子長(zhǎng)縣紅石峁水庫(kù)泄洪洞裂縫成因分析

雷 慶 張 雁 趙小寧

（陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 陜西 西安 710018）

1 泄洪洞工程概況

泄洪洞位于大壩右岸，洞線從右岸山梁穿過(guò)布置成一條直線，泄洪洞主要由進(jìn)口段、塔身段、洞身段和出口段四部分組成，全長(zhǎng)437.5m。泄洪洞洞身全長(zhǎng)384m，圓拱直墻型，斷面尺寸4.5m×5.8m，采用C30鋼筋混凝土襯砌，厚度0.6m～0.8m。0+010m～0+130m即壩基帷幕灌漿線后15m襯砌厚度為0.8m，0+130m～0+315m洞身段直墻、頂拱襯砌厚度均為0.6m，底板襯砌厚度為0.8m，在0+315處隧洞比降由1∶50變?yōu)?1∶8.0，0+315～0+384段襯砌厚度均為0.8m。洞身鋼筋采用雙層鋼筋網(wǎng)片，主受力筋為φ22，構(gòu)造筋采用φ12，鋼筋間距200。

洞線表層覆蓋主要為Q3eol黃土，厚度5m～55m，進(jìn)出口基巖出露，洞線主要穿越巖性為T3w及J2y2砂、泥巖，強(qiáng)風(fēng)化厚度3m～5m，較破碎；弱風(fēng)化巖體較為完整。

泄0+000段～泄0+040段及泄洪洞出口泄0+315段～泄0+384段地質(zhì)條件較差，圍巖覆蓋厚度較薄，泄0+040段～泄0+220段洞身為泥巖夾層，初步確定在0+010～0+220和0+315～0+344段采用20a工字鋼支撐進(jìn)行支護(hù)。洞身全段采用10cm厚C25砼噴錨支護(hù)，洞身頂拱部位設(shè)置系統(tǒng)。

0+010 m～0+130m即壩基帷幕灌漿線后15m和0+315以后襯砌厚度為0.8m，0+130m～0+315m洞身段直墻、頂拱襯砌厚度均為0.6m，底板襯砌厚度為0.8m。0+010～0+220和0+315～0+344段采用20a工字鋼支撐進(jìn)行支護(hù)，其余段采用錨噴支護(hù)。0+130之后洞頂設(shè)置排水孔，采用全斷面固結(jié)灌漿，頂拱120°進(jìn)行回填灌漿?；靥罟酀{采用水泥砂漿，灌漿壓力0.4MPa，固結(jié)灌漿采用水泥漿。

泄洪洞0+300之前每隔10m設(shè)置一條環(huán)向變形縫，0+300～0+315每隔7.5m設(shè)置一條環(huán)向變形縫，0+315～0+324設(shè)置一條環(huán)向變形縫，0+324～0+384每隔10m設(shè)置一條環(huán)向變形縫。

2 泄洪洞洞身裂縫情況統(tǒng)計(jì)

在2014年11月18日業(yè)主組織管理人員對(duì)泄洪洞進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)有裂縫。12月8日采用鋼尺對(duì)裂縫進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，當(dāng)時(shí)洞內(nèi)溫度為-3℃，發(fā)現(xiàn)裂縫共計(jì)44條，37個(gè)澆筑段除1和34澆筑段沒(méi)有裂縫外，其余基本每個(gè)澆筑段均有裂縫，其中 7、8、12、16、18、20、22、27和 29這 9個(gè)澆筑段2條裂縫。裂縫一般發(fā)生澆筑段4m～6m的位置，縫寬0.1mm～1.8mm不等，形狀除單側(cè)裂縫6條和雙側(cè)裂縫4條以外，其余均為環(huán)向裂縫。

在發(fā)現(xiàn)裂縫后，組織人員對(duì)裂縫進(jìn)行前后3次對(duì)比觀測(cè)，各測(cè)觀測(cè)結(jié)果及對(duì)比情況詳見下表1。

