豎井式壓力管道襯砌混凝土裂縫成因分析及處理

何玉虎

(中國水利水電第十四工程局有限公司,云南 昆明 650041)

1 概述

黃登水電站設計4臺機組，引水隧洞按單機單管布置，埋深為284～500 m，壓力管道采用豎井式設計，垂直高差為101 m，水道采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為0.6～0.8 m，襯砌后直徑從10 m漸變到9.2 m，從下彎段開始采用Q345鋼管襯砌加0.6～0.8 m厚鋼筋混凝土。根據設計要求，在大壩蓄水驗收前，需進行壓力管道襯砌混凝土裂縫檢查及處理，施工單位通過設置電動吊籃對豎井進行裂縫初步檢查，發現豎井段混凝土表面裂縫較多，部分裂縫有少量滲水。為此進一步進行詳細普查和分類，針對性提出處理方案，驗證處理效果，以確保工程運行安全。

2 裂縫分類及普查情況

參考類似工程經驗[1-3]，裂縫分類按照縫面寬度和對工程的危害劃分為三類：Ⅰ類裂縫表面寬度小于0.1 mm，Ⅱ類裂縫表面寬度為0.1～0.3 mm，Ⅲ類裂縫表面寬度大于0.3 mm或貫穿性裂縫。黃登水電站引水豎井裂縫分布見表1，根據檢查結果對裂縫分類統計見表2、表3。

從表2可看出，1#引水豎井裂縫條數以Ⅰ、Ⅱ類裂縫為主，占64.87%，Ⅲ類裂縫占35.13%，但Ⅲ類裂縫長度占49.9%。2#引水豎井裂縫條數以Ⅲ類裂縫為主，Ⅰ、Ⅱ類裂縫占42.86%，Ⅲ類裂縫占57.14%，Ⅲ類裂縫長度占74.15%。3#引水豎井裂縫條數上以Ⅰ、Ⅱ類裂縫為主，占63.36%，Ⅲ類裂縫占36.64%，但Ⅲ類裂縫長度占49.64%。4#引水豎井裂縫條數以Ⅰ、Ⅱ類裂縫為主，占62.3%，Ⅲ類裂縫占37.5%，但Ⅲ類裂縫長度占49.61%。Ⅲ類裂縫長度占比較大，對豎井結構危害也較大。對有危害性的Ⅲ類以上裂縫進行認真細致的處理，并驗收合格后方能進行引水系統充放水試驗。

表1 引水豎井裂縫分布統計 m

表2 引水豎井裂縫數量分布比例 %

表3 引水豎井縫長度分布比例 %

根據普查情況，裂縫分布具有較強的規律性，裂縫產狀均為下陡上緩，下部傾角約為60°～70°，向上慢慢變緩，上部約為5°～15°，且大部分集中在廠房側。典型裂縫分布見圖1所示。

圖1 典型裂縫分布示意

3 混凝土裂縫成因分析

引起豎井襯砌混凝土產生裂縫的因素很多，也極其錯綜復雜。在實際施工過程中，裂縫的產生往往是幾種因素共同作用造成的，這些因素有的是內因，有的是外因，但總有一個主導因素，其他因素則起誘發或促進作用[4]。根據該工程的特點，主要從以下幾方面進行分析。

3.1 工程地質條件分析

引水豎井圍巖以變質火山角礫巖為主，局部夾變質凝灰巖條帶，巖體總體較完整、堅硬，僅局部發育的薄層狀凝灰巖夾層以及構造影響帶巖體相對破碎，洞室整體穩定條件較好。引水豎井圍巖以Ⅲ、Ⅱ類為主，進口段弱風化、弱卸荷和凝灰巖條帶發育部位為Ⅲ類較差巖體，僅局部斷層發育巖體破碎部位為Ⅳ類，洞室圍巖整體條件較好。引水豎井圍巖分類詳見表4。

表4 引水豎井圍巖分類與Ⅲ類裂縫統計 %

引水豎井巖體總體較完整、堅硬。空間地應力測量所得最大主應力量值均為壓應力，其量級為7～15 MPa，總體屬中低地應力場。但引水豎井處于淺部岸坡中低應力場和深部構造應力場過渡區域，應力狀態復雜，局部存在高地應力現象。

