廣山水庫壩基墊層混凝土裂縫成因分析及處理

田 波

（貴州省水利水電工程咨詢有限責任公司,貴州 貴陽 550081）

1 工程概況

廣山水庫位于黔南布依族苗族自治州甕安縣建中鎮鳳凰村境內,距建中鎮公路距離4.1 km,距甕安縣城公路距離34.4 km,距都勻市區公路距離約135 km,有公路通往水庫區,交通條件較好。水庫壩址位于甕安河二級支流后壩河中上游河段。廣山水庫壩址以上流域面積2.66 km2,截水區集雨面積1.51 km2,引水后多年平均徑流量170 萬m3,多年平均流量為0.0536 m3/s,供水管道設計流量0.1207 m3/s。廣山水庫校核洪水位1269.51m,正常蓄水位為1268.00m,死水位1256.50 m,總庫容109 萬m3,興利庫容80.9 萬m3。工程任務為：灌溉、農村人畜用水和集鎮用水。工程等別為Ⅳ等,工程規模屬小（1）型。工程樞紐布置為：堆石混凝土重力壩+壩身泄洪表孔+取水建筑物+灌溉供水管線。大壩建基面高程為1239.00 m,壩頂高程為1271.00 m,最大壩高32.0 m,壩頂寬度4 m,壩頂長198 m。

2 建基面及裂縫基本情況

2.1 建基面基本情況

壩基（肩）基礎置于巖體弱風化帶上部,壩基開挖高程1239.00 m,最大壩高32.0 m（不含齒槽）,根據現場實際揭露情況及地質素描,壩基開挖揭露地層為2-3ls1薄至中厚層白云巖夾薄層泥質白云巖,以弱風化為主,局部強風化。在壩橫0+088.50處的建基面揭露出f1斷層,斷層影響帶寬1 m～6 m,齒槽段及上游壩基為巖屑夾泥充填,靠下游壩基為泥夾巖屑充填。對大壩建基面斷層破碎帶清理干凈,清理后呈倒梯形,清理底寬為斷層破碎帶寬度[1],頂寬為3 倍底寬,清理邊坡為1∶1.0。采用C20 混凝土回填至建基面高程,回填混凝土面層配置鋼筋。最后,對壩基固結灌漿的間排距在斷層破碎帶加密,固結灌漿深度與原設計方案保持一致。

2.2 裂縫基本情況

壩址河床段壩基墊層混凝土標號為C20 二級配, 厚度1.0 m。壩基墊層混凝土于2020年11 月1 日上午9 時對1239.0 m～1240.0 m 開始澆筑,墊層混凝土于11 月2 日上午12時澆筑完成,澆筑方量約887 m3,澆筑時的氣溫為8℃～10℃；墊層混凝土施工完成后及時做好了有關的養護工作。

在墊層混凝土澆筑完成且強度滿足設計要求后,開始對河床壩段進行固結灌漿處理。灌漿過程中,施工單位有關人員對現場進行巡視檢查,發現右岸河床下游段壩基墊層表面有1 條縱向裂縫,基本判定為貫穿裂縫[2],其他已澆筑墊層段未發現裂縫。同年11 月21 日,對灌漿后的河床壩基墊層再次進行了全面的檢查,共計發現3 條裂縫,經鉆孔壓水試驗檢查,1#、2#及4#裂縫均為非貫穿裂縫,最大縫寬3.5 mm,縫深在20 cm～50 cm,3#裂縫為貫穿裂縫,縫寬0.6 mm,縫深100 cm。墊層混凝土裂縫分布見圖1。

圖1 壩基墊層混凝土裂縫分布圖

混凝土的裂縫是施工過程中普遍存在的,直接影響到工程質量及穩定性,同時也是不可避免的問題。裂縫控制的關鍵在于它的深度及寬度,進而將其危害程度控制在規范允許的范圍內。針對廣山水庫混凝土基礎墊層裂縫的進一步分析,確認裂縫的性質并評估其危害性,同時對壩基已澆筑墊層混凝土裂縫按裂縫長度、裂縫深度、裂縫走向、表面縫寬以及是否為貫穿性裂縫等進行檢查及分類,為下一步壩基墊層裂縫的修補措施提供依據[3],以保證墊層混凝土的補強質量。分類統計見表1。

