玉石水庫混凝土壩上游面豎向裂縫原因與處理

張 殳，王成山

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽110006）

玉石水庫混凝土壩上游面豎向裂縫原因與處理

張 殳，王成山

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧沈陽110006）

本文分析了玉石水庫混凝土重力壩上游面豎向裂縫產生的原因，介紹了裂縫處理措施，提出北方寒冷地區混凝土重力壩表面豎向裂縫的預防措施。對于類似工程有一定的借鑒意義。

混凝土重力壩；大壩上游面豎向裂縫；處理措施

1 概述

玉石水庫位于遼寧省營口市境內，總庫容8852萬m3，為中型水庫。玉石水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高50.20m。全壩共分15個壩段。

6#溢流壩段長為24.00m，建基面高程為155.00m，壩底寬39.50m，堰頂高程為196.00m，最大壩高41.00m。大壩斷面采用“金包銀”型式，即外部和基礎采用常態混凝土，內部采用碾壓混凝土。上游常態混凝土防滲層3.0m，下游保護層和基礎墊層常態混凝土2.0m。

玉石水庫大壩混凝土澆筑于1999年5月20日開盤，首先對6#、7#壩段153.00m高程建基面以下用C 3混凝土進行補坑、填平，5月30日進行153.00～154.00m高程B 1混凝土澆筑，6月6日澆筑154.00～155.00m的混凝土，6月14日達到156.00m高程，6月24日達到157.00m高程后停止澆筑。然后進行基礎固結灌漿。于8月8日開始繼續升程，進行碾壓混凝土施工。在碾壓混凝土施工時，將原設計的壩體上、下游面A2富膠材碾壓混凝土改為B2常態混凝土。A2混凝土與B2混凝土配合比對比見表1。至11月7日，6#壩段混凝土升程到169.00m高程后停止澆筑，進行保溫防護越冬。169.00m高程以上混凝土從2000年3月27日開始澆筑，至2000年8月24日，澆筑高程達到190.00m。

2 裂縫分布情況

6#壩段上游面豎向裂縫位于大壩迎水面，裂縫下自基巖面155m高程上至169m高程混凝土越冬停澆面，高14m。左距5#壩段15m，右距7#壩段9m。裂縫在169m高程平面上向壩內延伸3.9m。裂縫在位于壩體下部的灌漿廊道上游壁出露。

3 裂縫成因分析

3.1 澆筑溫度高，內表溫差大，壩段過長，引起較大的溫度應力

原設計混凝土允許澆筑溫度，基礎約束區為15℃（高程155～163m，H≤8m），上部為18℃（高程163m以上，H＞8m）。實際基礎約束區內（高程155～163m）平均澆筑溫度為9.75～22.5℃，最高澆筑溫度為27℃。上部（高程163～169m）平均澆筑溫度為9.5～17℃，最高澆筑溫度為19℃。由于6#壩段未設內部溫度計，無內部溫度觀測記錄。借鑒9#壩段壩體內部溫度觀測結果，混凝土最高溫度達到34℃。借鑒3#壩段側立面T3-立溫度計觀測記錄，6#壩段上游面保溫板內混凝土表面溫度，一月份最低溫度達到0℃左右。

（1）水化熱溫升及壩體溫度計算

采用有限差分法計算混凝土內部水化熱溫升，混凝土升程過程按壩體混凝土實際升程過程。計算結果基礎蓋板內（高程155～157m）水化熱溫升為13.3℃，基礎約束區內（高程157～163m）水化熱溫升為10.5℃，上部（高程163～169m）水化熱溫升為9℃，與澆筑溫度值進行迭加后得出混凝土內最高溫度見表2。