地下洞室開挖后，破壞了洞室四周巖體原有的應力平衡狀態，洞壁周邊失去原有巖體的約束，圍巖向內變形，使洞室四周一定范圍內的巖體中應力重新分布，使圍巖中某些部位產生應力集中。此時若應力超過巖體的強度極限時，則在該處發生局部破壞，同時引起附近圍巖中應力分布進一步變化。

從表3中裂縫長度分布比例表和表4中圍巖分類統計表可以發現，2#壓力管道圍巖較好，全部為Ⅱ類圍巖及Ⅲ類較好圍巖，但Ⅲ類裂縫長占比最大，而其余管道Ⅲ類裂縫長占比49.61%～49.9%，基本相同，但4#壓力管道圍巖也相對較好。根據以上分析可以初步判斷裂縫成因與地質條件無關。

3.2 襯砌混凝土分析

壓力管道混凝土襯砌采用“限裂”設計，引水隧洞結構根據《水工隧洞設計規范》(DL/T 5195—2004)，并參考《水工隧洞的設計理論和計算》[5]的相關內容，采用北京理正軟件設計研究院開發的“理正巖土隧道襯砌計算軟件5.2版”進行計算。豎井段(圓形斷面)Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞段受運行工況控制，在Ⅱ、Ⅲ類圍巖中采用厚0.8 m的襯砌，在Ⅳ、Ⅴ類圍巖中采用厚1.2 m的襯砌，襯砌承受圍巖壓力、外水壓力或與圍巖共同承受內水壓力及其它荷載。采用內、外側均配置Φ32@200 mm的主筋，經設計單位對裂縫驗算，最大裂縫寬度為0.24 mm，小于長期組合最大裂縫寬度的控制標準(0.25 mm)，混凝土襯砌厚度及結構配筋滿足規范要求。

3.3 環境溫度分析

豎井襯砌混凝土采用的配合比為C2825W8F100二級配常態混凝土，根據原材料檢測及混凝土澆筑、溫度監測資料進行分析，結合對水泥、粉煤灰、減水劑等項目的檢測成果以及施工期間混凝土溫度、環境溫度分析。豎井混凝土澆筑完成后，在壓力管道封閉前，壓力管道內形成從廠房下平段經豎井向進水口的流動氣流，流動氣體與混凝土間的溫差會對豎井混凝土養護和防裂造成一定不利影響。

3.4 相鄰洞室開挖影響分析

壓力管道段地下洞室相距較近，挖空率較高，且應力條件復雜，各洞室開挖過程中，均會對相鄰洞室的應力應變產生影響。根據現場實際施工情況，豎井段混凝土襯砌過程中，相鄰或附近部位洞室仍未開挖完成，存在洞室襯砌后圍巖變形不充分、應力二次調整的可能性，從而成為豎井混凝土變形開裂的因素之一。

3.5 固結灌漿影響分析

結合固結灌漿完成后進行灌后檢查，未發現明顯滲水裂縫，豎井內壁表面干燥。引水豎井固結灌漿嚴格按照設計參數和要求進行施工，施工過程正常，灌漿全過程監控未發現混凝土產生抬動變形情況，灌漿完成后也未見明顯滲水裂縫，基本可以判斷豎井裂縫的產生與固結灌漿沒有關系。

3.6 施工影響分析

圍巖固結灌漿單位平均耗灰量分別為：1#、2#洞119 kg/m、3#洞201 kg/m、4#洞131 kg/m；其中3#洞段豎井段洞下部出現2個孔，單位耗灰量分別為650 kg/m和700 kg/m，并經待凝處理后達到灌漿結束標準。從固結灌漿耗灰量看，與洞段地質情況基本相吻合。

豎井段混凝土澆筑質量較易控制，經了解，混凝土施工過程正常，未出現混凝土中斷停倉等澆筑事故；經混凝土取樣、現場鉆孔取芯測試與混凝土表面回彈儀檢測，混凝土強度等指標滿足設計標準要求。據此判斷，裂縫的產生可排除洞襯混凝土存在缺陷導致開裂的原因。

1#～3#豎井標準段采用滑模澆筑，未設施工縫，4#引水豎井采用定型鋼模澆筑，按照設計要求每12 m設置了1道施工縫，豎井混凝土施工完成后形成了較長的圓筒薄壁結構，混凝土自身體積收縮對結構抗裂不利，根據裂縫性狀分析，混凝土自身體積收縮是裂縫產生的主要原因之一。

