朱昌河水庫大壩混凝土裂縫成因分析及處理技術(shù)

鄧立南

(中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧 沈陽 110179)

1 工程概況

朱昌河水庫大壩樞紐工程位于北盤江二級(jí)支流朱昌河上(一級(jí)支流為烏都河)，在貴州省六盤水市盤州市英武鎮(zhèn)境內(nèi)，其工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，工程任務(wù)以供水為主，兼顧發(fā)電。該工程大壩為碾壓混凝土重力壩，全長共分10個(gè)壩段，最大壩高102.1m，壩頂長度264.9m，壩頂寬度8.2m，壩底最大寬度約90m。該壩體材料分區(qū)：距壩頂2.2m高度范圍為C2825W6F50二級(jí)配常態(tài)混凝土，河床壩基2.0m厚墊層及邊坡馬道1.0m厚墊層均采用C2820W6F50三級(jí)配常態(tài)混凝土；壩體上游不小于3.5m寬度的防滲區(qū)采用C18020W8F50二級(jí)配碾壓混凝土及C18020W8F50變態(tài)混凝土，下游為C18015W4F50三級(jí)配碾壓混凝土及C18015W6F50變態(tài)混凝土。壩體采用全斷面碾壓混凝土澆筑方案，即上下游面及兩側(cè)岸坡接觸面均采用澆漿振搗變態(tài)混凝土，中間為碾壓混凝土，并按照全壩段通倉斜層鋪筑方式施工。根據(jù)工程區(qū)域氣候條件和進(jìn)度要求，采用全年時(shí)段澆筑。

2 裂縫概況及成因分析

2.1 主要裂縫情況

朱昌河水庫大壩混凝土澆筑過程中出現(xiàn)了一些裂縫，橫向、縱向均有發(fā)育，裂縫長度、深度不一，經(jīng)統(tǒng)計(jì)核實(shí)的裂縫情況具體如下：

a.表面及淺層裂縫：深度小于0.1m的表面裂縫和0.1m≤深度<1.0m的淺層裂縫；表面裂縫出現(xiàn)時(shí)間較早，裂縫長度較短，縫隙明顯，但線形極不規(guī)則，一般為龜裂或干縮裂縫，主要在常態(tài)及變態(tài)混凝土區(qū)發(fā)育，尤其是溢洪道堰面發(fā)育較多；淺層裂縫相對(duì)較少發(fā)育，且細(xì)微不明顯，以橫向發(fā)育居多，長度多在1～3m，主要分布于碾壓混凝土區(qū)，常態(tài)混凝土區(qū)也偶有發(fā)育。

b.深層裂縫：1.0m≤深度<單倉澆筑厚度，裂縫長度相對(duì)稍長(但多在5m長度以內(nèi))，多出現(xiàn)于澆筑間歇時(shí)間較長的碾壓及變態(tài)混凝土區(qū)，常態(tài)混凝土區(qū)也有發(fā)育；該類裂縫多數(shù)大致橫向發(fā)育(垂直壩軸線方向)，縫寬較明顯，其發(fā)育數(shù)量與淺層裂縫大致相當(dāng)。

c.層間貫穿裂縫：深度≥單倉澆筑厚度，發(fā)育長度一般較長，多出現(xiàn)于常態(tài)混凝土區(qū)(如壩頂及河床壩基墊層常態(tài)混凝土區(qū)貫穿裂縫就相對(duì)較多：墊層區(qū)裂縫發(fā)育方向極不規(guī)則，相互交叉；壩頂常態(tài)混凝土區(qū)基本垂直壩軸線發(fā)育，且上下游、層高均貫通)，在碾壓及變態(tài)混凝土區(qū)也有少量發(fā)育(大致橫向發(fā)育，單倉層厚貫穿，且延伸長度小于1/3壩體寬度)；該類裂縫在常態(tài)區(qū)發(fā)育較多，碾壓及變態(tài)混凝土區(qū)則極少發(fā)育。

2.2 裂縫成因分析

2.2.1 內(nèi)外溫差過大導(dǎo)致開裂

溫度應(yīng)力是引起混凝土裂縫的主要原因[1]，對(duì)于齡期較早的混凝土來說，允許承受的拉應(yīng)力較小，很容易在混凝土表面產(chǎn)生裂縫[2]，且隨著應(yīng)力增加，裂縫有可能進(jìn)一步向深層發(fā)展，而溫度應(yīng)力的產(chǎn)生則主要由壩體內(nèi)外溫差過大所引起。由于壩體尺寸大，內(nèi)部水化熱難以快速散發(fā)，而表面與外界直接接觸，散熱快，極易造成壩體內(nèi)外溫差過大。而朱昌河水庫工程區(qū)域存在早晚溫差大、夏季直射溫度高、冬季存在低溫凝凍天氣等溫效特點(diǎn)，對(duì)混凝土溫控極為不利。