表1 A2與B2混凝土配合比

表2 混凝土內最高溫度

因6#壩段未埋設溫度計，借鑒9#壩段壩體內部溫度計實測結果。以溫度計T6、T7結果最具代表性，表明壩體內部溫度達到30℃，計算結果與實測結果基本吻合。

（2）混凝土表面溫度應力計算

外界溫度年變化在6#壩段上游混凝土表面引起的溫度應力計算公式為：

式中：α—混凝土線脹系數（1/℃），取10×10-5；

T0—混凝土內表溫差（℃），取30；

KP—混凝土松弛系數，取0.65；μ—混凝土泊松比，取0.167；

C—系數，與壩段長度有關，取0.64；

σ—混凝土表面應力（MP a）；

Eh—混凝土彈性模量（M P a），取2.55×104。將數值代入上述公式中：得上游混凝土表面水平拉應力σ=3.82MP a。

混凝土允許拉應力計算公式為：

式中：〔σ〕—混凝土表面允許拉應力（MP a）；

ε—混凝土極限拉伸值，取1.0×10-4；

Kf—安全系數，取1.5。

將數值代入上述公式中，得混凝土允許拉應力〔σ〕=1.5 MP a

由于混凝土澆筑溫度高，內表溫差大，壩段過長，在混凝土表面引起較大的溫度拉應力，超過混凝土抗裂能力，這是6#壩段上游面劈頭裂縫產生的最主要原因。

靠近基巖部位是混凝土外部約束最大的部位，靠近基巖部位混凝土雙向散熱，向外散發熱量快，混凝土降溫較快，易引起較大的外部約束，該部位在內部約束與外部約束共同作用下，進一步加大溫度應力，從而導致混凝土的開裂。大多數混凝土壩側立面越冬裂縫與此類似，其共同特點是裂縫從下部開始，下部寬而上部窄，多數裂縫沒有達到頂面即已尖滅。

3.2 上游防滲層改變混凝土品種，對上游面混凝土拉應力的影響

大壩上游3m厚防滲層混凝土由原設計的二級配碾壓混凝土改為三級配常態混凝土，水泥用量由144kg增加到184kg，增加了40kg。粉煤灰摻量由36kg增加到46kg，增加了10kg。由于膠凝材料的增加，導致混凝土發熱量增加和溫升的加大，壩體混凝土溫度有所提高，加大了上游壩面溫度應力，不利于上游壩面混凝土的防裂。

3.3 巖石地質條件的影響

F 2斷層沿上下游方向斜向橫穿6#壩段，斷層破碎帶寬2.9～5.5m，影響帶寬超過10m。受斷層影響，巖體風化程度、完整性及巖體強度變化較大，工程地質條件相對較差。由于斷層破碎的影響，該壩段基礎開挖成臺階狀，臺階高差2m。臺階在上游面出露點距6#壩段左側橫縫9m，臺階在下游面出露點位于6#壩段右側橫縫處。這種臺階狀的建基面，使得基礎部位壩體混凝土應力狀態進一步惡化。

4 裂縫處理措施

在169m高程平面裂縫位置，布置4層φ 20@ 200的限裂鋼筋，并自169m高程起將上部壩體分成兩個12m長的壩段。

在垂直方向上的處理范圍如前所述，在上游壩面和廊道內向裂縫內灌注L W、H W雙組分水溶性聚氨酯。沿裂縫開鑿出深8c m，口寬8c m的V形槽，內嵌SR 3型塑性止水材料，表面用寬度為50c m的SR防滲保護蓋片粘貼保護。施工時先用水、鋼絲刷沖刷縫槽及邊緣到扁鋼壓條的寬度，去除雜物，涼干或烘干。然后刷兩道SR底膠，待底膠表干后，在縫槽內及兩側各25c m的范圍內用SR 3型塑性止水材料嵌縫及找平，達到設計規定的SR 3材料形狀，并使表面光滑。然后撕去SR防滲保護蓋片上的防粘保護紙，將SR防滲保護蓋片粘貼到SR 3材料上。在SR防滲保護蓋片的起止段及搭接段兩側用膨脹螺栓及扁鋼錨固，并用SR 3材料對粘好的SR防滲保護蓋片邊緣進行封邊。

這種處理方法有如下優點：⑴防滲效果較好。因為這種處理方法相當于三重防滲，在縫內化灌止水，在縫面做了兩道止水，一道是塑性材料嵌縫止水，一道是SR防滲保護蓋片止水，較以往的只采用一道嵌縫止水的處理方法更加安全可靠。如果施工質量控制的很好，完全可以保證工程安全。⑵工程造價較低。⑶工期較短，施工簡單。這種處理方法存在如下缺點：施工質量要求很高，施工過程不易控制，而且無論哪一道工序出現問題都會嚴重影響工程質量。如果控制不好，會影響工程安全，且以后很難補救。

經上述方法處理后，在169m高程處未見裂縫再向上發展，廊道內滲水也完全消失。證明裂縫處理效果明顯。

5 結語

（1）由于混凝土澆筑溫度高，內表溫差大，壩段過長，在混凝土表面引起較大的溫度拉應力，超過混凝土抗裂能力，這是6#壩段上游面豎向裂縫產生的最主要原因。

T V 698.2+31

B

1672-2469（2015）06-0080-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.06.028

張 殳（1966年—），男，高級工程師。