彭 浩

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550081)

1 引 言

混凝土面板作為面板堆石壩最重要的防滲體結(jié)構(gòu),裂縫是其最為常見(jiàn)的病害之一[1-3],如果面板裂縫不能得到及時(shí)有效的處理而任其發(fā)展,將形成不可逆的變形破壞而危及大壩的安全,造成巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失。

目前,對(duì)于混凝土面板開(kāi)裂原因的研究主要集中在以下幾個(gè)方面:壩體變形、約束應(yīng)力、溫度應(yīng)力、施工工藝等。其中對(duì)于施工工藝改進(jìn)和壩體變形控制的研究較多[4-8],并取得了大量有益的成果,為推動(dòng)我國(guó)面板堆石壩面板裂縫控制技術(shù)的進(jìn)步作出了積極貢獻(xiàn)。隨著我國(guó)筑壩技術(shù)水平的進(jìn)步,人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到約束應(yīng)力、溫度應(yīng)力對(duì)面板結(jié)構(gòu)的影響。張猛等[9]研究了溫度應(yīng)力、長(zhǎng)期高水位、壩軸向結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)公伯峽大壩面板結(jié)構(gòu)的影響,認(rèn)為面板裂縫是三者共同作用的結(jié)果;王強(qiáng)等[10]分析了黃南水庫(kù)面板裂縫分布特征,提出環(huán)境溫度是面板產(chǎn)生裂縫的主因,同時(shí)相鄰面板間的約束作用會(huì)加劇裂縫的發(fā)展?？梢?jiàn)約束應(yīng)力和溫度應(yīng)力是導(dǎo)致面板開(kāi)裂不可忽視的影響因素。

本文以?shī)A巖水利樞紐工程大壩混凝土面板裂縫為研究對(duì)象,通過(guò)安全監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)技術(shù)手段相結(jié)合的方式,深入分析了大壩壩體沉降、面板撓度及脫空變形、面板混凝土應(yīng)力應(yīng)變及鋼筋應(yīng)力、環(huán)境溫度和澆筑溫度對(duì)面板結(jié)構(gòu)的影響,找出了引起大壩面板開(kāi)裂的主要原因,為后續(xù)面板施工裂縫防治提供科學(xué)依據(jù),確保工程長(zhǎng)期運(yùn)行安全。

2 工程概況

夾巖水利樞紐工程大壩為混凝土面板堆石壩,最大壩高154.0m,大壩上游面為C30鋼筋混凝土面板,面板底部坡比為1∶1.4,頂部坡比為1∶1.406;面板厚度T=0.4～0.923m,布置雙層雙向鋼筋。面板共分為46塊:左、右岸受拉區(qū)分別為22塊、18塊,寬度8m;河床受壓區(qū)分為6塊,寬度12m。面板與墊層料之間設(shè)置梯形斷面擠壓邊墻,上寬100mm,下寬660mm,高400mm,外坡1∶1.4,內(nèi)坡垂直。趾板采用平趾板。

2019年3月7日,大壩一期面板開(kāi)始施工,至4月26日澆筑完成,6—7月開(kāi)展大壩面板裂縫現(xiàn)場(chǎng)檢查,發(fā)現(xiàn)一期面板出現(xiàn)裂縫49條,裂縫寬度均小于0.2mm,屬A類(lèi)裂縫。裂縫主要分布在8塊面板中,其中47條出現(xiàn)在Ⅱ序塊面板,2條出現(xiàn)在Ⅰ序塊面板。面板裂縫分布情況見(jiàn)圖1。

圖1 大壩一期面板裂縫分布

3 基于監(jiān)測(cè)成果的面板裂縫成因分析

3.1 壩體變形的影響

大壩一期面板開(kāi)始施工前,壩體預(yù)留自然沉降期約6個(gè)月,最大月沉降量4.53mm,填筑加高12m,具備澆筑面板的條件。為此,主要分析一期面板開(kāi)始澆筑至發(fā)現(xiàn)裂縫期間的壩體變形情況對(duì)面板結(jié)構(gòu)的影響程度。

由圖2、圖3可知,一期面板在3月7日—4月26日澆筑期間,面板以下高程1218.00m堆石體沉降增大7.19mm,高程1235.00m堆石體沉降增大8.20mm。恢復(fù)填筑后,至發(fā)現(xiàn)裂縫期間,面板以下堆石體沉降量未發(fā)生明顯增大,裂縫數(shù)量亦未增加,同時(shí)裂縫絕大部分發(fā)生在Ⅱ序面板上,因此大壩沉降變形對(duì)面板結(jié)構(gòu)的影響有限,并非面板裂縫產(chǎn)生的主要原因。

