水布埡面板堆石壩施工期裂縫成因及處理措施

羅福海 張保軍 夏界平

(1.長江勘測規劃設計研究院,湖北武漢 430010;2.長江水利委員會長江科學院,湖北武漢 430010;3.長江三峽勘測研究有限公司,湖北武漢 430010)

水布埡面板堆石壩施工期裂縫成因及處理措施

羅福海1張保軍2夏界平3

(1.長江勘測規劃設計研究院,湖北武漢 430010;2.長江水利委員會長江科學院,湖北武漢 430010;3.長江三峽勘測研究有限公司,湖北武漢 430010)

在清江水布埡面板堆石壩施工過程中,由于受混凝土干縮、溫度應力及堆石壩壩體沉降變形的影響,導致大壩面板產生了不同程度的裂縫。設計單位在分析了裂縫成因的基礎上,針對不同類型裂縫的性質和裂縫的寬度,制定了切實可行的處理方案,通過修補,這些裂縫都呈閉合狀態,可滿足工程安全運行的需要。

鋼筋混凝土;面板堆石壩;大壩面板;面板裂縫;處理措施;水布埡水利樞紐;清江

水布埡大壩為混凝土面板堆石壩,壩頂高程409.0 m,最大壩高 233.0 m。壩頂設 L型防浪墻,墻高5.4m,墻底高程為405.0m。上游壩坡為1∶1.4,下游平均壩坡為 1∶1.46。水庫正常蓄水位為400.00m,設計洪水位為402.20m,校核洪水位為404.00m。

大壩典型剖面見圖 1。大壩填筑總量 1 570萬m3,面板總面積 13.87萬 m2,厚度 0.3～ 1.1m,最大斜長392.27m。面板混凝土分 3期澆筑:2005年 1月 6日 ～3月 27日,從 177m處澆筑第 1期面板,面板頂部高程 278m;2006年 1月 21日 ～4月 1日,澆筑第 2期面板,面板頂部高程 340m;2007年 1月 4日 ～3月 28日,澆筑第 3期面板,面板頂部高程 405 m[1,2]。大壩面板及填筑分期示意見圖 1。

1 面板裂縫分布狀況

2005年 3月,在第 1期面板施工結束后,于壩前鋪蓋填筑前,檢查發現第 1期面板有 5條裂縫,其中 1條為Ⅱ類裂縫,其余均為Ⅰ類裂縫;6月對面板225 m高程以上進行了全面檢查,發現有 255條裂縫,其中Ⅰ類裂縫有 195條,Ⅱ類和Ⅲ類裂縫有 60條;2007年 3月,對第 1期面板重新檢查發現,面板頂部 270～278 m高程新增裂縫 23條,均為Ⅰ類裂縫;第 1期面板共發現 283條裂縫,其中Ⅰ類裂縫有222條,Ⅱ、Ⅲ類裂縫有 61條,裂縫分布見圖 2。

圖1 大壩面板及填筑分期示意

圖2 第 1期面板裂縫分布示意

圖3 第 2期面板裂縫分布示意

圖4 第 3期面板裂縫分布示意

對第2期面板進行檢查時,共發現了12條裂縫,其中Ⅰ類裂縫有 4條,Ⅱ類裂縫有 8條,裂縫分布見圖 3。

2007年 6月 ～8月,對第 3期面板進行初次檢查時發現了 344條裂縫,其中Ⅰ類裂縫有 293條,Ⅱ類裂縫有 44條,Ⅲ類裂縫有 7條;2008年 4月 ～6月,利用水庫低水位時再次進行檢查,發現有 275條表面裂紋(按Ⅰ類裂縫處理)。第 3期面板共發現了裂縫 619條,裂縫分布見圖 4。

