陳乃或，蘇志新，王成山，杜志達(dá)

（1.北京渤海嘉實(shí)工程咨詢有限責(zé)任公司，北京 101499；2.遼寧水利土木咨詢有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110055；3.遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006；4.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024）

0 引言

混凝土襯砌裂縫是水工隧洞常見(jiàn)的缺陷，如錦屏2 級(jí)水電站1 號(hào)引水隧洞[1]、小浪底導(dǎo)流洞[2]、永寧河4 級(jí)電站引水隧洞[3]、東江水源工程6 號(hào)隧洞[4]、恩施洞坪水電站樞紐工程水工隧洞[5]、小孤山隧洞[6]等工程，在施工及運(yùn)行過(guò)程中混凝土襯砌陸續(xù)出現(xiàn)一些裂縫，分布在頂拱、側(cè)墻或底板等各個(gè)部位，部分裂縫伴有滲水流白析鈣現(xiàn)象。裂縫影響隧洞整體性，降低隧洞抗?jié)B能力，引起鋼筋銹蝕，降低材料耐久性，影響使用功能并縮短使用壽命。因此，水工隧洞混凝土襯砌裂縫原因及預(yù)防措施的分析研究對(duì)保證工程的安全性與耐久性具有重要意義。我國(guó)現(xiàn)行水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范按限裂結(jié)構(gòu)進(jìn)行水工隧洞襯砌設(shè)計(jì)，沒(méi)有明確具體溫控防裂要求，未充分考慮溫度與收縮變形作用，通常施工期大多沒(méi)有采取有效的混凝土防裂措施。

1 裂縫分類

按裂縫分布形態(tài)可分為環(huán)向裂縫、縱向裂縫及斜向裂縫，按裂縫出現(xiàn)的時(shí)間可分為施工期裂縫和運(yùn)行期裂縫，裂縫寬度可分為不大于和大于0.2 mm 兩種，按滲水情況可分為滲水裂縫和不滲水裂縫。

2 襯砌溫度及溫度徐變應(yīng)力分布規(guī)律

以遼寧省某大型輸水工程隧洞4-6洞段為例進(jìn)行有限元溫度徐變應(yīng)力仿真計(jì)算。該隧洞為馬蹄形斷面，最大內(nèi)徑6 m，一次支護(hù)噴混凝土C30厚度10 cm，二次襯砌混凝土C35W12F200 厚度30 cm。計(jì)算方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)［7］，分析了各種澆筑溫度、自生體積變形、底板與邊頂拱不同的澆筑時(shí)間、不同的通水時(shí)間與通水水溫等各種因素對(duì)隧洞襯砌溫度和應(yīng)力影響。

采用先澆筑一次支護(hù)噴混凝土，在第28 d 澆筑二次襯砌的混凝土底板，在第90 d 開(kāi)始澆筑邊頂拱部分，在第180 d 開(kāi)始通水進(jìn)入運(yùn)行階段。混凝土澆筑的初始溫度為25 ℃ ，通水水溫5，10，15 ℃，整個(gè)仿真計(jì)算方案的持續(xù)時(shí)間為365 d。計(jì)算結(jié)果顯示，施工期襯砌內(nèi)溫度與實(shí)測(cè)溫度有著相同的最高溫度及相似的變化規(guī)律。二次襯砌后24 h 內(nèi)混凝土溫升達(dá)到最高，7 d 內(nèi)混凝土溫度降至接近環(huán)境溫度。運(yùn)行期通水后4.5 d 內(nèi)襯砌混凝土溫度達(dá)到通水水溫。底板二襯中心點(diǎn)溫度變化過(guò)程見(jiàn)圖1。頂拱二襯中心點(diǎn)處溫度與底板二襯中心點(diǎn)處溫度量值及規(guī)律相近。

