SETH水利樞紐工程裂縫處理措施分析

翟 政，王立成，李躍強

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

1 工程概況

SETH 工程位于新疆阿勒泰地區(qū)青河縣烏倫古河上游河段，是烏倫古河流域規(guī)劃確定的唯一具有多年調節(jié)能力的水庫。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高75.5 m，壩頂高程1 032.0 m。工程所在地多年平均氣溫3.6 ℃，極端最高氣溫40.9 ℃，極端最低氣溫-42.0 ℃。多年平均蒸發(fā)量為1 571.8 mm；最大年蒸發(fā)量為2 073.5 mm（1965 年），最小年蒸發(fā)量為1 247.7 mm（1987 年）；夏半年4—9 月水面蒸發(fā)量為1 312.9 mm，占年蒸發(fā)量的83.5%，冬半年10—3 月水面蒸發(fā)量為258.9 mm，占年蒸發(fā)量的16.5%。基于當地氣候特點，大壩在施工過程中應特別關注混凝土的保溫保濕養(yǎng)護，以防止產生裂縫。

2 施工期溫控預防措施

每年4—10 月為碾壓混凝土壩主要建設期，而在冬季停止混凝土澆筑。這種間歇式的澆筑方式和嚴酷的天氣條件，在碾壓混凝土壩內部產生了特殊的溫度應力時空分布規(guī)律，提高了溫控和抗裂的難度。根據溫控仿真計算成果、壩體施工進度安排及壩址區(qū)氣候條件，采用如下溫控措施。

在滿足混凝土設計強度前提下，優(yōu)化混凝土配合比，以減少發(fā)熱量，從而降低混凝土的絕熱溫升。

混凝土施工期一般在每年的4—10 月，冬季停止施工。為節(jié)省溫控費用，需合理安排施工進度。施工面積較大的混凝土盡量安排在一天的低溫時段施工，在高溫季節(jié)澆筑混凝土時采取以下措施降低混凝土溫升：①混凝土骨料約占每方混凝土比重的90%，其溫控對于降低混凝土的出機口溫度至關重要。可在骨料場料堆頂上搭設涼棚，擋住直射陽光，減少陽光直射引起的骨料溫升。②增加堆料高度，各料場應盡量多儲備骨料以加大成品堆料高度，要求堆料有適當的高度。建立制冷場，使用在儲料倉內風冷粗骨料的方法，有效降低混凝土澆筑溫度。③對散裝水泥、粉煤灰使用儲存罐儲存，水泥、粉煤灰罐表面涂刷白色漆并用白色帆布外包，以反射陽光，降低儲存罐的吸熱率。在自卸汽車混凝土運輸過程中采取加蓋保溫措施，由專人負責保溫設施覆蓋，并減少運轉次數。加強混凝土運輸的施工組織與管理，加快混凝土入倉及覆蓋速度，縮短混凝土暴露時間。④在混凝土內埋設冷卻水管，在上覆混凝土澆筑3 d后，開始通水進行冷卻降溫，連續(xù)通水20 d為1 個時段。盡量避開中午陽光直射的施工時段，利用早晚和夜間低溫時段澆筑混凝土。提高混凝土入倉強度，及時攤鋪及時碾壓及時保溫，并盡量縮短上下層結合間隔時間。

對于溫度較高超過規(guī)范約束區(qū)容許溫差要求，在該區(qū)域應采取如預冷混凝土骨料、對碾壓混凝土進行倉面噴霧及加強保溫等其他溫控措施將最高溫度控制在允許范圍內。