經檢查,水布埡大壩面板共發現裂縫 914條,其中Ⅰ類裂縫有 794條(含裂紋 275條),Ⅱ類和Ⅲ類裂縫有 120條。

2 面板裂縫成因分析

2.1 結構性裂縫

面板上的裂縫大多為結構性裂縫,主要是面板在外力作用下產生的。發生裂縫的原因,首先是受面板下部的堆石支撐體自重及變形的影響;其次,是在大壩蓄水過程中,在上游水位升降變化等外荷載的作用下,堆石壩體產生不均勻沉降和水平變形,導致面板和墊層之間出現脫空,改變了面板的受力狀態,面板上的作用荷載產生的應力大于混凝土的抗拉強度后便會產生裂縫。結構性裂縫會使面板后期呈規律性地開裂,一旦發生此類裂縫,面板將可能產生貫穿性的張裂。經過對水布埡大壩面板進行多次多方式的檢查,確認大壩面板沒有出現貫穿性裂縫。

2.2 干縮和溫度應力影響

為了防止在混凝土澆筑過程中受溫度的影響,大壩面板澆筑期都選擇在最低氣溫的 1～3月間施工。大壩混凝土面板澆筑初期的 3～6個月內,面板開始產生表面裂縫,且多呈龜裂狀、淺層裂縫性質,可看出不連續性。經分析,認為面板混凝土干縮和溫度應力是造成面板非結構性裂縫的主要原因之一。因為:

(1)大壩面板一般較寬,而厚度卻相對很薄,混凝土澆筑施工時通常是采用滑模方式,滑模在上升過程中由于機械行走速度不均勻,容易造成混凝土入倉后的均勻性差;

(2)混凝土表面采用人工抹平,膠凝材料及含水量與內部結構存在著明顯的差異,繼而誘發了干縮裂縫發生;

(3)溫度應力受大氣溫度與材料的影響,初期混凝土內部水化熱上升,外部大氣溫度較低,溫差引起的溫度應力導致大壩面板產生裂縫。

2.3 壩體沉降變形影響

眾所周知,大壩堆石壩體在碾壓填筑施工過程中主要會產生沉降變形,其次為水平變形。堆石壩體的增高與下沉量呈正比例關系,但這種變形增量初期較明顯,后期逐漸衰減,1～2 a后則趨于穩定狀態。大壩上部區域受壩體沉降和位移變形的影響大于下部,這也是水布埡大壩第 1期大壩面板高程235～240 m、260～270m,第 3期面板高程 370 m以上區間產生裂縫分布較集中的主要原因。在第 2期面板施工時,將施工平臺由第 1期高出面板頂部 10 m改為 20m,且在高程 320 m處應力最大區域設置了 1條永久水平縫;壩體填筑采用“反抬法”,抬高壩體后部的填筑高度,以減少施工期壩體向上游的水平位移。采取此綜合措施以后,第 2期面板只出現了 12條裂縫。

2.4 兩岸壩坡地形影響

大壩兩岸為非對稱“V”字形,左岸陡峻,右岸280m高程以上比較平緩。在壩體沉降變形過程中,受壩體重心的作用,在大壩垂直和水平變形的影響下,壩體還存在偏左斜向變形。從圖 5大壩面板裂縫的分布情況來看,裂縫集中在中偏左,且有斜豎向分布。因此可以認為,壩坡不對稱也是產生裂縫的因素之一。

3 面板裂縫處理措施

3.1 裂縫性質

對出現的裂縫采用鉆孔取芯或鉆孔超聲波進行了深度和寬度檢測,檢測確定的(第 1期)大壩面板最大裂縫寬度為0.70 mm,最大深度為 55.0 cm,其中的大部分為表面淺層裂縫和裂紋,它們占裂縫總數的86.87%。未發現水平和垂直貫穿性裂縫,也就是說,已經出現的Ⅱ、Ⅲ類裂縫仍在設計預測的范圍以內。

圖5 高程 280m以上面板裂縫分布示意

3.2 裂縫分類

根據大壩面板受力特點和滿足結構耐久性的要求,結合其他工程經驗,以及水布埡大壩面板出現的裂縫性質、規模等具體情況,可將裂縫分為以下 3類:

(1)Ⅰ類裂縫(淺層裂縫),其表面縫寬 δ≤0.1mm;

(2)Ⅱ類裂縫,表面縫寬0.1mm≤δ＜0.3 mm,縫深 h≤30 cm;

