距離邊墻距離不足40 cm，外挑寬度超過1 m，大的施工平臺(tái)無(wú)法通過此處。②泄洪孔前緣上部為公路橋，寬度約12 m，橋下邊墻裂縫施工人員難以向下到達(dá)。

表孔裂縫處理最初方案為施工吊籃運(yùn)送施工人員上下行。左右邊墻各設(shè)置一部吊籃，吊籃配重1 200 kg，滿足2名人員上下行要求，然而在施工過程中發(fā)現(xiàn)，吊籃只能處理其長(zhǎng)度范圍之內(nèi)的裂縫，橫向移動(dòng)不方便，效率低下。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)觀察及商議后，最終選用施工人員乘坐滑板向下施工的作業(yè)方式，施工人員體積小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，便于穿過液壓臂與邊墻之間的狹小空間，向下施工完畢后，乘坐吊籃上行至壩頂，再次向下施工。對(duì)于壩頂公路橋下裂縫，采取在表孔左右懸挑牛腿上打地錨固定安全繩的方式，結(jié)合附繩牽引施工人員左右移動(dòng)的方法，大大增加了施工效率。針對(duì)滑板施工方法，安全防護(hù)措施主要為1根牽引吊板的工作繩，1根帶自鎖器的生命繩，外帶一個(gè)防墜器的三重保護(hù)，3根繩子分別系在不同的可靠固定點(diǎn)，保證繩子不纏繞，單個(gè)人員獨(dú)立作業(yè)，避免交叉作業(yè)。事實(shí)證明滑板作業(yè)在泄洪孔這種狹窄環(huán)境中是極為合適的作業(yè)方式，相比吊籃等具有較好靈活性、通過性的優(yōu)勢(shì)。

4 裂縫特征與成因分析

4.1 裂縫特征總結(jié)

隔河巖大壩泄洪表、深孔位于拱壩最前端，裂縫發(fā)育特征如下：①裂縫分布較多的區(qū)域有三個(gè)，第一是底板區(qū)域，第二是表孔與液壓油泵房相鄰區(qū)域(見圖2)，第三是溢洪道前緣砼結(jié)構(gòu)倒角區(qū)域，裂縫發(fā)育情況與混凝土倒角方向有一定關(guān)聯(lián)性(見圖3)；②裂縫以橫、縱向分倉(cāng)所在施工縫為主，其中以縱向分倉(cāng)裂縫居多，橫向分倉(cāng)縫比縱向分倉(cāng)縫少，少部分為混凝土內(nèi)部斜向裂縫；③橫向施工縫以干縫為主，縱向施工縫以濕縫為主，斜向施工縫以濕縫為主；④裂縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)，均在2 m以上；⑤裂縫中淅鈣對(duì)裂縫滲漏有一定阻礙作用，部分裂縫淅鈣鑿除后，滲水開始增大；⑥表孔裂縫明顯多于深孔裂縫。

圖2 液壓油泵房相鄰區(qū)域裂縫情況圖

圖3 5號(hào)表孔前緣混凝土裂縫圖

4.2 裂縫成因初步分析

大壩裂縫主要分為溫度裂縫、干縮裂縫、鋼筋銹蝕裂縫、荷載裂縫、沉陷裂縫、凍脹裂縫及堿骨料反應(yīng)裂縫等。造成裂縫的成因復(fù)雜，主要有材料、施工、使用環(huán)境、結(jié)構(gòu)與荷載等原因，實(shí)際上往往是多種因素綜合作用的結(jié)果。綜合隔河巖深、表孔裂縫發(fā)育情況，對(duì)裂縫成因進(jìn)行了初步分析，可能的成因如下。

1)應(yīng)力復(fù)雜區(qū)域裂縫發(fā)育較多。處理結(jié)果顯示，7個(gè)表孔14個(gè)邊墻在閘墩尾部加高邊墻底部均存在向一定方向延伸的裂縫，其發(fā)育方向?yàn)橄虼髩蝺?nèi)側(cè)傾斜。認(rèn)為表孔寬尾墩尾部存在加高邊墻，該邊墻與壩體結(jié)合部位形成一個(gè)內(nèi)凹的倒角，大體積不規(guī)則形狀混凝土局部存在明顯應(yīng)力集中情況，是導(dǎo)致該區(qū)域裂縫發(fā)育的主要原因。

