余洞玉

(江西久源建設(shè)工程有限公司,南昌 330038)

0 引 言

固結(jié)灌漿是水利水電工程壩段施工中的必不可少的環(huán)節(jié),在大壩基礎(chǔ)防滲、穩(wěn)定、安全等方面發(fā)揮著重要作用。而大壩混凝土蓋重固結(jié)灌漿施工期間的蓋重抬動(dòng)效應(yīng)會(huì)引發(fā)混凝土蓋板、大壩產(chǎn)生裂縫,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及大壩運(yùn)行安全。一般而言,灌漿壓力、固結(jié)灌漿間歇時(shí)間等單因素以及固結(jié)灌漿上抬力和溫度應(yīng)力的疊加等是造成水工大壩混凝土裂縫的主要方面。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在蓋重灌漿過(guò)程中蓋重抬動(dòng)造成混凝土開(kāi)裂問(wèn)題方面展開(kāi)大量研究,但側(cè)重點(diǎn)大多集中在抬動(dòng)程度受灌漿壓力影響以及如何有效預(yù)防和控制抬動(dòng)等方面,對(duì)蓋重抬動(dòng)影響混凝土應(yīng)力的分析較少。文章結(jié)合具體工況,從工程實(shí)際出發(fā),對(duì)水工混凝土應(yīng)力受固結(jié)灌漿施工所造成蓋重抬動(dòng)的影響展開(kāi)仿真分析,總結(jié)混凝土應(yīng)力變化規(guī)律,指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 蓋重抬動(dòng)變形機(jī)理

固結(jié)灌漿蓋重抬動(dòng)的原因在于注漿引起蓋重下方基層土體體積膨脹,克服上方倒圓臺(tái)形土體重力、剪切力及荷載后引發(fā)蓋重變形。蓋重結(jié)構(gòu)中設(shè)置有鋼筋網(wǎng),其自身屬于線彈性體,當(dāng)注漿壓力達(dá)到一定水平后,便會(huì)在漿液上部土體中形成倒圓臺(tái)形剪切面[1]。一旦注漿壓力動(dòng)載荷所引起的上抬力P克服倒圓臺(tái)土體結(jié)構(gòu)自重Gt,在剪力Ft引發(fā)蓋重彈性變形時(shí),便會(huì)造成蓋重上抬。以上受力過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 蓋重抬動(dòng)變形受力分析

為簡(jiǎn)化分析,將蓋重結(jié)構(gòu)下方土體劃分成巖體和土體兩部分,注漿施工時(shí),注漿壓力動(dòng)載荷經(jīng)過(guò)土體和巖體后施加于混凝土蓋重結(jié)構(gòu),具體的分布形式則與巖體裂隙發(fā)育、巖體特性、地下水、巖體位移、土體變形的遲滯效應(yīng)等因素有關(guān),由此造成注漿壓力的難控制性、時(shí)變性和非線性[2]。為確保工程質(zhì)量,注漿過(guò)程中蓋重抬動(dòng)變形所允許的位移值一般較小,故此處假定,土體內(nèi)注漿壓力均勻分布。土體抬動(dòng)所承受的均布注漿壓力按下式確定:

(1)

式中:P為土體抬動(dòng)所承受的均布注漿壓力;Pc為注漿孔內(nèi)注漿壓力;μ0為漿液黏度;Q為注漿量;b為裂縫寬度;r為漿液擴(kuò)散半徑;rc為注漿孔孔徑。

倒圓臺(tái)土體結(jié)構(gòu)自重以及剪力依次按下式計(jì)算:

(2)

(3)

2 工程概況及裂縫情況

周寧抽水蓄能電站位于福建省寧德市下轄周寧縣七步鎮(zhèn)境內(nèi),電站裝機(jī)容量1200MW(4×300MW)。攔河壩為碾壓混凝土重力壩,壩頂及建基面高程分別為1421m和1418m,壩體最高201m,壩頂長(zhǎng)462m,大壩共分成16個(gè)壩段,文章選取最高的7#河床壩段展開(kāi)研究。

