萬安大壩左岸非溢流壩段裂縫成因分析及加固處理

曹勝中，肖 雨

（萬安水力發電廠，江西萬安343800）

0 前言

中國國電集團公司萬安水力發電廠位于贛江中游，南離贛州市90 km，北距南昌市320 km。

電站大壩全長1 104 m，最大壩高68.51 m，總庫容為22.16億m3，現裝機規模533 MW，多年平均發電量11.5億kW·h。電廠以發電為主，兼有防洪、航運、灌溉、養殖等綜合效益，是江西電網調峰、調頻、事故備用的主力電廠。

1 問題提出

2008年底，電廠管理人員在對擋水建筑物進行例行檢查時，發現左岸非溢流壩段（以下簡稱左非壩段）3～5號壩段臨空面存在大量裂縫。為研究裂縫成因及其危害性，判定其發展趨勢，制定裂縫處理加固措施，確保大壩運行安全，萬安水電廠致函長江勘測規劃設計研究有限責任公司（原設計單位），通報了左非壩段裂縫情況。長江設計公司分兩次派出專家和設計人員對現場進行考查調研后，提出了《萬安水電站左非壩段裂縫檢查技術要求》。

2 裂縫現場檢測

2.1 檢測方法

首先對大壩3～5號壩段上、下游面、壩頂表面、壩內廊道表面進行裂縫普查，檢查壩體裂縫條數及大致分布情況并結合壩體排水孔、表面滲水和溶出物情況進行綜合分析判斷，然后對記錄在案的裂縫進行詳查，詳查重點是裂縫寬度、深度和連通情況、漏水通道等。

裂縫深度檢查的方法是：用單面超聲平測法測定深度在50 cm以內的裂縫深度；用鉆孔超聲對測法、鉆孔取芯法測定深度大于50 cm的裂縫深度。為避免對大壩主體造成過度損傷，重點抽查代表性裂縫深度，先用鋼筋探測儀掃描鉆孔區域，避開鋼筋后進行鉆孔。

對壩頂裂縫深度大于50 cm的裂縫采取鉆孔超聲對測法，每個測點需鉆取2～3個孔，較長裂縫選取2～3個點，較短裂縫選取1個點。

對深度大于50 cm的壩體側面裂縫（垂直及水平裂縫），用鉆孔取芯法檢查裂縫深度，騎縫鉆孔，直至取出的芯體上無裂縫，即可確認此時孔深即為裂縫深度。

對下游面及廊道內裂縫，采取壓水法測試裂縫是否貫通，先做好一側裂縫表面的清潔工作，然后涂抹WSS密封膠，同時埋設注水嘴，利用注水器連接空壓機和注水嘴，將水壓入裂縫中，留意觀察另一側裂縫是否有滲水現象，即可判斷裂縫是否貫穿。

2.2 檢測依據及儀器

此次檢查主要依據GB/T 50344-2004《建筑結構檢測技術標準》、CECS21：2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》，使用的主要儀器有RS-ST01C型非金屬聲波檢測儀、徑向振動式換能器、DJCK-2型裂縫測寬儀、手持式激光測距儀、鋼筋探測儀、鉆芯取樣機、工程地質鉆機以及角磨機等。

2.3 檢測成果

檢測結果表明，左非3～5號壩段共發現裂縫103條，總長度973.3 m，裂縫寬度一般0.2～0.4 mm，最大深度為5.4 m，主要分布在壩體中部位置，中部較深，兩端較淺，壩體中部裂縫呈對稱狀分布。

3 裂縫成因分析

鑒于左非3號壩段裂縫條數多、寬度大，具有代表性，因此選擇該壩段作為裂縫分析研究對象，對其裂縫成因進行有限元計算分析。

通過三維溫度應力場仿真計算，重點對左非3號壩段壩頂面裂縫和下游面裂縫成因進行分析。基于瞬態溫度場和徐變應力有限元法，對3號壩段的溫度場與應力場進行了有限元仿真計算，考慮壩體施工進度、混凝土澆筑溫度、混凝土徐變等因素，模擬大壩分期施工和蓄水的全過程。計算結果表明：

（1）左非3號壩段壩頂的順流向裂縫、下游面的豎直裂縫、高程98.7 m的水平裂縫主要是溫度荷載引起的。

壩頂的壩軸向裂縫主要是由于冬季溫度下降，壩體下游面溫降收縮向下游變形，而上游面收縮向上游變形，則在壩體的中間部位產生較大的拉應力區域。

壩頂面的順流向裂縫與上、下游面的豎直向裂縫，當內外溫差較大時，壩體側向收縮變形受到限制，壩體中部為壩體內部混凝土自身約束最大的部位，一般在壩體中部會產生較大的拉應力，容易產生順流向裂縫與豎直向裂縫。

