某碾壓混凝土壩貫穿性裂縫的成因及預(yù)防措施探討

丁志堅

(廣西壯族自治區(qū)柳州水利電力勘測設(shè)計研究院，廣西 柳州 545005)

1 基本情況

1.1 工程概況

南方某地水利樞紐工程主壩為碾壓混凝土重力壩，壩軸線全長317.90m，壩頂高程161.80m，最大壩高59.8m，由14個壩塊組成。工程區(qū)地貌類型以構(gòu)造侵蝕中-低山地形為主，壩址地質(zhì)為厚層狀長石石英砂巖夾泥巖及粉砂質(zhì)泥巖。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳径嗄曩Y料統(tǒng)計，多年平均氣溫為19.3℃，歷年極端最高氣溫為38.8℃，極端最低氣溫為-3.0℃，多年平均降雨量為1755mm，年平均日照時數(shù)達1374h，多年平均相對濕度為79%；年均無霜期在300d以上。

1.2 工程施工情況

2016年11月該工程主壩完成河床截流。2017年1月開始進行第一塊地基混凝土填塘；2月開始澆第一塊大壩基礎(chǔ)墊層混凝土；3月開始碾壓第一倉混凝土；至2017年5月中旬，碾壓完汛前最后一倉混凝土后。在汛期前，大壩碾壓混凝土施工完成的形象為：3#～4#壩塊已碾壓至113m高程，5#～8#壩塊已碾壓至109.5m高程，9#～10#壩塊已碾壓至115m高程，1#～2#和11#～14#壩塊因故未能施工。2017年6月28日，圍堰過水，基坑被淹，主壩區(qū)混凝土澆筑施工全面暫停。

1.3 貫穿性裂縫出現(xiàn)的位置及發(fā)展情況

2017年汛期過后，施工單位在2017年12月17日清理9#～10#壩塊115m高程混凝土倉面時，在該高程倉面中部發(fā)現(xiàn)一條縱向裂縫。平面位置上裂縫從10#與11#壩塊分縫處(樁號：壩0+223.900)向左岸下游延伸至8#與9#壩塊分縫處(樁號：壩0+185.900)，大致平行于壩軸線，如圖1所示。由于11#壩塊因故未能施工，因此，可從10#與11#壩塊分縫面(樁號：壩0+223.900)上觀查到該裂縫從115m高程一直延伸至建基面107m高程，如圖2所示，為貫穿性裂縫。該裂縫總長約48.18m，裂縫寬度約0.02～1mm不等。

已澆筑的其它壩塊未發(fā)現(xiàn)類似的裂縫。

圖1 9#～10#壩塊裂縫示意圖

圖2 9#～10#壩塊貫穿性裂縫示意圖

2 貫穿性裂縫成因分析

2.1 9#～10#壩塊施工情況

大壩壩基開挖完成后，發(fā)現(xiàn)9#～10#壩塊局部壩基巖石較破碎，需進行清理。施工單位根據(jù)設(shè)計要求，對破碎巖石進行了清除處理，最終在9#～10#壩塊的下游部分清挖出一個0～4m深的塘，其范圍如圖3、4所示。

圖3

圖4

9#～10#兩個壩塊的施工時間是2017年3月7—22日，用常態(tài)混凝土進行填塘處理；2017年3月13—28日澆筑常態(tài)混凝土墊層；2017年4月1日—5月13日，108～115m碾壓混凝土壩體施工。由于汛期的影響，壩體碾壓到115m高程時被迫停工度汛。因砂石料供應(yīng)和汛前搶工期等原因，這兩個壩塊的混凝土施工未采取任何溫控措施。