大壩越冬保護措施如下：碾壓混凝土由于大量摻加粉煤灰，水化熱散發(fā)延遲，且通倉澆筑，層面短間歇，散熱不多，造成壩體達到穩(wěn)定溫度常需數十年之久。在漫長的降溫過程中遇到冬季長間歇混凝土停澆，會造成混凝土內外溫差過大，其上下游面會出現較大的拉應力。本工程施工期為每年4—10 月，11 月進入停工期，此時混凝土澆筑齡期短、強度低，而內部水化熱溫升導致壩體內外溫差很大[1]。壩體上游、下游面采取噴涂10、8 cm 厚聚氨酯泡沫作為永久保溫措施[2]。2018 年11 月—2019 年3 月，在壩面高程984.5 m 鋪設5 層2 cm 厚聚氨酯泡沫作為臨時保溫措施，具體做法如下：首先在越冬層面上鋪設防水彩條布，在其上噴涂厚2 cm 的聚氨酯泡沫；待聚氨酯泡沫成形硬化后，在其上鋪設1 層防水彩條布，再噴涂2 cm 厚的聚氨酯泡沫，重復上述步驟，直至鋪設5 層為止。2019 年11 月—2020 年3 月，在壩面高程1 023.5 m 鋪設5 層2 cm 厚聚氨酯泡沫作為臨時保溫措施。上游面配置溫度鋼筋。

3 施工期裂縫

在施工過程中，受自然條件、原材料、施工條件等因素影響，壩體個別壩段可能會出現不同程度的裂縫[3]。在施工期采取一系列溫控措施之后，仍發(fā)現部分壩段出現裂縫。

在施工備倉過程中發(fā)現4#—6#壩段、高程984.5 m倉面有12 條裂縫，在6#壩段越冬層面高程978.50 m、樁號0+90.00—0+108.00 存在水平裂縫，縫寬0.1～0.3 mm，展開深度從目前取芯及壩內廊道觀察來看，約為10～13 m。

各部位裂縫可分為以下3 種：①上、下游壩面的劈頭縫；②強約束區(qū)（越冬層面）上部新澆混凝土的縱向裂縫；③越冬層面（或相鄰）上、下游側的水平縫開裂。

4 裂縫成因分析

4.1 劈頭縫與強約束區(qū)上部新澆混凝土的縱向裂縫成因

水泥水化熱使壩體溫度上升。根據現場觀測，開裂部位基本為變態(tài)混凝土區(qū)及富膠凝混凝土區(qū)，上述兩區(qū)每方混凝土水泥用量分別比碾壓混凝土高出約60～70 kg，造成該部混凝土絕熱溫升為26～27、24～25 ℃。而短間歇連續(xù)升程的通倉澆筑施工使壩體溫度升高，散熱速度放緩，溫控控制不到位。

本工程越冬期長（11月—翌年3月），氣溫低，持續(xù)時間長，雖經越冬期的壩體上、下游側及倉面保溫，混凝土表面溫度仍較低，內部溫度較高，使其與上層新澆混凝土產生較大的溫差。據監(jiān)測，壩內混凝土最高溫度為45 ℃，而下層越冬層面的混凝土溫度為20 ℃，上、下層溫差達到25 ℃，超過溫控要求允許值，導致下層老混凝土對上層新澆混凝土的約束強烈，從而產生裂縫。

混凝土模板拆除時正趕上低溫時段，混凝土內外溫差過大，產生裂縫。

人工砂石骨料中石粉含量為21.3%，接近上限22%，且石粉中微粒含量（粒徑≤0.007 5 mm）超標約4%，致使混凝土中微粒含量超標，加大了混凝土的收縮，收縮應力增大最終導致了裂縫的產生。

人工砂石骨料中接近針片狀的大石較多且有部分超徑大石，使混凝土中砂漿包裹不充分，混凝土的抗裂性能降低，在各種應力作用下，導致裂縫產生。

9#壩段下樁號0+013.00—0+025.00 范圍在高程983.0 m 設置了入倉卸料通道，四周垂直布置，造成局部應力集中，引起裂縫。

4.2 水平裂縫成因

水平方向裂縫形成除上述縱向裂縫成因外，還可能有以下原因。

越冬混凝土彈模、強度、極限拉伸值等都與上層新澆混凝土差別較大，在溫度荷載作用下，二者難以產生變形協(xié)調，導致沿越冬層面水平開裂[4]。

越冬層面上，經沖毛處理后，澆筑時鋪1.0～1.5 cm厚的水泥漿或水泥砂漿，后澆筑上層混凝土。①澆筑時，工序銜接上有問題，再加上日照強、風大，漿鋪好后很快失水泛白，再攤鋪上層混凝土時，影響層間結合質量。②施工時漿泛白、失水，再進行補水時，補充水分過多，造成漿液中灰漿變稀、流失，影響層間結合質量。