圖1 不同通水溫度底板中心溫度變化過(guò)程（距表面0.15 m）

二襯后混凝土一般經(jīng)歷了水化熱溫升帶來(lái)的短暫壓應(yīng)力增長(zhǎng)、溫降初期的壓應(yīng)力減小、溫降中后期的拉應(yīng)力產(chǎn)生及增長(zhǎng)直至趨于平穩(wěn)的發(fā)展過(guò)程。運(yùn)行初期，襯砌混凝土應(yīng)力主要受通水水溫影響，隨著混凝土溫度達(dá)到水溫溫度，襯砌內(nèi)拉應(yīng)力趨于平穩(wěn)并緩慢降低。

計(jì)算并比較不同澆筑溫度、不同通水水溫、不同自生體積變形的溫度應(yīng)力。不同澆筑溫度的底板二襯混凝土中心點(diǎn)溫度徐變應(yīng)力變化過(guò)程見(jiàn)圖2。計(jì)算結(jié)果顯示,不同澆筑溫度對(duì)溫度應(yīng)力影響差別不大。

圖2 不同澆筑溫度底板中心應(yīng)力變化過(guò)程（距表面0.15 m）

不同通水水溫的二襯混凝土溫度徐變應(yīng)力變化過(guò)程見(jiàn)圖3。計(jì)算結(jié)果顯示，通水水溫為5 ℃時(shí)，底板中心應(yīng)力達(dá)到2.5 MPa，通水溫度每升高5 ℃，應(yīng)力約減小1.0 MPa，可見(jiàn)通水水溫對(duì)溫度應(yīng)力影響顯著。

圖3 不同通水溫度底板中心應(yīng)力變化過(guò)程（距表面0.15 m）

不同自生體積變形的二襯混凝土溫度徐變應(yīng)力變化過(guò)程見(jiàn)圖4。計(jì)算結(jié)果顯示，外摻3%氧化鎂膨脹抗裂劑混凝土拉應(yīng)力比未摻加的減小約1.0 MPa，氧化鎂膨脹抗裂劑補(bǔ)償溫度應(yīng)力效果明顯，自生體積變形對(duì)溫度應(yīng)力影響顯著。

圖4 素混凝土與摻加MgO 混凝土底板中心應(yīng)力變化過(guò)程（距表面0.15 m）

頂拱二襯混凝土中心點(diǎn)溫度徐變應(yīng)力與底板二襯混凝土中心點(diǎn)處溫度徐變應(yīng)力量值及規(guī)律相近。

綜上，澆筑溫度對(duì)溫度應(yīng)力影響差別不大，施工期的水化熱溫升與內(nèi)表溫差、自生體積變形及通水水溫對(duì)隧洞襯砌應(yīng)力影響較大。

3 裂縫原因分析

1）施工期水化熱溫升及內(nèi)表溫差對(duì)溫度徐變應(yīng)力影響

上述隧洞混凝土襯砌有限元溫度徐變應(yīng)力仿真計(jì)算結(jié)果顯示，施工期最高溫度35 ℃，洞內(nèi)環(huán)境溫度14 ℃，內(nèi)表溫差21 ℃，施工初期二次襯砌后24 h 混凝土溫升階段由于時(shí)間短，混凝土彈模低，積累的壓應(yīng)力很小，甚至可以忽略不計(jì)。7 d內(nèi)混凝土溫度降至接近環(huán)境溫度，溫度徐變應(yīng)力達(dá)到1.5 MPa 以上。最高溫度、降溫幅度、內(nèi)表溫差，加之圍巖的約束，使得降溫過(guò)程累積了較大拉應(yīng)力，水化熱溫升及內(nèi)表溫差起了決定性作用。