3 泄洪洞施工情況簡(jiǎn)介

泄洪洞施工從2011年11月開始至2012年末結(jié)束。洞身開挖從進(jìn)、出口向中間進(jìn)行，從2011年11月開始，2012年3月底全部貫通。洞身襯砌由0+010～0+307.5依次施工，從6月21日開始，9月14日結(jié)束，基本每隔3天進(jìn)行澆筑；0+361.06～0+307.5從10月1日開始，11月1日結(jié)束；最后在11月13日進(jìn)行0+000～0+010段澆筑。

表1 各次裂縫觀測(cè)結(jié)果對(duì)比表

表2 施工時(shí)間與裂縫情況對(duì)比表

根據(jù)泄洪洞地質(zhì)編錄情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，該泄洪洞施工時(shí)超挖情況較為嚴(yán)重，平均超挖30.9%，其中進(jìn)出口段（0+175上游和0+310下游）超挖比較嚴(yán)重，一般為35%以上，中間段相對(duì)來(lái)說(shuō)超挖比較少，一般為20%左右，0+240～0+270超挖控制在5%左右。

根據(jù)泄洪洞灌漿資料顯示，泄洪洞固結(jié)灌漿從2013年4月22日開始至6月4日結(jié)束，共計(jì)歷時(shí)1.5個(gè)月。灌漿壓力為0.4Mpa，漿液水泥配合比0.3kg/L，其持漿量根據(jù)固結(jié)灌漿的長(zhǎng)度和范圍差異較大，一般情況下進(jìn)出口段持漿量較大，中間段較少。根據(jù)孔序不同，一般二期孔持漿量少。回填灌漿從2013年4月2日開始至4月19日結(jié)束，共計(jì)歷時(shí)18天。灌漿壓力為0.4Mpa，漿液水泥配合比1kg/L，其持漿量根據(jù)固結(jié)灌漿的長(zhǎng)度和范圍差異較大。

4 裂縫成因分析

4.1 裂縫與施工時(shí)間的關(guān)系

根據(jù)施工單位提供每個(gè)澆筑段的施工日期進(jìn)行對(duì)比，詳見表2。

從表上可以看出，裂縫多發(fā)生在7、8、9三個(gè)月，且這幾個(gè)月裂縫寬度與條數(shù)明顯大于其他幾個(gè)月。因此可以看出泄洪洞裂縫與施工時(shí)間有關(guān)系，且隨著溫度變化裂縫寬度也發(fā)生變化。

施工時(shí)平均溫度約為20℃左右，加之混凝土澆筑過(guò)程中水化熱溫度，造成混凝土澆筑完成后內(nèi)部溫度較高，而在冬季，洞內(nèi)溫度達(dá)到零度以下，澆筑時(shí)與冬季溫差大于30℃。在設(shè)計(jì)時(shí)，洞身結(jié)構(gòu)計(jì)算采用斷面法計(jì)算，未考慮縱向溫度應(yīng)力變化，加之施工時(shí)未進(jìn)行溫度控制措施，因此溫度應(yīng)力是造成泄洪洞裂縫的主要因素。

4.2 裂縫與地質(zhì)的關(guān)系

根據(jù)施工階段地質(zhì)編錄資料，整個(gè)泄洪洞按照基巖等級(jí)共分為四段，0+000～0+014進(jìn)口段為基巖斜坡可直接開挖。洞室圍巖強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾泥巖，屬極不穩(wěn)定Ⅴ類圍巖；0+014～0+080洞身段，洞頂侏羅系弱風(fēng)化泥巖夾砂巖，屬極不穩(wěn)定Ⅳ類圍巖；0+080～0+270洞身段，洞頂及洞身為侏羅系弱風(fēng)化泥巖，巖體較完整，屬極不穩(wěn)定Ⅳ類圍巖，；0+270m～0+340m洞出口段，洞頂及洞身為侏羅系弱風(fēng)化泥巖、砂巖互層，圍巖厚4m～11m,巖體較完整，；0+340～0+384洞身明挖段，基礎(chǔ)位于弱風(fēng)化泥巖及砂巖之上，開挖坡比1∶0.75。