2.2 基礎(chǔ)約束和溫度的影響

9#～10#兩個壩塊基本參數(shù)為：9#壩塊，建基面高程104m，橫向分縫長度16m，壩底寬度L=47.55m，碾壓停工時壩塊的厚度為11m；10#壩塊，建基面高程104～107m，橫向分縫長度22m，壩底寬度L=47.55～44.7m，碾壓停工時壩塊的厚度為8～11m。由此可見，兩個已碾壓壩塊基本處于離基礎(chǔ)高度為0.2L的強約束區(qū)內(nèi)，地基巖體對壩塊的約束較強。混凝土碾壓完成后，由于膠凝材料的水化熱作用，壩塊內(nèi)溫度不斷升高。當(dāng)膠凝材料水化熱作用逐步減弱到無后，壩塊內(nèi)溫度會逐步下降至環(huán)境溫度。根據(jù)埋在9#壩塊內(nèi)的溫度計(T60)測出的數(shù)據(jù):4月2日，混凝土澆筑溫度17℃，與當(dāng)天氣溫12～23℃基本吻合；4月8日(第7天)，達到最高溫度是35.2℃，超過設(shè)計允許最高溫度33℃；6月26日，停工度汛前的溫度是30.6℃；12月27日，發(fā)現(xiàn)裂縫時的溫度是25℃。升溫時，壩塊的體積在膨脹，但此時混凝土還未完全變硬，彈性模量小，徐變較大，地基巖石對混凝土的約束較小，引起的應(yīng)力不大。降溫時，壩塊的體積在收縮，此時混凝土已經(jīng)變硬，彈性模量大，地基巖石對混凝土的約束也較大。由于地基巖石的約束作用，在混凝土內(nèi)部將會產(chǎn)生較大的水平拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土的極限抗拉應(yīng)力時，就會在內(nèi)部拉開，產(chǎn)生貫穿性裂縫。因壩塊橫向分縫長度16～22m，小于壩的底寬度44.7～47.55m，最大的拉應(yīng)力應(yīng)發(fā)生在壩塊中部，且垂直于壩軸線方向。所以，這種情況下發(fā)生的裂縫大多是平行于壩軸線的縱向縫。

2.3 填塘混凝土干縮的影響

9#～10#壩塊的地基處理約3月6日完成，3月7日開始混凝土填塘施工，3月22日填塘施工基本結(jié)束。由于已臨近汛期，需搶工期，填塘完成到澆墊層混凝土的間隔僅為2～6d，完成墊層混凝土澆筑到壩體混凝土碾壓的間隔時間也只有4～5d。同時，為了加快施工進度，施工單位用了和易性較好的混凝土填塘，混凝土的坍落度達到70～90mm，遠大于一般大體積混凝土坍落度10～40mm。而坍落度越大，混凝土硬化后的收縮性就越大。由于填塘混凝土較大的收縮，會引起壩塊下游部分產(chǎn)生微小的不均勻沉降，從而在壩塊混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，并集中在填塘的邊緣處，垂直于地基的平面上。

表1 3#、9#壩塊混凝土實測溫度表 單位：℃

2.4 結(jié)論

綜上所述，本次貫穿性裂縫是在壩塊混凝土降溫時，由于地基巖石的強約束使得壩塊混凝土內(nèi)部產(chǎn)生水平拉應(yīng)力，其最大的拉應(yīng)力發(fā)生在壩塊中部，垂直于壩軸線方向；同時，9#～10#壩塊下填塘的邊緣亦基本沿壩軸線方向延伸，且剛好位于壩塊的中部附近。高和易性填塘混凝土硬化后較大的干縮，使得壩塊下游部分產(chǎn)生微小的不均勻沉降，導(dǎo)致壩塊混凝土內(nèi)部沿填塘的邊緣產(chǎn)生垂直于壩軸線方向的水平拉應(yīng)力。這兩個拉應(yīng)力疊加后大于混凝土的極限抗拉應(yīng)力，將混凝土拉裂，從而產(chǎn)生貫穿性裂縫。我們在9#～10#壩塊上觀測到裂縫的走向和發(fā)展情況，與這個結(jié)論是吻合的。

3 貫穿性裂縫的預(yù)防措施

平行于壩軸線的貫穿裂縫，破壞壩體的整體性，削弱壩體承受水壓荷載的剛度，對結(jié)構(gòu)的安全影響極大。同時，裂縫也導(dǎo)致大壩的受力狀態(tài)與設(shè)計的假定出現(xiàn)較大的偏差，嚴(yán)重影響到大壩的安全運行。貫穿裂縫出現(xiàn)后，可采取一些工程措施進行補救處理，但最安全、最經(jīng)濟的辦法是在施工中采取必要的預(yù)防措施，避免貫穿性裂縫的發(fā)生。

3.1 溫控措施

貫穿裂縫的產(chǎn)生與接近基礎(chǔ)部位強約束區(qū)處混凝土的溫度應(yīng)力有直接關(guān)系。因此，必須在強約束區(qū)采取必要的溫控措施，防止基礎(chǔ)約束范圍內(nèi)壩塊混凝土溫度過高，降溫時受基礎(chǔ)的約束產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。施工中，主要的溫控措施有：