小浪底導(dǎo)流洞襯砌采用C70 混凝土，底板厚度為2.5 m，邊頂拱厚度為2.0 m，澆筑完工后出現(xiàn)了一些不同程度的裂縫。底板混凝土的最高溫度達(dá)到53.5 ℃，最大溫差34.7 ℃。邊頂拱混凝土的最高溫度達(dá)到50.7 ℃，最大溫差29.1 ℃。澆筑后，11，100 d 底板拉應(yīng)力分別達(dá)到 3.4，4.7 MPa 。分析認(rèn)為，由于C70 高強(qiáng)度混凝土水化熱溫升過(guò)高，襯砌厚度較厚，較大的溫差及拆模后表面溫降速度很快，底板受到較大基礎(chǔ)約束，是產(chǎn)生較大拉應(yīng)力的主要原因之一[2]。

混凝土水化熱溫升及內(nèi)表溫差是施工期隧洞襯砌混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力和裂縫的主要原因之一。較高的混凝土強(qiáng)度指標(biāo)需要較高的水泥摻量、較厚的襯砌厚度，這些均可引起較高的水化熱溫升。

2）自生體積收縮變形的影響

混凝土依靠膠凝材料自身水化引起的體積變形，稱之為自生體積變形。普通水泥混凝土的自生體積變形大多為收縮，少數(shù)為膨脹，混凝土的自生體積變形較大時(shí)，相當(dāng)于溫度變化數(shù)十度引起的變形，說(shuō)明混凝土自生體積變形對(duì)其抗裂性能有著不容忽視的影響[8，9]，結(jié)合遼寧省白石及閻王鼻子混凝土壩進(jìn)行的混凝土自生體積變形試驗(yàn)研究表明[10]，采用撫順P·MH42.5 中熱硅酸鹽水泥（原大壩525號(hào)，內(nèi)含4.5%氧化鎂）配制的混凝土180 d自生體積變形為16.0×10-6，采用錦西P·O42.5 普通硅酸鹽水泥（原425 號(hào)，內(nèi)含4%氧化鎂）配制的混凝土120 d自生體積變形為7.11×10-6，兩種水泥配制的混凝土自生體積變形是微膨脹的。采用錦西P·O42.5普通硅酸鹽水泥，外摻4%氧化鎂，混凝土后期可達(dá)到（60～70）×10-6的膨脹量，即后期可增加約50×10-6膨脹量。

通過(guò)水泥安定性壓蒸試驗(yàn)顯示，撫順與錦西內(nèi)含4%～5%氧化鎂水泥配制的混凝土，氧化鎂摻量為2%～3%較為合適。

上述隧洞仿真計(jì)算，在相同的施工計(jì)算方案下，采用未摻加膨脹抗裂劑素混凝土襯砌，后期邊頂拱襯砌的最大拉應(yīng)力值是3.1 MPa；而摻加氧化鎂膨脹抗裂劑混凝土襯砌，邊頂拱的最大拉應(yīng)力值是2.2 MPa，混凝土襯砌所受的拉應(yīng)力值約降低了0.8 MPa，說(shuō)明自生體積變形對(duì)襯砌應(yīng)力有較大影響。摻加氧化鎂補(bǔ)償由溫降收縮變形引起的拉應(yīng)力效果明顯，與文獻(xiàn)［7］結(jié)論一致。

3）通水水溫的影響

上述隧洞仿真計(jì)算，通水水溫分別取5，10，15 ℃，整個(gè)仿真計(jì)算方案的持續(xù)時(shí)間為365 d。計(jì)算結(jié)果顯示，通水水溫為5 ℃時(shí)，底板中心應(yīng)力達(dá)到3.5 MPa，通水溫度每升高5 ℃，應(yīng)力約減小1.0 MPa,可見(jiàn)通水水溫對(duì)運(yùn)行期溫度應(yīng)力影響顯著。

4）干縮變形的影響

混凝土表面水分損失較快，內(nèi)部水分散失慢，變形較大的表面受到內(nèi)部的約束而產(chǎn)生較大的表面拉應(yīng)力，如錦屏2 級(jí)水電站1 號(hào)引水隧洞[1]、小孤山隧洞[6]均有類似情況發(fā)生。