(3)Ⅲ類裂縫,表面縫寬 δ≥0.3mm,或縫深 h＞30 cm。

3.3 處理措施

對于Ⅰ類裂縫,沿縫口表面兩側 10 cm寬的范圍內,用人工將裂縫打磨,并刷洗干凈,然后涂刷液體橡膠把裂縫填平,再在液體橡膠上面涂刷一層水泥基滲透結晶型防水涂料。

對于Ⅱ、Ⅲ類裂縫,沿縫口鑿寬 5～10 cm、深 5～6 cm的“V”型槽后,再實施嵌縫、埋管,進行化學灌漿。化學灌漿材料選用 CW低粘度環氧,在裂縫表面涂刷液體橡膠,采用 PSI-tape裂縫快速修補帶進行封閉處理,最后在其上涂刷一層水泥基滲透結晶型防水涂料。

4 限制產生面板裂縫的措施

與一般鋼筋混凝土結構的相比,水布埡混凝土面板堆石壩面板的長寬比更大,因此在壩體填筑期和蓄水之后,由于受不均勻沉降,大壩內、外壓力不同步等外荷載變形的影響,以及受混凝土自身體積變形、干縮、溫度應力等因素的影響,可能會產生不同程度和不同類型的裂縫[3],通過水布埡面板堆石壩的工程實踐,認為采用以下工程措施可以限制和減少面板裂縫的產生。

(1)除了工程需分階段施工以確保安全度汛以外,壩體填筑宜盡可能地平行上升。

(2)分期面板施工時,施工平臺宜高出面板頂部 20m左右,且有不少于 3個月的初期沉降變形期,條件許可時,半年左右時間更好,這樣可減少面板頂部區因初期沉降變形產生的裂縫。

(3)必要時,在壩體最大應力區的 1/3壩高部位,設置水平變形縫,以釋放部分變形應力。水布埡第 2期面板總共只出現 12條裂縫就證明了這一措施的必要性。

(4)有條件時,在壩體最大應力區的一定高度內,實施前低后高的“反抬式填筑法”,可減小壩體初期向上游方向的反向變形,從而減少面板結構在脆弱的初期承受荷載變形所產生的裂縫。

(5)在分期面板的底部、頂部 20 m左右區域布置雙層雙向結構鋼筋,且宜細不宜粗,以滿足施工剛度需要即可。

(6)嚴格控制混凝土入倉坍落度和滑模的提升速度,嚴格控制施工質量,盡可能減少人工抹制表面。在大壩面板混凝土中摻加聚丙烯腈纖維,表面涂刷水泥基滲透結晶型涂料,可以提高混凝土的抗裂性能和早期強度。

(7)大壩兩岸壩坡盡可能地對稱,補坡宜緩不宜陡,從技術經濟角度考慮,以控制在 1∶0.5為宜。

(8)面板混凝土澆筑后應及時采取保溫保濕措施,收倉 3 d后,可采用流水養護。在面板頂部至水位變幅區,應設置永久降溫噴淋設施,以備夏季高溫期降溫防裂;如有條件,在此區域也可布置防寒設施,防止溫度過低時產生凍裂。

5 結 語

大壩混凝土面板是堆石壩的防滲主體結構,大壩面板無論是否采用分期施工,都將會產生壩體沉降變形,而壩體的沉降變形將可能會導致混凝土面板產生不同程度的裂縫。通過調整施工程序,合理提高面板施工平臺與分期面板頂部的高差,適當增加停歇期,在壩體最大應力區部位設置永久水平變形縫,在適當區域對壩體采用“反抬法”進行施工填筑,對兩岸壩坡進行適當整修和補坡處理;在面板混凝土中采取摻用聚丙烯腈等綜合措施,可有效地減少大壩混凝土裂縫的產生和防止面板出現脫空現象,確保大壩處于安全運行狀態。

[1]董育堅,孫文娟,蔡金燕.水布埡高土石壩科技攻關[J].人民長江,1998(8).

[2]廖仁強,譚界雄,王 萍.水布埡混凝土面板堆石壩設計[J].人民長江,1998(8).

[3]陳圣平,劉俊義.混凝土面板堆石壩填筑施工[J].人民長江,1998(6).

TV 641.43

A

1006-0081(2010)12-0005-04

2010-10-28

羅福海,男,長江勘測規劃設計研究院水布埡工程設計代表處處長,高級工程師.

(編輯:趙秋云)