3.7 綜合分析評價

由于4#、3#洞位于靠山體外側，巖體條件相對2#、1#洞為差；根據工期安排，3#洞豎井最先開始澆筑，而此時洞段圍巖挖空后的變形尚未收斂完成，圍巖仍處于持續變形中，混凝土澆筑時巖層變形未收斂，從而可能導致混凝土裂縫的產生。

本工程隧洞襯砌混凝土按限裂結構設計，根據工程經驗判斷：從裂縫的開展方向來看，環向裂縫對襯砌的極限承載能力基本沒有影響；而豎向裂縫則較大地降低了鋼筋混凝土襯砌的極限承載能力。從水平向裂縫的開展寬度來看，裂縫寬度越大，襯砌的極限承載能力越低。故在以鋼筋應力是否達到屈服強度作為鋼筋混凝土襯砌極限承載能力判斷標準的前提下，貫穿性和非貫穿性裂縫同樣程度地削弱了襯砌的極限承載力。

產生裂縫是多個因素綜合作用的結果[6]。本工程豎井混凝土為圓筒薄壁結構，受四周圍巖的約束，混凝土自身體積收縮可能是裂縫產生的主要原因之一，鋼筋混凝土配置的縱向鋼筋有效地限制了裂縫的擴展。

4 混凝土裂縫處理措施

裂縫處理首先進行試驗，分別采用普通水泥灌漿、超細水泥灌漿、化學灌漿等方式進行了各類裂縫的處理，通過試驗成果分析，普通水泥灌漿、超細水泥灌漿均不能有效填充裂縫，最終確定根據裂縫的類別，分別采取以下處理措施：

Ⅰ類裂縫：沿縫寬20 cm范圍用鋼絲刷刷毛，并用丙酮(縫面有污漬部位)或高壓水清洗干凈，封面干燥后涂刷1層環氧基液。

Ⅱ類裂縫：騎縫鑿寬10 cm、深2.5～3.0 cm的梯形槽，槽底寬略大于槽口寬，并覆蓋裂縫兩端頭40 cm；將槽內的雜物用高壓水槍沖洗干凈(有油污的地方用丙酮清洗干凈)，然后刷1道環氧基液，待基液略干能拉絲時，再刮環氧砂漿進行封縫，環氧砂漿刮至與原砼面保持齊平為止。

Ⅲ類裂縫：先對裂縫采用環氧樹脂類漿液進行化學灌漿處理，而后按照Ⅱ類裂縫施工方法對縫面作相應處理。

對正在滲水的縫，應先用快速凝結高強堵漏王將水堵住，再刮環氧膠泥封縫，刮環氧膠泥前，應沿裂縫寬20 cm范圍打磨掉混凝土表面乳皮，用高壓水清洗干凈，局部有油污時，必須用丙酮清洗。將混凝土表面風干后，先刷1道環氧基液，待基液略干能拉絲時，再刮環氧膠泥封縫。

5 裂縫處理結果檢查

上述處理措施實施后，采取了鉆孔壓水試驗、跨裂縫鉆孔取芯試驗等方式進行效果檢查，檢查結果如下：

1#引水豎井壓水試驗最大透水率為0.14 Lu，最小透水率為0，平均透水率為0.054 Lu，裂縫環氧漿液充填率為94.8%。2#引水豎井壓水試驗最大透水率為0.17 Lu，最小透水率為0，平均透水率為0.033 Lu，裂縫環氧漿液充填率為95.3%。3#引水豎井壓水試驗最大透水率為0.21 Lu，最小透水率為0，平均透水率為0.071 Lu，裂縫環氧漿液充填率為93.6%。4#引水豎井壓水試驗最大透水率為0.18 Lu，最小透水率為0，平均透水率為0.057 Lu，裂縫環氧漿液充填率為96.3%。

6 運行效果檢驗

電站豎井式壓力管道襯砌混凝土裂縫經處理后，順利通過工程驗收，并于2018年7月5日首臺機組投產發電，2019年1月1日4臺機組全部投產，電站已安全運行2 a，壓力管道安全監測數據指標正常，電站總體運行狀態良好。

7 結語

通過對黃登水電站引水豎井段混凝土裂縫進行分類統計，并進行了原因分析，針對性提出相應處理措施，檢查及運行情況表明，處理效果良好，可供類似工程參考。