同時，在左非3號壩段左側存在比較大的臨空面，壩體左右側氣溫條件不一致，也是導致產生上述裂縫的原因之一。

高程98.7 m產生水平裂縫，主要有以下三方面原因：①夏季氣溫升高時，壩體表面溫度隨外界氣溫升高，壩體表層一定深度的熱膨脹受到壩體內部混凝土的約束，壩體表面處于受壓狀態，而壩體內部處于受拉狀態，在豎直方向上產生較大的拉應力；②由于內部溫度與表面溫度存在著一定的相位差，當外界溫度達到最高時，內部的溫度還正處于溫升階段，但是數值小于平均值，所以自身的溫度應力仍然為拉應力；③高程98.7 m為混凝土的弱結合面，上下澆筑時存在著兩個月的長間歇，當遇到較大的拉應力時，很容易產生水平裂縫。

（2）2008年的極寒天氣，氣溫在原本較低的基礎上5 d時間內又下降了4℃左右，且寒冷天氣持續時間較長，使壩體表面一定深度范圍內的拉應力明顯提高，正常年份壩體應力較大的部位，最大應力值提高了0.7 MPa左右。當拉應力超過混凝土抗拉強度時，混凝土發生開裂，壩體出現多條新裂縫。

（3）左非壩段施工和運行期，受溫度荷載的影響，在壩體表面或內部存在一定的拉應力區，拉應力的大小隨氣溫的變化而變化。有些部位拉應力數值比較大，甚至接近混凝土的極限抗拉強度。當這些大拉應力區遭遇混凝土薄弱部位（這些薄弱部位有的是施工質量缺陷造成的，有的是早期存在的微小裂縫），或者遭遇不利的外部溫度、邊界條件時（2008年初極寒天氣），在這些部位就會產生混凝土裂縫，或使原有的裂縫繼續擴展，形成危害裂縫。

4 裂縫危害性分析

裂縫危害性分析主要采用有限元混合法模擬裂縫的開裂、摩擦、接觸問題。該方法將作用在接觸體上的力系分解為外力和接觸界面上的接觸力，以接觸體的位移為基本未知量，以接觸區域局部坐標系下的結點接觸力為迭代變量，將非線性接觸迭代收縮在可能接觸面上進行，求解過程中總體剛度矩陣只需在迭代之前形成和分解一次，大大提高了計算效率。壩體混凝土以拉應力超過抗拉強度ft作為開裂判據，跟蹤模擬裂縫開裂擴展情況及對壩體應力等指標的影響。

（1）有限元計算成果表明，壩體頂部出現了較大的壩軸向裂縫，下游面出現了較長的豎直裂縫，計算得到的開裂范圍、開裂深度、縫面最大張開度與現場的實測情況基本相當。由于在非線性有限元計算中沒有考慮混凝土的軟化性能，所以得到的裂縫開裂深度一般要比實際情況略大。

（2）左非3號壩段頂面的順流向裂縫、壩軸向裂縫以及下游面的豎直裂縫，當遇到極寒天氣時，部分縫端仍有較大的拉應力存在，處于開裂的極限狀態，仍有進一步擴展的可能。壩體內部夏季存在較大拉應力的區域：在中間順流向剖面高程94.0～96.0 m之間存在著一個較大的拉應力區（壩軸方向正應力），中心點最大拉應力值有1.75 MPa；在壩軸向剖面高程97.0～98.0 m中間部位也存在一個較大拉應力區域（順河向正應力），最大法向拉應力有1.97 MPa。這些高應力區是壩體產生裂縫和使裂縫進一步擴展的隱患。

（3）當混凝土的抗拉強度由2.0 MPa調整到1.9 MPa時，壩頂的順流向裂縫、壩踵和下游面的豎直向裂縫都有不同程度的擴展。特別是壩軸向裂縫，由于存在側向臨空面，夏季在壩體高程97.0～98.0 m間的高應力區發生開裂，并迅速擴展至高程89.5 m，裂縫深度達14.5 m，說明了壩軸向裂縫對抗拉強度非常敏感，如果遇到一些特殊情況，壩軸向裂縫有可能再次發生大規模的開裂，對大壩運行安全產生不利影響。