根據(jù)工程地質(zhì)條件,分別采用由上至下分段灌漿和由下至上分段灌漿的施工方法,并分Ⅰ、Ⅱ序次灌漿。其中,灌漿蓋重的設(shè)計(jì)厚度必須控制在7.5m及以上,等其所用部位混凝土的實(shí)際強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值50%后再依次展開(kāi)鉆孔與灌漿施工。7#河床壩段裂縫發(fā)生后對(duì)Ⅰ序注漿孔和Ⅱ序注漿孔均存在一定影響,必須待物探孔檢測(cè)完畢后才能鉆設(shè)灌漿孔;混凝土蓋重厚度應(yīng)達(dá)到3.0m以上,同時(shí)將Ⅰ序灌漿孔首段注漿施工壓力維持在0.5～0.6 MPa范圍內(nèi)。該水電站攔河壩前方以及后方既有裂縫四周的注漿孔布置參數(shù)取值情況見(jiàn)表1。表中孔號(hào)表示壩段-列-排-灌漿分區(qū)。

表1 壩前和壩后裂縫周邊注漿孔具體情況

7#壩段第2澆筑層和第3澆筑層墊層混凝土均采用常態(tài)混凝土,澆筑施工于2020年5月7日正式展開(kāi),兩日后完成此項(xiàng)施工任務(wù);并于5月14日安排進(jìn)行攔河壩固結(jié)灌漿任務(wù),次日常規(guī)檢查中檢測(cè)人員在墊層混凝土的表面觀測(cè)到肉眼可見(jiàn)裂縫。該壩段第7澆筑層采用碾壓混凝土,于2020年6月10日開(kāi)始澆筑,6月12日完成澆筑,6月19日開(kāi)始有蓋重固結(jié)灌漿施工;7月2日8～10#壩段混凝土表面出現(xiàn)貫穿性裂縫。

綜合調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn),該工程大壩裂縫發(fā)生的時(shí)間主要集中在兩個(gè)階段:第一階段是壩基固結(jié)灌漿期間,部分壩段于灌漿施工期間出現(xiàn)裂縫,混凝土蓋重厚度基本在5.0～11.0m之間,裂縫深度普遍在表層0.6～1.0m,均為淺層裂縫,僅1條裂縫深度達(dá)8.2m;第二階段是固結(jié)灌漿工后深度位于表層0.5～1.0m的典型倉(cāng)面裂縫。

3 裂縫形成模擬

3.1 有限元模型

構(gòu)建周寧抽水蓄能電站7#河床壩段有限元模型。壩基以下基巖厚度按照壩高的1.5倍取值,壩軸線上下游順河流向基巖范圍也按照壩高的1.5倍取值;同時(shí)向兩側(cè)邊界以及攔河壩基巖結(jié)構(gòu)的底部均施以取值固定的法向約束。順?biāo)飨驗(yàn)閤向,鉛直向?yàn)閥向。壩體側(cè)面、地基側(cè)面及地基底面均按照絕熱邊界處理[3]。

截止6月12日,該抽水蓄能電站7#河床壩段已澆筑9倉(cāng),包括2種常態(tài)混凝土和2種碾壓混凝土,已經(jīng)澆筑完成的混凝土材料主要熱力學(xué)參數(shù)、絕熱溫升及彈性模量等的取值情況見(jiàn)表2,考慮到篇幅所限,未列示混凝土自生體積變形和混凝土徐變。

表2 壩段混凝土主要熱力學(xué)參數(shù)取值

固結(jié)灌漿施工期間,灌漿孔處發(fā)生抬動(dòng)現(xiàn)象,進(jìn)而引起灌漿施工區(qū)域四周大面積抬動(dòng)變形。為體現(xiàn)灌漿過(guò)程中壩體抬動(dòng)及受基巖的約束,應(yīng)在壩基底部等效施加抬動(dòng)荷載。在第3澆筑層澆筑結(jié)束后7d,于上游端至沿水流向的結(jié)構(gòu)縫(0+065.0)處向壩基底部節(jié)點(diǎn)施荷。待第7層澆筑結(jié)束后7d,以沿水流向的結(jié)構(gòu)縫(0+065.0)處為起始點(diǎn),直至所在河段下游端部為終點(diǎn),向該段壩基底部相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處施荷。以上固結(jié)灌漿施工過(guò)程中,位移抬動(dòng)方式和灌漿壓力均應(yīng)保持一致。