5）開(kāi)挖斷面不合理

開(kāi)挖巖面起伏差大容易引起巖石約束應(yīng)力集中，如錦屏2 級(jí)水電站1 號(hào)引水隧洞，由于襯砌部位的混凝土厚薄不均，散熱速度不均，溫差不均，加劇了應(yīng)力集中，在薄厚結(jié)合部位容易產(chǎn)生裂縫，采用鉆爆法開(kāi)挖洞段襯砌裂縫數(shù)量多于采用TBM 開(kāi)挖洞段[1]。超挖量過(guò)大引起溫度高，應(yīng)力大，如永寧河4 級(jí)電站引水隧洞，實(shí)際開(kāi)挖斷面均有50～80 cm 不等的超挖，實(shí)際襯砌厚度為80～110 cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)的30 cm 厚混凝土，造成水化熱過(guò)高，混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力過(guò)大，產(chǎn)生較大的伸縮變形將混凝土拉裂[3]。

6）富水段引起的滲水裂縫

混凝土在澆筑初期，富水段內(nèi)水水壓過(guò)大超過(guò)混凝土初期強(qiáng)度，容易導(dǎo)致薄弱部位產(chǎn)生裂縫。如錦屏2 級(jí)水電站1 號(hào)引水隧洞，富水洞段雖然進(jìn)行了引排和封堵，但仍然有散水點(diǎn)存在，澆筑時(shí)散水仍可能造成滲水通道，產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié)，在混凝土溫度下降收縮時(shí)，滲水點(diǎn)處容易產(chǎn)生裂縫[1]。如恩施洞坪水電站水工隧洞混凝土襯砌，邊頂拱水平施工縫開(kāi)倉(cāng)前和開(kāi)倉(cāng)后有少量積水，沖毛或鑿毛后細(xì)小渣子難以徹底清除，砂漿攤鋪不全面，形成水平施工縫薄弱環(huán)節(jié)，外水壓力迅速增加，導(dǎo)致邊頂拱水平施工縫滲水[5]。

7）襯砌分段過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生裂縫

水工輸水隧洞襯砌橫縫間距一般為8～12 m，分縫間距越大，圍巖約束應(yīng)力越大，襯砌越容易產(chǎn)生裂縫。

8）施工原因產(chǎn)生的裂縫

包括混凝土拌合、支模、振搗、養(yǎng)護(hù)、回填灌漿及固結(jié)灌漿各個(gè)環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量，對(duì)裂縫的產(chǎn)生均有一定的作用。如錦屏2 級(jí)水電站1 號(hào)引水隧洞、小浪底導(dǎo)流洞、東江水源工程6 號(hào)隧洞等襯砌裂縫均與施工質(zhì)量有直接關(guān)系[1，2，4]。

4 裂縫預(yù)防措施

1）降低水化熱溫升減小內(nèi)表溫差

優(yōu)先選擇發(fā)熱量低的水泥，優(yōu)化混凝土配合比，盡可能減少水泥用量。混凝土強(qiáng)度指標(biāo)以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及耐久性要求即可，避免人為提高襯砌混凝土強(qiáng)度指標(biāo)。襯砌厚度較厚時(shí)，采取分層施工方案。受外界氣溫影響大的短洞或洞口部位，加強(qiáng)襯砌混凝土表面保溫，減小內(nèi)表溫差，減小溫度應(yīng)力。

2）摻加氧化鎂膨脹抗裂劑補(bǔ)償溫度應(yīng)力

采用內(nèi)含4%～5%氧化鎂的中熱硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥配制的混凝土，可外摻2%～3%氧化鎂。具有不同氧化鎂含量的水泥，其合適的氧化鎂摻量需要通過(guò)水泥安定性壓蒸試驗(yàn)確定；外摻氧化鎂混凝土的自生體積變形需通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定；外摻氧化鎂對(duì)隧洞襯砌混凝土溫度應(yīng)力的補(bǔ)償作用效果需通過(guò)有限元溫度徐變應(yīng)力仿真計(jì)算確定。