（4）當水位抬升到100.0 m，壩體頂部和壩踵處拉應力（壓應力減小）都會有所增加，頂部的順流向裂縫和壩踵的豎直向裂縫都有一定程度的擴展。如果在水位抬升后碰到極寒天氣，頂面的順流向裂縫將擴展至上游面，形成豎直向裂縫，對壩體的耐久性將產生不利影響。

（5）有限元計算分析和鉆孔電視錄像均表明，壩體在高程98.7 m出現了較大規模的水平裂縫，且水平裂縫貫穿于整個壩面的可能性很大。這不僅削弱了大壩的整體性，且在壩前水位抬升后，同樣會對壩體的耐久性產生影響。

當遇到下列情況時，3號壩段危害性較大的裂縫，特別是順流向裂縫和壩軸向裂縫有可能進一步發展，應引起足夠的重視。

（1）在溫度疲勞荷載的作用下，裂縫縫端混凝土的抗拉強度有可能降低。

（2）再遇到極寒天氣或遇到地震荷載的作用。

（3）壩體在澆筑過程中，混凝土的強度具有一定的離散性。據《萬安水電站施工復查報告》，檢測到R90150號混凝土的最小抗壓強度為9.3 MPa，對應的抗拉強度只有0.74 MPa。如果裂縫由質量較好混凝土擴展至較差混凝土時，將引起壩體更大范圍的開裂。

（4）水位抬升至最終的設計水位100.0 m，或者遇到較高洪水位時，壩面溫度邊界條件的改變可能使裂縫進一步擴展。

5 裂縫處理設計

針對有可能導致裂縫進一步擴展的不利因素，確定左非壩段混凝土裂縫處理重點如下：

（1）針對壩頂的順流向裂縫和下游的豎直裂縫，以降低縫內孔隙水壓力為目的的裂縫防水排水處理。

（2）針對危害性較大的裂縫，以穩定裂縫、限制其進一步發展為目的進行結構處理。

（3）針對上游壩面水平裂縫和豎直裂縫，以降低壩體內滲壓力為目的進行防、排水處理。

（4）針對屬于“活縫”的水平層間縫，采取能適應其變形的處理措施。

（5）為改善不利的溫度邊界條件，對左非3號壩段左側臨空面采取表面保溫措施。

6 施工重點控制項目

6.1 裂縫灌漿

水上、水下裂縫均采用貼嘴灌漿，水上裂縫灌漿材料采用結構注縫膠，水下灌漿材料采用LW水下專用系列材料。

灌漿過程控制要求如下：水平縫由一端向另一端逐孔灌注，豎直縫或斜縫由下往上逐孔灌注，在上方第二個灌漿孔出純漿后，封閉該灌漿孔，移至上方第二個灌漿孔繼續灌漿，直至保證整條縫內充滿漿液。灌漿壓力應先小后大，進漿宜緩慢，不應急促進漿，最大壓力控制在0.2 MPa。灌漿結束標準：裂縫縫面停止吸漿，再繼續灌注30 min結束。

對Ⅲ類縫及以上裂縫灌漿處理后需進行鉆孔取芯檢查,每20 m取一個檢查孔，鉆孔孔徑一般為φ76 mm，孔深20～30 cm，觀察其縫面漿液結石和充填情況，縫面可見漿液面積不小于80%。

6.2 騎縫鑿槽

按裂縫分類處理方式確定槽型及尺寸，先沿槽口兩側采用砂輪切割邊線，切割深度2 cm，并形成倒角。在切割形成的邊線內采用人工鑿除混凝土，嚴禁使用機械設備施工，騎縫槽形成后應清除周邊松動混凝土塊，并用高壓水清洗干凈。

6.3 嵌填塑性止水材料及聚合物砂漿

嵌填止水材料采用SR2塑性止水材料。槽內回填止水材料工序完成后再回填聚合物砂漿。砂漿表干后，采用噴霧養護或用塑料薄膜覆蓋養護，養護表面不能見明水。潮濕養護時表面如遇寒流或下雨，應加以覆蓋，不受雨水沖洗。回填完成3 d后，要求錘擊檢查，敲擊聲應清脆，保證無脫開或空殼現象。發現不密實區時，應鑿除重新回填。