在全面深入研究混凝土應(yīng)力受抬動(dòng)位移及灌漿壓力影響后,還應(yīng)結(jié)合該抽水蓄能電站7#河床壩段固結(jié)灌漿具體施工組織安排以及周邊灌漿孔施工參數(shù)變動(dòng)趨勢(shì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果,向相應(yīng)壩基段施以設(shè)計(jì)壓力,同時(shí)施予相應(yīng)的抬動(dòng)位移荷載,以較好模擬灌漿施工可能造成的蓋重抬動(dòng)形式及程度。

3.2 計(jì)算工況

該抽水蓄能電站7#河床壩段于2020年5月7日開(kāi)始灌漿,主要采取表面保溫和通水冷卻的溫控措施。以塑料水管為冷卻水管,并按1.0m的水平間距和1.5m的垂直間距設(shè)置;水管導(dǎo)熱系數(shù)取5.89kJ/(m·h·℃),單根水管長(zhǎng)300m,按S形鋪設(shè);冷卻水管表面使用等效散熱系數(shù)2.73kJ/(m·h·℃)的保溫材料。初期持續(xù)通水冷卻15d。計(jì)算工況見(jiàn)表3。

表3 仿真計(jì)算工況

3.3 模擬結(jié)果

對(duì)該抽水蓄能電站7#河床壩段已經(jīng)澆筑完成的倉(cāng)面應(yīng)力分布情況展開(kāi)模擬,得出不同工況下主拉應(yīng)力取值。根據(jù)分析,該攔河壩段從0+065.0樁號(hào)處的結(jié)構(gòu)縫開(kāi)始,位于其之前1416.8m高程處的墊層混凝土以及位于其之后1411.2m高程處的碾壓混凝土,全部在固結(jié)灌漿施工過(guò)程開(kāi)始以后發(fā)生表面裂縫。據(jù)此所得出的分析結(jié)果也只是對(duì)以上兩處混凝土在固結(jié)灌漿施工過(guò)程中第一主應(yīng)力進(jìn)行了明確顯示。

3.3.1 無(wú)溫度荷載

為分析溫度荷載為0情況下灌漿壓力對(duì)混凝土應(yīng)力的影響情況,主要針對(duì)工況1、3、5展開(kāi);為分析溫度荷載為0情況下蓋重抬動(dòng)對(duì)混凝土應(yīng)力的影響,則針對(duì)工況7、9、11展開(kāi)。根據(jù)仿真結(jié)果,在灌漿壓力或者是蓋重抬動(dòng)的影響下,混凝土拉應(yīng)力水平均較低,最大拉應(yīng)力不超出0.1～0.4MPa的范圍;此后隨著灌漿壓力的增大,碾壓混凝土和墊層混凝土拉應(yīng)力均小幅度增加:當(dāng)灌漿壓力從0.3MPa增至0.5MPa時(shí),碾壓混凝土和墊層混凝土最大拉應(yīng)力僅增大0.06MPa和0.07MPa;而當(dāng)灌漿壓力從0.5MPa增至0.8MPa時(shí),碾壓混凝土和墊層混凝土最大拉應(yīng)力僅增大0.07MPa和0.12MPa?？傊?灌漿壓力的增大所引起的混凝土拉應(yīng)力的增加始終維持在較低水平;灌漿壓力的變動(dòng)不足以引起過(guò)高的拉應(yīng)力。

在忽略溫度荷載的作用下,當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)的蓋重所實(shí)際發(fā)生的抬動(dòng)量為1.0mm、1.5mm、2.0mm時(shí),所引起的混凝土拉應(yīng)力最大值分別取1.57MPa、1.64MPa和1.79MPa,而墊層混凝土最大拉應(yīng)力依次為1.82MPa、1.86MPa和1.90MPa。因蓋重抬動(dòng)的影響,混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)較大拉應(yīng)力,主要因?yàn)槭苡绊懙幕炷撂幱趶?qiáng)約束區(qū)地基范圍內(nèi)。蓋重抬動(dòng)1.0mm時(shí),混凝土拉應(yīng)力已經(jīng)處于較高水平,抬動(dòng)位移增大至2.0mm后碾壓混凝土和墊層混凝土最大拉應(yīng)力便維持在較高水平,也就是說(shuō),設(shè)計(jì)工況下蓋重抬動(dòng)位移會(huì)造成混凝土拉應(yīng)力的快速發(fā)展,抗拉安全系數(shù)降低。

