三灣水利樞紐工程混凝土裂縫研究

舒 鐵，李國棟，曹 剛

（遼寧省水利水電勘測設計研究院,遼寧 沈陽 110006）

1 混凝土裂縫

三灣水利樞紐工程位于遼寧省丹東市愛河干流下游，主要以承擔丹東市城市供水為主，兼顧發電。三灣水利樞紐工程規模為大（2）型，水庫總庫容1.54億m3，主要包括擋水壩段、取水壩段、泄洪閘、電站廠房和取水泵站等建筑物。工程于2009年初開工建設，預計2012年底竣工。

2009年汛期后，發現泄洪閘和擋水壩段出現混凝土裂縫。每孔泄洪閘、壩段由下部溢流堰和上部閘墩組成，溢流堰為開敞式平頂堰，上、下游方向長30.5 m，平行壩軸線方向寬18.6 m，溢流堰體最小厚度為2.8 m，已澆筑混凝土厚度2.0 m。每個擋水壩段平行壩軸線方向長16.0 m，上、下游方向底寬約15.0 m，最大壩高約25.0 m，已澆筑混凝土厚度10.0 m。其中13號、14號泄洪閘、壩段溢流堰體澆筑層水平面中部出現垂直壩軸線方向的貫穿性裂縫，縫長約30.5 m，縫深約1.0 m，縫寬小于1.0 mm。15～20號泄洪閘、壩段堰體距上游面約10.0 m處，澆筑層水平面各出現一條平行壩軸線方向的局部表面裂縫，裂縫長度約9.0 m，縫深約0.1 m，縫寬小于1.0 mm。28～30號擋水壩段各出現1～2條豎向、垂直壩軸線方向裂縫，裂縫均位于壩段上游面，縫長約4.0 m，縫深為1.0 m，縫寬小于1.0 mm。

2 裂縫成因分析

混凝土裂縫成因復雜，多種因素相互影響，對工程裂縫，從混凝土原材料、倉面澆筑質量、地基條件和溫度應力等方面進行了分析。

1）原材料及施工質量。采用PO42.5級普通硅酸鹽水泥，未摻加粉煤灰和抗裂劑，導致混凝土內部水化熱溫升過高。混凝土澆筑過程中以振搗代平倉，漏振；分段澆筑時，接頭部位漏振；混凝土表面局部存在蜂窩、麻面，裂縫部位混凝土芯樣存在骨料分離、膠結不良、氣泡等，影響了混凝土質量，增加了混凝土開裂的可能性。

2）地基條件。13號、14號泄洪閘、壩段地基處于強風化囊區，強風化巖軟化后易引起壩基不均勻變形。基礎高低起伏很大及巖石有尖角，易引起應力集中。壩基開挖后，淺表層巖體可能出現卸荷松弛現象，建基面附近的不均勻殘余變形對混凝土澆筑層產生頂托作用，混凝土開裂與卸荷松弛變形有一定關系。壩段基礎進行了加密、加深固結灌漿處理，固結灌漿漿液對淺表基巖中水平裂隙產生壓力充填作用，相對抬升巖面，沿片巖條帶產生垂直向上的不均勻頂托力，在混凝土表面產生附加拉應力，固結灌漿是混凝土裂縫產生的誘發因素。其它壩段建基面以弱風化花崗巖為主，地基條件較好，裂縫多為局部表面裂縫，所以13號、14號泄洪閘、壩段的貫穿性裂縫和不良地基條件有很大關系。

3）溫度作用。混凝土的溫度變化，引起混凝土體積變形，如變形受到地基或內部約束便產生溫度應力。當溫度應力為拉應力并超過混凝土的抗拉強度時，就產生裂縫。澆筑層內部的溫度應力主要受水化熱溫升控制，表面溫度應力主要受內外溫差控制，當表面被上層混凝土覆蓋后，受之影響，拉應力迅速降低，并轉化為壓應力。

該工程出現裂縫的壩段澆筑時間在春、夏季，白天氣溫較高、晝夜溫差大，施工過程中未采取有效措施降低澆筑溫度、減少混凝土水化熱溫升，混凝土內部溫度過高。澆筑后拆模時間過早，混凝土表面未進行保護，汛期停工沒有繼續向上澆筑新混凝土。泄洪閘溢流堰體初期澆筑層厚度為2 m，薄層混凝土受基巖約束也較大。所以由內外溫差和基礎溫差共同作用引起的溫度拉應力，是導致混凝土裂縫的主要原因。