越冬層面溫度低，而上部混凝土內部最高溫度很高，形成了較大的上、下層溫差以及內外溫差，由于上述兩種溫差作用，在越冬面上、下游附近產生較大的豎向拉應力，這是造成水平縫的主要原因。

綜上所述，內、外溫差產生的拉應力大于層間結合抗拉強度，故形成水平裂縫。

5 裂縫處理措施

5.1 上部新澆混凝土縱向裂縫及上、下游壩面劈頭縫處理措施

在裂縫端頭采用風鉆鉆應力釋放孔，孔深至越冬層面。鉆孔直徑≥5 cm，防止裂縫向壩內發(fā)展。

在距上游壩面0.5 m 裂縫處垂直套打3 個直徑100 mm 孔，孔深入越冬層200～500 mm，孔內灌注環(huán)氧砂漿。

沿裂縫走向開“V”形槽，槽中心線與裂縫中心線重合，槽深3 cm，槽頂寬度6 cm，槽內清理干凈后，用聚氨酯砂漿填槽并抹平。在“V”形槽中心線兩側平行裂縫呈梅花狀鉆注漿孔，然后進行灌漿，化學灌漿材料根據補強加固及防滲要求選用相應的灌漿材料，灌漿方法可參照《水工建筑物化學灌漿施工規(guī)范》（DLT 5406-2010）執(zhí)行。

灌漿完成后，在裂縫上出露位置倒扣半圓鋼管，管內填瀝青砂漿，半圓鋼管直徑≥150 mm，壁厚≥3 mm；半圓鋼管上部布置φ28三級鋼、間距200 mm的鋼筋網片，覆蓋裂縫，網片寬度4.5 m，具體布置如圖1—2所示。

圖1 裂縫處理剖面示意

圖2 裂縫處理平面示意

5.2 越冬層面水平縫處理措施

首先探測裂縫展開深度，若裂縫深度＜5 m，則只需要采用環(huán)氧樹脂灌漿處理即可，具體布置如圖3所示。在裂縫上部傾斜打入灌漿孔，穿過裂縫40 cm，孔排距3.0 m，并在縫外端部位做封閉處理，然后進行灌漿處理。

圖3 越冬層面小于5 m水平縫處理剖面示意

若探測裂縫展開深度≥5 m，首先采用環(huán)氧樹脂灌漿處理，灌漿處理完成后，在裂縫展開范圍內布設鋼管灌注樁，間排距3 m×3 m，孔內埋設標準鋼軌，并用高強度砂漿灌注鉆孔，具體布置如圖4所示。

圖4 越冬層面大于5 m水平裂縫抗剪樁處理平面示意

5.3 越冬層面水平縫預防措施

在越冬層面上游側埋設2 道銅止水，布設位置與大壩永久橫縫銅止水相對應，并與壩體永久橫縫銅止水搭接形成整體。

下游面處理誘導縫末端豎直布置一半圓鋼管，開口朝向下游，鋼管內填瀝青油麻，做間距200 mm鋼筋網，采用φ28三級鋼，詳細布置如圖5所示。

圖5 后期越冬層面處理剖面示意

6 結論

通過及時裂縫處理，能夠消除裂縫產生的不利影響。裂縫處理完成后，對裂縫處理部位鉆芯取樣檢查，結果表明裂縫處理能夠達到預想效果。

通過對壩體裂縫產生原因的分析可知，大壩基礎強約束區(qū)及上游面防滲區(qū)對混凝土溫控要求極高，容易產生溫度裂縫，影響壩體安全，施工中應采取切實可行的溫控措施[5]，控制混凝土內外溫差及強約束區(qū)基礎容許溫差達到設計及相關規(guī)范要求，防止混凝土形成嚴重溫度裂縫，從而保證混凝土澆筑質量及工程安全。