圖2 高程1218.00m面板下覆壩體沉降變化

圖3 高程1235.00m面板下覆壩體沉降變化

3.2 面板撓度及脫空變形的影響

為監(jiān)測(cè)面板撓度變形,在一期面板橫左樁號(hào)0+005的高程1175.00m、1184.00m、1190.00m、1196.00m、1202.00m、1208.00m、1214.00m、1220.00m、1225.50m、1230.50m、1235.50m、1240.50m、1245.50m、1251.50m處各布置1支電平器,共計(jì)布置14支電平器。為監(jiān)測(cè)面板脫空情況,在一期面板橫左樁號(hào)0+005的高程1220.0m、1251.0m,橫左樁號(hào)0+040、橫右樁號(hào)0+040、橫左樁號(hào)0+072、橫右樁號(hào)0+072的高程1251.0m處各布置1組脫空計(jì),共計(jì)6組脫空計(jì)。面板撓度、脫空變形監(jiān)測(cè)儀器布置及面板裂縫分布見(jiàn)圖4。

圖4 面板撓度、脫空變形監(jiān)測(cè)儀器布置及面板裂縫分布

由圖4可知,一期面板MB26共發(fā)現(xiàn)14條裂縫,有9條集中在高程1206.00～1235.00m之間。由圖5可知,面板在高程1175.00～1208.00m區(qū)間變形較小;高程1208.00m至頂部,表現(xiàn)為一定的上撓,整體分布規(guī)律合理。雖然裂縫主要集中在面板上撓區(qū)域,但歷次最大上撓量為11.9mm,僅占面板長(zhǎng)度的1/10000,因此上撓對(duì)面板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫影響有限。

圖5 一期面板撓度分布

由圖6可知,面板高程1251.5m的實(shí)測(cè)脫空變形為-2.56～1.03mm,剪切變形為3.77～15.17mm;高程1220.0m的實(shí)測(cè)脫空變形為-0.08mm,剪切變形為1.50mm,表明面板無(wú)明顯脫空與剪切變形,不會(huì)引起面板開(kāi)裂。

圖6 面板脫空、剪切變形變化過(guò)程線

3.3 面板應(yīng)力應(yīng)變的影響

大壩一期面板鋼筋計(jì)布設(shè)在橫左樁號(hào)0+006、橫左樁號(hào)0+072、橫右樁號(hào)0+072斷面,共安裝8組雙向鋼筋計(jì),共計(jì)16支。同時(shí)在鋼筋計(jì)組附近部位,同步安裝4組兩向應(yīng)變計(jì)組、2套無(wú)應(yīng)力計(jì),面板應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)儀器布置與面板裂縫分布見(jiàn)圖7。

圖7 面板應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)儀器布置與面板裂縫分布

由表1和表2可知,一期面板裂縫部位的Ⅱ序混凝土主要為壓應(yīng)變,最大壓應(yīng)變?yōu)?281.5×10-6(最長(zhǎng)面板,高程1220.00m處),同部位鋼筋計(jì)歷史實(shí)測(cè)最大拉應(yīng)力為100.53MPa,鋼筋拉應(yīng)力主要表現(xiàn)為:順坡向大于水平向、上層大于下層,靠近兩岸的MB18、MB33上鋼筋拉應(yīng)力明顯小于中部MB26,中部、低高程的面板受到約束的影響比兩岸、端部的大。Ⅱ序在澆筑初期受到的約束條件比Ⅰ序復(fù)雜,其不僅受到底面約束,還一定程度上受到兩側(cè)約束,局部強(qiáng)約束可能是誘發(fā)面板開(kāi)裂原因之一。

表1 面板鋼筋計(jì)組觀測(cè)成果

表2 面板應(yīng)變計(jì)組觀測(cè)成果

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)簡(jiǎn)介

為進(jìn)一步分析大壩一期面板裂縫產(chǎn)生原因,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn),按比例復(fù)制面板模型,以此為基礎(chǔ)分析Ⅰ序、Ⅱ序面板在不同條件下裂縫的發(fā)生情況,判斷大壩一期面板裂縫產(chǎn)生的原因,以便為二期面板施工提供有效的應(yīng)對(duì)措施。

本次試驗(yàn)位置選定在溢洪道下游消能防護(hù)區(qū)左岸邊坡,布置在高程1220.00～1230.00m處。面板試驗(yàn)區(qū)總共5塊,分兩序跳倉(cāng)澆筑,單塊寬度4.0m,垂直高度10.0m,斜長(zhǎng)14.87m,面板厚度0.8m,總體寬度20m。面板試驗(yàn)區(qū)間采用大壩面板壓性縫布置形式,為便于對(duì)比分析,對(duì)混凝土配合比進(jìn)行調(diào)整,其中1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)面板與大壩面板完全一致,4號(hào)、5號(hào)面板不添加防裂劑,見(jiàn)表3。

表3 面板試驗(yàn)塊混凝土配合比

2019年11月27日一期面板試驗(yàn)區(qū)開(kāi)始澆筑,采用5t自卸車(chē)運(yùn)輸至施工作業(yè)面,35t汽車(chē)起重機(jī)配合2.0m3吊罐吊裝入倉(cāng),蓋模澆筑法澆筑。2019年12月18日一期面板試驗(yàn)混凝土全部澆筑完成。面板試驗(yàn)塊現(xiàn)場(chǎng)情況見(jiàn)圖8。