3 裂縫處理方案

貫穿性裂縫破壞結構的整體性和穩定性，造成漏水和滲透侵蝕破壞，危害性嚴重。上游壩面表面裂縫也會加劇滲漏，處于基礎或老混凝土約束范圍內的表面裂縫，在內部混凝土降溫過程中，可能發展為貫穿性裂縫。處理裂縫的方法，應根據裂縫深度、部位、將來的受力條件及當時的施工條件來選定，本工程采用如下裂縫處理方案：

1）表面裂縫。對于15～20號泄洪閘、壩段溢流堰體的平行壩軸線方向裂縫，延裂縫方向鑿斷面為上寬下窄的梯形槽，上口寬10 cm，底部應有一定的寬度，避免出現新的應力集中點，槽深不小于縫深，縫上扣直徑20 cm半圓鋼管。在裂縫上方鋪設兩層限裂鋼筋網，下層鋼筋距混凝土面15 cm，層間距20 cm，主筋為Ф25的鋼筋，水平間距15 cm，垂直裂縫布置，鋼筋長度4.0 m（以裂縫為中心，縫兩側各2.0 m）；分布筋為Ф14的鋼筋，間距20 cm，鋼筋網需超過裂縫端部（裂縫發展方向一端）1.5 m。

對于28～30號擋水壩段垂直壩軸線方向的頂面裂縫（壩體上游面劈頭縫），不鑿槽扣管，直接在裂縫上方鋪設兩層限裂鋼筋網。對于其它上游表面裂縫處理方法，首先作表面清理，用高壓水槍進行沖洗；然后用水充分浸透基層混凝土，不得用酸洗；最后涂刷防水材料，裂縫兩側各0.25 m、縫兩端各延伸0.5 m的范圍，涂刷HK-962增厚環氧涂料。

2）貫穿性裂縫。對于13號、14號泄洪閘、壩段溢流堰體的垂直壩軸線方向裂縫，采用化學灌漿處理。灌漿材料選用水溶性聚氨脂（LW，HW兩種），該材料具有良好的親水性，遇水能均勻地分散乳化，進而凝膠固化。LW固結體為水脹性的彈性體，適應變形能力強、可遇水膨脹，具有彈性止水和以水止水雙重功能；HW漿液可灌性好、強度高、對潮濕面的粘結力強；補強加固以HW為主，防水堵漏以LW為主。考慮到凝膠的固結體需具有一定的自脹性和強度，采用漿液重量配比為LW∶HW=4∶1。

化學灌漿采用斜向鉆孔方法，鉆孔間距為40～100 cm，具體尺寸可視現場實際滲漏情況調整。使用電錘等鉆孔工具沿裂縫兩側進行鉆孔，鉆頭直徑為14 mm，孔位距裂縫13～15 cm，鉆孔角度在450～600之間，鉆孔穿透裂縫，一般超過10～20 cm。鉆孔完成后采用0.2 MPa高壓水清理表面裂縫，完畢將沖洗槍頭與灌漿嘴連好，采用高壓水灌注，孔內達到飽和狀態。進行化學灌漿時，漿液溫度的確定應有利于延長其凝結時間、降低漿液粘度，并不得高于20℃。灌漿壓力對縫寬大于0.5 mm的較寬裂縫，采用0.5 MPa，縫寬小于0.5 mm細裂縫，宜采用較大壓力高壓灌漿（壓力不大于1.0 MPa）。灌漿壓力應逐級升級至設計壓力值。灌漿順序按“由里及表，自下而上，由一端至另一端”的原則有序進行，以單孔或多孔并灌的進漿方式進行，灌漿結束標準為孔內不吸漿后結束。化學灌漿結束7 d后，采用壓水試驗的方法進行灌漿質量檢查，壓水檢查壓力0.2 MPa，合格標準為透水率不大于0.01 L/（min·m·m）。化學灌漿應在固結及帷幕灌漿完成后進行，化學灌漿完成后仍延裂縫鋪設兩層限裂鋼筋網。