6.4 粘貼SR防滲蓋片

SR防滲蓋片是以SR塑性止水材料為防滲主體，與增強聚酯無紡布、反光聚酯鋁箔薄膜復合而成的片狀防水材料。

水上施工時，處理粘貼部位基面，要求平整干凈，對于較大的凹坑與不平整面，應采用SR2塑性止水材料填平補齊。粘貼面涂刷SR防滲蓋片配套底膠，要求涂刷均勻無漏刷。根據需要剪裁SR防滲蓋片，并撕去面上防粘保護紙。待底膠表干后，粘貼蓋片，使蓋片與基面粘貼密實。蓋片接頭采用搭接形式，搭接長度不小于5 cm，且需涂刷底膠，再進行搭接粘貼。蓋片應粘貼平整，蓋片粘結完好。

水下施工時，基面處理后，分段涂刷HK-963水下粘結劑或水下專用粘貼劑，要求涂刷均勻無漏刷。待底膠表干后，粘貼蓋片，使蓋片與基面粘貼密實，接頭采用搭接形式，搭接長度不小于5 cm。蓋片粘貼完成后，用粘結劑配成膠泥對SR防滲蓋片與混凝土的接觸部位用膠泥進行封邊處理。粘貼SR蓋片的結合面表面不平整度應小于1 cm。

防滲蓋片采用8 cm厚PVC板材保護，防滲板兩側采用不銹鋼壓條和螺栓固定，壓條寬8 cm，厚2 mm，螺栓為M12，間距50 cm，PVC板上螺栓孔應預留伸縮空間。

6.5 測縫計安裝

根據測縫計選型后的尺寸進行裂縫鑿槽，槽口尺寸初定為50 cm×15 cm×10 cm（長×寬×深），槽口應盡量保持規則。按測縫計安裝說明書要求，在槽底跨裂縫兩側鉆孔，鉆孔孔徑φ50 mm，深度超過固定測縫計的錨桿埋設長度3 cm，并采用M20水泥砂漿固定。

錨桿施工3 d后安裝好測縫計，安裝前應預拉測縫計量程的1/3，測桿區采用2 cm厚SR2包裹，裂縫縫口與測桿間采用SR2回填，保證測縫計處于獨立測量范圍。

測縫計安裝就位后，連接配套電纜并引至槽外。測縫計的電纜采用內徑不小于2 cm的鍍鋅鋼管保護，鋼管采用膨脹螺栓固定，電纜在鋼管內呈“S”形設置，并按要求引入監測箱內。

槽內分層回填聚合物砂漿，層厚3 cm，回填完成后保濕養護。

6.6 苯板安裝

左非3壩段左側臨空面采用苯板進行保溫，苯板應符合GB10801-89《隔熱用聚苯乙烯泡沫塑料》標準中ZR阻燃型第一類的要求。板厚5 cm，要求表觀密度18～22 kg/m3，導熱系數≤0.041 W/m·k，吸水率≤6%（v/v），厚度偏差±2 mm。

苯板施工前，保溫面應打磨平整，并在裂縫處理完成后進行苯板安裝。

采用專用粘結劑粘貼苯板，苯板粘貼完成后表面采用PVC板保護（已帶保護層的苯板可不進行保護），PVC板厚5 mm，并采用膨脹螺栓固定。螺栓與PVC板間設置水平向不銹鋼壓條，壓條厚2 mm，寬4 cm，螺栓長10 cm，間距1 m×1 m。

6.7 錨筋施工

左非3壩段下游面設置錨筋，按設計圖紙孔位進行放樣，鉆孔孔徑110 cm，孔深12 m，應采用取芯鉆造孔，鉆孔偏差度小于1%。鉆孔完成后，對鉆孔進行清洗，并抽出孔內積水。

錨筋為2根長12 m的II級φ36 mm鋼筋，采用鋁絲綁扎，并采用對中支架安裝好錨筋。錨筋安裝后采用M20水泥砂漿進行灌注，灌注時采用φ30～50 mm塑料管壓入砂漿，邊進砂漿邊慢慢向上提進漿管，但不允許管口高于砂漿面，確保孔內砂漿密實。砂漿灌注完成7 d后，清除孔口10 cm范圍內水泥砂漿及雜物，清洗干凈后，采用聚合物砂漿回填平整。

7 結語

施工完成后的巡視檢查中未發現壩面有新裂縫產生，處理過的裂縫也沒有發現重新張開的跡象。埋設的測縫計提供的數據顯示，縫寬的變化明顯滯后于氣溫的變化，且變化平緩沒有突變，說明左非壩段裂縫施工后達到了加固處理的目的。