圖8 面板試驗(yàn)塊現(xiàn)場(chǎng)情況

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果分析

在試驗(yàn)塊上布置必要的監(jiān)測(cè)儀器設(shè)施來(lái)獲取原始觀測(cè)數(shù)據(jù),探尋面板變形及應(yīng)力應(yīng)變的產(chǎn)生、發(fā)展和分布規(guī)律,以期為面板裂縫成因分析提供數(shù)據(jù)支撐。為分析混凝土應(yīng)力應(yīng)變情況,在Ⅰ序塊、Ⅱ序塊的中部各布置1套兩向應(yīng)變計(jì)組,共布置4套兩向應(yīng)變計(jì)組。為分析鋼筋應(yīng)力情況,在Ⅰ序塊、Ⅱ序塊布置兩向應(yīng)變計(jì)組,同部位的鋼筋上各布置1套雙向鋼筋計(jì),共布置5套雙向鋼筋計(jì)。

由表4可知,試驗(yàn)Ⅰ序塊混凝土澆筑后,水平向主要呈微膨脹狀態(tài),最大拉應(yīng)變?yōu)?3.1×10-6,之后隨著混凝土降溫收縮,拉應(yīng)變逐步減小至27.1×10-6。Ⅱ序塊混凝土澆筑后,水平向主要呈現(xiàn)微壓縮狀態(tài),最大壓應(yīng)變?yōu)?29.4×10-6,之后隨著混凝土降溫收縮,壓應(yīng)變逐步減小至為-25.4×10-6。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),混凝土水平向應(yīng)變由Ⅰ序受拉變?yōu)棰蛐蚴軌?與自由狀態(tài)下混凝土澆筑初期變化規(guī)律不同,主要原因是Ⅱ序在澆筑初期受到底面約束,并且還在一定程度受到兩側(cè)約束。順坡向的混凝土應(yīng)變變化規(guī)律與水平向一致,同時(shí)添加防裂劑的面板混凝土順坡向主要表現(xiàn)為拉應(yīng)變,表明防裂劑的膨脹性對(duì)混凝土收縮起到一定的補(bǔ)償作用。同時(shí)期鋼筋應(yīng)力,水平向?yàn)?7.3～12.6MPa,順坡向?yàn)?11.4～16.1MPa,各方向鋼筋應(yīng)力處于較低水平,且與混凝土應(yīng)變一致。試驗(yàn)塊應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于一期面板,且受約束和添加防裂劑對(duì)混凝土應(yīng)變有直接影響。

表4 面板試驗(yàn)塊監(jiān)測(cè)特征值統(tǒng)計(jì)

由表5可知,試驗(yàn)塊澆筑期間的環(huán)境溫度明顯低于一期面板澆筑期間的溫度;試驗(yàn)塊混凝土入倉(cāng)溫度比一期面板澆筑期的溫度普遍低10℃左右,最大溫差22℃;試驗(yàn)塊混凝土澆筑后,水化熱最大溫度普遍比一期面板低10℃,最大溫差19.2℃。因此,一期面板混凝土絕熱溫升、內(nèi)外溫差及溫降引起的干縮變形和溫度應(yīng)力對(duì)面板所產(chǎn)生的影響要比試驗(yàn)塊顯著。

表5 一期面板與試驗(yàn)塊溫度對(duì)比 單位:℃

5 結(jié) 語(yǔ)

a.基于監(jiān)測(cè)成果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)看,引起面板淺表層出現(xiàn)裂縫的主要原因?yàn)闇囟?澆筑環(huán)境溫度、入倉(cāng)溫度以及混凝土溫降所引起的干縮變形和溫度應(yīng)力對(duì)面板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接影響,而壩體沉降、面板撓度及脫空變形均不是面板產(chǎn)生裂縫的主要原因。

b.面板在受到局部約束情況下,混凝土水平向應(yīng)變與自由狀態(tài)下的變化規(guī)律不同,即可由Ⅰ序受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)棰蛐蚴軌籂顟B(tài);添加防裂劑對(duì)混凝土收縮起到了一定的補(bǔ)償作用,表現(xiàn)為混凝土順坡向主要為受拉狀態(tài)。因此,工程中應(yīng)避免出現(xiàn)強(qiáng)約束情況,并合理添加防裂劑,以防止對(duì)面板產(chǎn)生不利影響。

本文主要根據(jù)實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析引起面板開(kāi)裂的原因,而壩址左右岸地形不對(duì)稱(chēng)、擠壓邊墻設(shè)置不合理、外加劑添加不當(dāng)、澆筑及養(yǎng)護(hù)控制不力等均有可能引起面板混凝土開(kāi)裂,后續(xù)可進(jìn)一步深入研究。