表1 廣山水庫基礎墊層混凝土裂縫型式統計表

綜上所述,根據基礎墊層混凝土裂縫型式統計表,初步判定廣山水庫壩基墊層3#裂縫為Ⅳ類裂縫,1#以及4#裂縫為Ⅲ類裂縫,而2#裂縫為Ⅱ類裂縫[4]。為準確測量各類型壩基墊層混凝土裂縫深度,對貫穿裂縫主要采用鉆芯取樣測量縫深；對表面裂縫采用切割機配合人工鑿“V”型槽進行縫深測量,要求“V”型槽與裂縫中心線重合。經檢測后對廣山水庫壩基墊層混凝土裂縫性狀統計見表2。

表2 廣山水庫壩基墊層混凝土裂縫性狀統計表

3 裂縫成因分析

通過對廣山水庫壩基墊層混凝土澆筑過程全面梳理,結合工程特性及裂縫性狀及檢測成果,同時參照同地區其他類似工程,分析裂縫產生的主要成因如下:

（1）廣山水庫壩址位于東剛溪溝和后壩河匯合處上游約150 m 處,壩址河谷呈基本對稱的“V”型,兩岸坡地勢平緩,地形坡度10°～20°,兩岸坡地形不順直。水庫正常蓄水位1268.00 m 高程對應谷寬113.4 m,寬高比6.5。大壩基礎開挖后沿壩基岸坡段巖體遭到破壞,受巖體卸荷作用影響,基礎段應力卸荷緩慢,而岸坡段應力卸載較快,墊層的澆筑使得原本未達到平衡的應力對對墊層混凝土產生擠壓作用,是裂縫形成的原因之一。

（2）從水庫受力模型可知,壩基河床段為強約束區,受基礎建基面開挖影響,基巖建基面基礎邊界不能自由變形,進而引起約束應力,是裂縫形成的原因之一。

（3）基礎墊層混凝土厚度為1 m,分塊最大長度為34 m,最大壩寬為12 m～14 m,長寬比2.4～2.8,高寬比（澆筑快厚度與澆筑快長邊的比值）0.03。結合到壩基墊層僅有1 m 的厚度,是典型的板狀結構,更容易引起貫穿性裂縫。而在施工期間,施工單位未設置臨時施工縫,從結構上分析,長寬比偏大、高寬比過小是產生裂縫的原因之一。

（4）根據施工現場實際揭露情況及地質素描,在壩橫0+088.50 處的建基面揭露出f1 斷層,受斷層及斷層破碎帶影響,基面巖體呈薄層狀破碎,壩基地下水較豐富,墊層蓋重厚度較薄,是裂縫形成的又一主要原因。

綜上所述,基礎墊層混凝土裂縫的產生是多種因素疊加引起的,其裂縫的預防與控制是一個復雜的問題。應在可控范圍內解決大體積混凝土裂縫問題,為下一步壩基墊層裂縫的修補措施提供依據,以保證墊層混凝土的補強質量。

4 裂縫的處理及預防

4.1 裂縫處理方案

通過前述分析,受斷層及斷層破碎帶影響,廣山水庫大壩建基面巖體呈薄層狀破碎,壩基地下水較豐富,開挖后的基巖建基面受應力約束不能自由變形,加之墊層蓋重厚度較薄,引起壩基墊層混凝土多條裂縫。根據壩基已澆筑墊層混凝土裂縫的長度、深度、表面縫寬分布和大小,采取相對應的處理措施。

（1）Ⅱ類裂縫：采用化學灌漿[5]+表面涂刮彈性聚脲封閉的方式進行處理,處理方案為：采用切割機配合人工鑿梯形凹槽,梯形凹槽在裂縫兩端順延10 cm。鑿槽完畢后對局部不平整的混凝土表面用磨光機打磨平整,用水沖洗干凈縫面,以確保封縫材料與混凝土基面的結合強度。完成以上工作后,待底漆表面干后立即進行下一道工序。刮涂厚度應控制在1.2 mm～1.5 mm 左右,其厚度可以通過面積和用料量來控制,且涂層厚度要均勻。由于是立面施工,為防止材料流淌,涂層施工應進行2遍,保證聚脲厚度滿足1.2 mm～1.5 mm要求,周邊要光滑過渡。最后采用細石混凝土分層填縫。