壩頂靠近液壓油泵房區(qū)域發(fā)育橫向、縱向裂縫。由于兩個(gè)相鄰表孔之間存在閘門啟閉機(jī)液壓油泵房，混凝土厚度最薄不足1m，且該區(qū)域下游側(cè)存在液壓桿支撐點(diǎn)，液壓桿支承區(qū)域在表孔閘門啟閉過程中應(yīng)力復(fù)雜，是裂縫產(chǎn)生的重要原因，類似裂縫還可見于二灘水電站與遼寧省葠窩水庫(kù)大壩。二灘水電站表孔兩側(cè)閘墩裂縫受液壓缸支承、閘門支鉸不同應(yīng)力作用，裂縫發(fā)育較為嚴(yán)重[5]；遼寧省葠窩水庫(kù)大壩檢修門閘墩最薄處厚度為1.85、1.78 m，門槽應(yīng)力集中導(dǎo)致裂縫嚴(yán)重發(fā)育[6]。因此認(rèn)為泄洪孔邊墻薄弱混凝土在應(yīng)力集中區(qū)域更容易產(chǎn)生裂縫。

2)溫度應(yīng)力對(duì)淺表性裂縫發(fā)育有一定影響。一般認(rèn)為，壩體裂縫主要成因是溫度荷載，一般冬開夏閉，高水位張開，低水位閉合，遇極低氣溫時(shí)又?jǐn)U展延伸或發(fā)生新的裂縫，溫度裂縫也是國(guó)內(nèi)混凝土拱壩中最常見的裂縫[7]。隔河巖大壩運(yùn)行時(shí)間已有27年，壩區(qū)氣溫冬季最低可達(dá)零下5℃，夏季最高可達(dá)40℃，水位最高超過200 m，最低不足180 m，溫度荷載從混凝土澆筑到現(xiàn)階段仍然沒有消失，也是裂縫產(chǎn)生、延展的部分原因。大壩表孔底板裂縫遠(yuǎn)多于邊墻裂縫，且多為不滲水淺表性干縫，考慮到底板在每次泄洪期間均有高速水流通過，對(duì)底板混凝土有一定影響。此外閘門門槽局部滲水通過底板流入下游消力池，干濕變化情況頻繁，也是裂縫產(chǎn)生的重要原因[5]。

對(duì)于裂縫成因確定性分析，還需要掌握更多歷史時(shí)期裂縫發(fā)育數(shù)據(jù)，尤其是工程建設(shè)時(shí)期相關(guān)資料，然而這部分資料保存較少，無(wú)法給予該結(jié)論非常有效的支撐，后續(xù)仍然需要進(jìn)行研究。

5 結(jié)語(yǔ)與建議

1)大壩表孔、深孔裂縫影響著大壩全生命周期安全可靠運(yùn)行。裂縫隨著運(yùn)行時(shí)間增加，滲水情況也會(huì)日益嚴(yán)重，及時(shí)掌握裂縫發(fā)育情況，對(duì)裂縫進(jìn)行性狀描述和建立檔案、及時(shí)處理是非常有必要的。

2)針對(duì)泄洪孔混凝土裂縫，分類別采用環(huán)氧樹脂系列化學(xué)材料進(jìn)行處理。濕縫進(jìn)行化學(xué)灌漿，干縫進(jìn)行表面涂刷，短期內(nèi)能夠取得較好效果，水電站其他過水建筑物混凝土裂縫，亦可參考上述方法進(jìn)行修補(bǔ)。

3)隔河巖大壩泄洪孔混凝土裂縫成因復(fù)雜。局部應(yīng)力集中導(dǎo)致裂縫發(fā)育，溫度荷載對(duì)淺表性裂縫發(fā)育有一定影響，此外也有混凝土長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、環(huán)境干濕變化頻繁等原因同樣是裂縫發(fā)育的有利條件。在水工建筑物設(shè)計(jì)階段，如果能夠重視上述可能導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的原因，對(duì)延長(zhǎng)大壩安全可靠運(yùn)行的生命周期意義重大。