洞身為Ⅳ類砂巖，有7塊，其中裂縫9條，平均每塊1.3條；洞身為Ⅳ類泥巖，有19塊，裂縫25條，平均每塊1.3條；洞身為Ⅳ類砂巖、泥巖互層，有7塊，裂縫8條，平均每塊1.1條，明挖段4塊，裂縫2條，裂縫較小。從以上可以看出，裂縫與施工方式有關(guān)，與地質(zhì)情況有一定關(guān)系。

4.3 裂縫與施工工藝和原材料關(guān)系

隧洞裂縫原因采用泵送混凝土，其水灰比比較大，容易產(chǎn)生混凝土干縮裂縫，加之襯砌完成后未及時(shí)進(jìn)行回填灌漿，混凝土干縮時(shí)無(wú)基巖進(jìn)行約束，因此易造成混凝土拉裂。

根據(jù)施工單位提供的8份施工過(guò)程的混凝土試件抗壓試驗(yàn)成果來(lái)看，其抗壓指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。施工單位提供了C30混凝土的配合比和抗凍試驗(yàn)報(bào)告。目前缺少施工實(shí)際配合比資料和其他試驗(yàn)成果資料。泄洪洞裂縫可能與原材料有關(guān)系。

泄洪洞混凝土澆筑在2012年6月～11月進(jìn)行，固結(jié)灌漿和回填灌漿在2013年4月～6月進(jìn)行，時(shí)間相隔5個(gè)月至1年時(shí)間，時(shí)間相差較大，其裂縫原因與支護(hù)后為及時(shí)灌漿有一定關(guān)系。

4.4 設(shè)計(jì)分縫原因

在設(shè)計(jì)中按照規(guī)范設(shè)計(jì)分縫一般采用10m，在32、33兩個(gè)澆筑段中分縫采用7m，在此兩個(gè)澆筑段中均存在環(huán)向縫（37-1、37-2），與10m分縫相同，因此泄洪洞裂縫與設(shè)計(jì)分縫10m太長(zhǎng)關(guān)系不大。

4.5 同類工程類比

經(jīng)過(guò)調(diào)查，在目前已成的與該水庫(kù)地質(zhì)條件相近、施工工藝相同的陜北幾座水庫(kù)的泄洪洞和輸水隧洞也出現(xiàn)裂縫問(wèn)題，經(jīng)過(guò)調(diào)查裂縫的發(fā)生由溫度應(yīng)力、水泥用量偏大和后期養(yǎng)護(hù)不及時(shí)等多種綜合因素造成。

5 紅石峁水庫(kù)泄洪洞裂縫成因分析結(jié)果

由于泄洪洞裂縫發(fā)生的比較有規(guī)律，一般發(fā)生在每個(gè)澆筑塊的4m～6m位置，僅有極少數(shù)發(fā)生在3.5m～3.7m位置，因此本次分析任務(wù)可以排除操作誤差和個(gè)性問(wèn)題的可能性。

通過(guò)以上分析認(rèn)為，泄洪洞裂縫成因可能主要有以下幾個(gè)方面因素：

1）裂縫與混凝土澆筑時(shí)段有關(guān)，夏季施工裂縫較多，冬季施工裂縫較少；溫度應(yīng)力是造成泄洪洞裂縫的主要因素。

2）地質(zhì)原因有可能造成洞身裂縫；

3）隧洞裂縫可能與原材料有關(guān)；

4）裂縫的發(fā)生由溫度應(yīng)力、水泥用量偏大和后期養(yǎng)護(hù)不及時(shí)等多種綜合因素有關(guān)。陜西水利