(1)降低混凝土澆筑溫度。混凝土澆筑溫度與壩塊最高溫度有直接的關(guān)系，較典型的3#和9#兩個壩塊的實測溫度詳見表1。由表1可見，降低澆筑溫度可使得最高溫度也相應(yīng)降低；

(2)水管冷卻。水管冷卻可有效削減混凝土水化熱溫升，利于控制壩塊最高溫度，減小基礎(chǔ)溫差和內(nèi)外溫差。

以本工程為例，設(shè)計要求的溫控指標(biāo)為：約束區(qū)大壩混凝土碾壓允許澆筑溫度18～20℃；強約束區(qū)允許最高溫度為33℃；3—11月份澆筑的壩體混凝土應(yīng)布設(shè)冷卻水管，并進行兩期通水。從表1中可見，由于沒采取控制措施，兩壩塊的混凝土澆筑溫度基本上等于當(dāng)天的天氣氣溫，混凝土的最高溫度均超過設(shè)計要求。實際施工中，3號壩塊按設(shè)計要求采取了水管冷卻措施，而9#壩塊沒有。因而，3#壩塊的澆筑溫度雖遠高于9#壩塊，但是澆筑溫度與最高溫度的溫差反而小于9#壩塊。水管通水冷卻可以有效地將最高溫度降低3～5℃。可見，要達到設(shè)計的溫控要求，上述兩個措施都應(yīng)實施。

3.2 填塘混凝土的處理措施

現(xiàn)行的水工混凝土施工規(guī)范規(guī)定，巖基深度超過3m的塘、槽回填混凝土，應(yīng)采用分層澆筑、通水冷卻等溫控措施，控制混凝土最高溫度，將回填混凝土溫度降低到設(shè)計要求的溫度后，再繼續(xù)澆筑上部混凝土。因此，對于存在基礎(chǔ)填塘壩塊，應(yīng)把填塘部分提前單獨澆筑，待其內(nèi)部溫度基本與基巖一致，再按平整基礎(chǔ)澆混凝土。如果把平整基巖與填塘同時澆筑，澆筑層就會在早期產(chǎn)生豎向不均勻沉縮而導(dǎo)致裂縫。

填塘深度超過3m時的填塘混凝土處理，應(yīng)采取以下措施：

(1)按現(xiàn)行施工規(guī)范要求，采取必要的溫控措施，延長填塘與澆筑上部混凝土的時間間隔。在本工程施工中，從填塘完成到開始澆筑壩塊混凝土的時間間隔9#～10#壩塊僅為13～16d，其它沒出現(xiàn)裂縫壩塊的這個間隔是29～63d，說明這是一個非常有效的措施。

(2)澆筑墊層混凝土?xí)r，沿填塘邊緣布設(shè)防裂鋼筋，讓鋼筋來承受大部分拉應(yīng)力，起到防裂或限裂的作用。(3)使用坍落度較小的混凝土填塘，盡量減小填塘混凝土的干縮率。本工程填塘混凝土的坍落度為70～90mm，一般基礎(chǔ)工程混凝土可用10～30mm的坍落度。

(4)若需趕工期，除采取上述措施外，可在填塘混凝土水泥熟料中摻少量的氧化鎂，使混凝土硬化后期緩慢水化，產(chǎn)生微膨脹作用，可以補償混凝土后期降溫階段的體積收縮而不破壞混凝土的結(jié)構(gòu)，起到減少或避免混凝土裂縫的作用。

4 結(jié)語

碾壓混凝土重力壩出現(xiàn)裂縫比較常見，但貫穿性裂縫對大壩的結(jié)構(gòu)安全影響很大，必須采取相應(yīng)的措施避免其發(fā)生。從文獻資料看，貫穿性裂縫主要是由于降溫時混凝土的收縮與地基約束的作用引起的溫度應(yīng)力造成的，一般出現(xiàn)在基礎(chǔ)強約束區(qū)。但根據(jù)本工程的經(jīng)驗教訓(xùn)，深度超過3m的填塘混凝土的干縮亦是其發(fā)生的重要原因。從文中分析看，只要施工單位和現(xiàn)場施工技術(shù)人員對此有足夠的認識，嚴(yán)格按設(shè)計和現(xiàn)行施工規(guī)范的溫控要求進行施工，是可以避免貫穿性裂縫發(fā)生的。