3）摻加纖維提高混凝土抗裂能力

為提高混凝土抗裂能力，可適當(dāng)摻加聚丙烯纖維。如猴山混凝土壩C30W6F200 混凝土采用摻加聚丙烯纖維提高混凝土抗裂能力，摻量為1 kg/m3，28，90 d 極限拉伸值由 82.7×10-6，115.9×10-6提高到96.6×10-6，151.3×10-6，換算為抗拉強(qiáng)度，可分別提高0.48，0.62 MPa

4）控制通水水溫

由于運(yùn)行期通水水溫對(duì)隧洞混凝土襯砌應(yīng)力影響較大，應(yīng)避免通水水溫過(guò)低，盡可能采取分層取水措施。

5）保持襯砌混凝土表面濕潤(rùn)

應(yīng)做好襯砌混凝土表面保濕養(yǎng)生，減小表面干縮應(yīng)力?？梢栽诨炷帘砻鎳娡筐B(yǎng)護(hù)劑，在混凝土表面形成一層保護(hù)膜封閉混凝土表面，減少水分的散失，減少干縮裂縫。

6）嚴(yán)格控制開(kāi)挖巖面起伏差及超挖

采取有效措施嚴(yán)格控制巖石超挖量。如發(fā)現(xiàn)超挖40 cm 以上，應(yīng)先回填混凝土，待其收縮后，再澆二襯混凝土。

7）富水段隧洞應(yīng)做好引流排水

采用“先引導(dǎo)、后排水”的方法，在未進(jìn)行二襯混凝土澆筑時(shí)，預(yù)先設(shè)置導(dǎo)水孔，創(chuàng)造導(dǎo)排外水減壓的條件。在二次澆筑混凝土后，使無(wú)規(guī)的滲漏水通過(guò)引導(dǎo)水管變?yōu)橛幸?guī)的卸壓排水導(dǎo)流，使二襯混凝土有足夠的強(qiáng)度增長(zhǎng)時(shí)間，確?；炷恋馁|(zhì)量，最后通過(guò)注漿封閉導(dǎo)水孔達(dá)到止?jié)B的目的，避免滲水引起裂縫。

8）按照圍巖條件合理選擇襯砌分段長(zhǎng)度

水工隧洞混凝土襯砌設(shè)計(jì)分段長(zhǎng)度一般為8～12 m，按照圍巖類別及應(yīng)力分析結(jié)果合理選擇分段長(zhǎng)度。當(dāng)圍巖完整、堅(jiān)硬、彈模高，對(duì)襯砌混凝土約束大時(shí)，段長(zhǎng)取小值，反之，段長(zhǎng)可取大值。

9）加強(qiáng)施工質(zhì)量

嚴(yán)格控制混凝土原材料、拌合、支模、振搗、養(yǎng)護(hù)、回填灌漿及固結(jié)灌漿各個(gè)環(huán)節(jié)施工質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

引起水工隧洞混凝土襯砌裂縫的原因是多方面的，有限元溫度徐變應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示，澆筑溫度對(duì)溫度應(yīng)力影響差別不大，施工期的水化熱溫升與內(nèi)表溫差、自生體積變形及通水水溫對(duì)隧洞襯砌應(yīng)力影響較大，干縮變形、開(kāi)挖起伏差、富水段滲水、襯砌分段長(zhǎng)度及各個(gè)環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量都對(duì)產(chǎn)生裂縫有一定影響。重要工程宜結(jié)合溫度應(yīng)力有限元仿真計(jì)算，全面考慮澆筑溫度、水化熱溫升、環(huán)境溫度、自生體積變形、水壓、通水水溫及圍巖約束等作用，綜合比較確定需采取的防裂措施。