（2）Ⅲ類裂縫：采用充填法和灌漿法相結合的方法進行修補。即先采用切割機配合人工鑿梯形凹槽,對局部不平整的混凝土表面用磨光機打磨平整,修補完成后要求表面平整、無灰塵、無明水,晾干后立即進行下一道工序,以防止混凝土表面再次受到污染。待待基面干燥后,沿縫兩側各165 mm寬范圍內,涂刷聚脲2 遍,均勻涂刷且不能漏刷,最后采用細石混凝土分層填縫。

（3）Ⅳ類裂縫：針對本工程存在的深層貫穿裂縫,為防止裂縫對上部壩體不造成影響,降低裂縫向壩體擴展的可能性,主要采用高標號細石混凝土及鉆孔灌漿進行處理。并對貫穿裂縫沿裂縫表面騎縫鋪設加強鋼筋,以裂縫為中心垂直裂縫對稱布置,鋼筋單根長2.5 m,間距200 mm,分布筋采用Φ20 鋼筋,間距250 mm。廣山水庫壩基墊層混凝土裂縫經過處理后,效果良好。

（4）考慮到本工程基礎墊層較薄,受F1 斷層破碎帶影響較大,經參建各方現場確認,對基礎墊層進行加厚處理,基礎固結灌漿待增加二層堆石混凝土蓋重（厚3.5 m）后再進行施工。為確保墊層混凝土不再增加裂縫,正在進行的固結灌漿孔采用M15 砂漿封孔,待增加蓋重后重新鉆孔灌注。

（5）通過現場已進行固結灌漿孔的灌注情況,結合本工程地質可減小固結灌漿壓力0.05 MPa,Ⅰ序孔為0.2 MPa,Ⅱ序孔為0.35 MPa。對裂隙沖洗打不起壓力的孔,開灌漿液水膠比改為2∶1。對漿液注入量較大的孔采取低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌漿。

4.2 預防措施

（1）嚴格控制混凝土溫度、減小基礎溫差、內外溫差及上下層溫差。主要可以從兩方面入手,一方面可以降低混凝土澆筑溫度,可以從降低混凝土出機口溫度主要采用風冷降低骨料溫度、加冰和用低溫水拌和等措施。減少運輸澆筑過程中溫度回升主要采取防曬隔熱設施,加強施工管理,加快澆筑速度,避開高溫時段澆筑,加強倉面降溫與保溫等措施入手。另外一方面則是通過控制壩體最高溫度,采取必要的溫控措施,使得壩體問題控制在設計運行范圍內,進而減少由溫度引起的裂縫問題。

（2）合理的安排施工進度和施工工序。對大體積混凝土應做到分層、分塊澆筑,在規范和技術條款允許高差要求前提下嚴格控制相鄰壩段高差。對基礎約束區混凝土應做到連續均勻上升,其余部位要做到短間歇連續均勻上升。對已澆筑的完成的混凝土要做好保溫保濕養護措施。

（3）針對已澆筑混凝土成型后由于養護不當,或者混凝土構件長期露天堆放,以及混凝土經過度振搗,收縮量加大等原因引起的裂縫。主要從控制混凝土水泥用量、水灰比和砂率等方向入手,加強混凝土早期養護,對有條件的可適當延長養護時間,同時覆蓋草簾、草墊定期灑水,保濕保溫。

5 結語

基礎墊層混凝土裂縫的產生是多種因素疊加引起的,其裂縫的預防與控制是一個復雜的問題,每個工程裂縫成因及部位也不盡相同,針對具體的裂縫應做到具體分析,采取相對應的工程措施進行處理。同時在項目實施過程中,應嚴格把好施工前、中、后期技術質量關,在可控范圍內解決混凝土裂縫問題。針對廣山水庫大壩基礎墊層混凝土裂縫已全部并采取了相應的補強處理措施。根據鉆孔檢查,結合大壩安全監測數據可知,裂縫中已充填滿了化學漿材,墊層裂縫無顯著變化,基巖變形已趨于穩定,證明該方案處理效果良好。廣山水庫裂縫處理方案可為后期類似工程的建設提供參考。