3.3.2 施加溫度荷載

在灌漿壓力或蓋重抬動(dòng)等單因素工況下均疊加溫度荷載,所得出的應(yīng)力仿真結(jié)果見(jiàn)表4。工況2、4、6下大壩混凝土同時(shí)受到溫度應(yīng)力和灌漿壓力的影響,根據(jù)表中仿真結(jié)果,3種工況下墊層混凝土拉應(yīng)力最大值分別為0.87MPa、0.95MPa和1.06MPa,抗拉安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的最小取值依次取2.85、2.64、2.38;碾壓混凝土所實(shí)際表現(xiàn)出的拉應(yīng)力最大值依次取0.56MPa、0.63MPa、0.68MPa?？梢?jiàn),以上混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉安全系數(shù)取值全部位于2.0以上,也就是說(shuō),壩段混凝土開(kāi)裂并不是在溫度荷載以及灌漿壓力兩個(gè)方面的綜合作用下發(fā)生;然而根據(jù)分析結(jié)果,混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂安全系數(shù)取值的確隨著灌漿壓力的增大而呈緩慢減小的變動(dòng)趨勢(shì),表明灌漿壓力是造成混凝土開(kāi)裂的輔助性原因。

表4 疊加溫度荷載后的應(yīng)力仿真結(jié)果

工況8、10、12下大壩混凝土同時(shí)受到溫度荷載和蓋重抬動(dòng)的影響,根據(jù)表中仿真結(jié)果,3種工況下墊層混凝土拉應(yīng)力最大值分別為3.58MPa、3.69MPa和3.89MPa,抗拉安全系數(shù)最小值分別為0.69、0.68和0.64;而碾壓混凝土拉應(yīng)力最大值分別為2.17MPa、2.25MPa和2.42MPa,抗拉安全系數(shù)最小值分別為0.46、0.45和0.42。結(jié)果表明,溫度荷載和蓋重抬動(dòng)綜合作用使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大拉應(yīng)力,且兩種混凝土最大拉應(yīng)力均超出了相應(yīng)齡期拉應(yīng)力極限值,且抗裂安全系數(shù)值均在1.0以下。在地基強(qiáng)約束下,混凝土內(nèi)部過(guò)高的拉應(yīng)力是引發(fā)混凝土開(kāi)裂的主要原因[4]。

4 結(jié) 論

結(jié)合文章分析結(jié)果,在灌漿壓力和蓋重作用下,常態(tài)墊層混凝土和碾壓混凝土拉應(yīng)力均較小,但與溫度荷載疊加作用后拉應(yīng)力均增大,所以在壩段固結(jié)灌漿施工期間,不得為追求灌漿效果而盲目增大灌漿壓力。根據(jù)對(duì)該水電站攔河壩固結(jié)灌漿混凝土蓋重抬動(dòng)活動(dòng)的模擬分析看出,蓋重混凝土結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力表現(xiàn)出較為迅猛的發(fā)展態(tài)勢(shì),抗拉安全系數(shù)取值均在1.0及以下,對(duì)結(jié)構(gòu)安全極為不利;在壩段地基地質(zhì)條件不良的影響下,灌漿施工部位先后表現(xiàn)出較為嚴(yán)重的串孔問(wèn)題,一系列誘因必然引起倉(cāng)面裂縫。為有效防止固結(jié)灌漿施工過(guò)程中裂縫的發(fā)生,必須在施工 開(kāi)始前展開(kāi)深入細(xì)致的地質(zhì)勘查,結(jié)合具體的地質(zhì)條件擬定合適的灌漿施工方案并確定相應(yīng)注漿壓力,避免造成因地基過(guò)大變形而引發(fā)的抬動(dòng)位移?？紤]到壩段混凝土拉應(yīng)力對(duì)溫度荷載較為敏感,故該工程壩段固結(jié)灌漿施工應(yīng)盡可能避開(kāi)高溫季節(jié),或采取嚴(yán)苛的溫控措施,將混凝土各項(xiàng)指標(biāo)取值控制在合理范圍內(nèi)。