4 裂縫預防措施

今后施工期間，為防止和減少混凝土裂縫的發生，需從結構設計、原材料選用和施工溫度控制等方面采取措施。

1）結構方面。泄洪閘、壩段溢流堰下游側堰體厚度較薄，而堰體長度較大，承受外部荷載、基礎約束和溫度作用等，是裂縫易發生部位。為限制堰面混凝土裂縫，在下游側堰面垂直壩軸線方向布置3層限裂鋼筋，主筋為Ф25的鋼筋，鋼筋長度12 m，水平間距15 cm，層間距30 cm，分布筋為Ф20的鋼筋，間距可適當放寬。另外，在堰體中間部位預留1.5 m寬槽，上下游側的混凝土分別進行澆筑，待兩側混凝土溫度穩定后，再采用微膨脹混凝土進行回填，同時將兩側預留的鋼筋焊接在一起。

2）材料方面。合理選擇原材料，優化混凝土配合比，可使混凝土具有較高的抗裂能力。

①泄洪閘、堰體選用水化熱較低的PHM42.5級中熱硅酸鹽水泥，降低混凝土的水化熱溫升。

②混凝土配合比采用三級配，最大骨料粒徑為80 mm，可有效降低混凝土的絕熱溫升。

③摻加粉煤灰可以降低水泥用量，從而有效降低水化熱的峰值溫度，推遲水化熱溫峰的出現時間。

④摻用抗裂（膨脹）劑不僅能補償混凝土的收縮，而且能降低10%～15%左右的水化熱，更重要的是能降低混凝土的綜合溫差，使混凝土內部溫度與環境溫度控制在25℃以內，避免混凝土由于溫差過大而產生裂縫。泄洪閘、堰體混凝土中添加具有后期膨脹補償作用的抗裂劑，具體摻量經配合比試驗后擇優確定，收縮混凝土技術指標要求：水中14 d限制膨脹率不小于1.5×10-4；空氣中28 d限制干縮率不大于3.0×10-4。

3）溫控方面。施工過程中合理進行溫度控制，可有效減少由溫度作用產生的混凝土裂縫。

①壩體約束區及上部混凝土的最高允許澆筑溫度。泄洪閘、壩段基礎允許溫差取為23～26℃，基礎區的穩定溫度取為壩址區多年平均氣溫8℃，最高允許澆筑溫度為基礎溫差和該部位穩定溫度之和，即最高允許溫度為31～34℃。

②上下層溫差：根據規范的建議及其它工程經驗，結合該工程的具體情況，確定上下層溫差不得大于17℃。

③越冬混凝土表面保溫。內外溫差是引起混凝土表面裂縫的主要原因，必須對越冬混凝土進行表面保溫防護。保溫材料選用聚苯乙烯泡沫塑料板，材料厚度按照《混凝土重力壩設計規范》附錄F.3公式計算，約為50 mm。根據計算結果看，所需保溫材料較薄，但根據遼寧省已建的幾座混凝土壩的施工經驗看，按照計算結果所采用的保溫材料厚度不能完全滿足抗裂要求，所以，為確保大壩的越冬安全，參照其他工程經驗，保溫材料厚度取為100 mm。

④澆注層厚及層間間歇。在基礎約束區部位泄洪閘、壩段控制澆筑層厚不超過1.5 m，其它部位不超過2.0 m，夏季泄洪閘、壩段應不超過1.0 m，其它部位不超過1.5 m；層間間歇控制在7 d以上，約束區以上部位可適當放寬。

⑤相鄰壩塊的高差及澆筑間隔。施工過程中各壩塊應均勻上升，相鄰壩塊的高差不宜超過10 m，以減少混凝土側面暴露時間，相鄰壩塊澆筑時間的間隔宜小于30 d。

⑥降低混凝土的澆筑溫度，壩體內埋設冷卻水管通水冷卻，在新澆混凝土達到終凝后，對整個倉面進行薄層流水養生。

［1］中華人民共和國水利部，SL319-2005混凝土重力壩設計規范［S］.北京：中國水利水電出版社，2005.

［2］朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］.北京：中國電力出版社，1999.

［3］向弘.小灣拱壩澆筑初期裂縫分析［C］.昆明：水電國際研討會論文集，2006.

［4］張玉美.對閘墩裂縫原因及修補防裂措施的探討［J］.水利水電技術，1989.