從朱昌河水庫大壩內(nèi)部溫度監(jiān)測情況看：2016年5月澆筑的基礎(chǔ)墊層常態(tài)混凝土內(nèi)部最高溫度為54℃，最大溫升達(dá)到34.0℃；后續(xù)澆筑的碾壓混凝土內(nèi)部最高溫度為42.3℃，最大溫升達(dá)到20.3℃。與同期外界氣溫對(duì)比，常態(tài)混凝土最大內(nèi)外溫差將近30℃，碾壓混凝土內(nèi)外溫差最大也達(dá)到了23.5℃。故因混凝土內(nèi)外溫差過大而產(chǎn)生的過大拉應(yīng)力，是導(dǎo)致混凝土開裂的主要原因。

朱昌河水庫大壩河床壩基常態(tài)墊層混凝土基本在澆筑2周后，便陸續(xù)出現(xiàn)不規(guī)則的裂縫，且存在貫通情況。因2018年12月中下旬出現(xiàn)一次凝凍降溫，隨后在1410.30m高程壩面下游側(cè)發(fā)現(xiàn)了多條裂縫(下游向上游最大延伸至將近1/3壩寬位置)，局部開裂貫穿單倉層。壩頂常態(tài)混凝土也在澆筑后3～7天便陸續(xù)出現(xiàn)了沿常態(tài)混凝土區(qū)貫穿的裂縫。

2.2.2 上下層倉號(hào)澆筑間歇時(shí)間過長

混凝土澆筑間隔時(shí)間長，容易出現(xiàn)凍脹裂縫等溫度裂縫[3]。受廊道等細(xì)部結(jié)構(gòu)施工影響，壩面碾壓混凝土多次安排集中停澆，后期停澆面在備倉清理時(shí)均發(fā)現(xiàn)有少量裂縫；而正常澆筑期間，上下層混凝土倉號(hào)間歇時(shí)間短，實(shí)際并未發(fā)現(xiàn)有裂縫產(chǎn)生。由此可見壩面停澆時(shí)間長，也是壩體產(chǎn)生裂縫的主要因素之一。初步分析主要是表面長時(shí)間未覆蓋混凝土，表層混凝土水分蒸發(fā)和降溫過快，并受其下層混凝土的約束而產(chǎn)生拉裂和干縮裂縫。該類情況多會(huì)發(fā)育成淺層或深層裂縫，且主要發(fā)生于碾壓混凝土范圍。

2.2.3 拆模及沖毛時(shí)間過早

拆模時(shí)間過早、表面迅速降溫會(huì)使得內(nèi)外溫差加大、表面拉應(yīng)力變得很大，在混凝土早期強(qiáng)度過低的情況下極易產(chǎn)生拉裂；同時(shí)，由于混凝土強(qiáng)度過低，拆模過程中會(huì)拽動(dòng)拉條而撕裂混凝土，從而形成裂縫。該類情況通常以表面或淺層裂縫形式出現(xiàn)，對(duì)常態(tài)混凝土影響較大。

沖毛時(shí)間過早，尤其是初凝前即進(jìn)行沖毛，表層混凝土受水侵入浸泡，降低強(qiáng)度的同時(shí)，水分蒸發(fā)后會(huì)加速干縮變形而產(chǎn)生裂縫或者形成龜裂，這也是實(shí)際施工期較常見的問題，變態(tài)及常態(tài)混凝土區(qū)尤為突出。

2.2.4 養(yǎng)護(hù)措施不到位

充分養(yǎng)護(hù)是保證混凝土強(qiáng)度等性能正常發(fā)展和防止干縮裂縫的重要措施[4]，混凝土的保溫對(duì)防止表面早期裂縫尤其重要[5]。保溫養(yǎng)護(hù)不到位造成水分散失和降溫過快，會(huì)沿混凝土表面產(chǎn)生干縮裂縫，大多數(shù)混凝土表層龜裂或淺層裂縫都是由此形成的，未能做好保溫養(yǎng)護(hù)的溢洪道堰面發(fā)育的多數(shù)裂縫與此相關(guān)。

3 裂縫處理措施

3.1 表面處理

a.開裂深度在0.3m以內(nèi)的淺層裂縫，直接騎縫鑿槽至裂縫消失為止，并根據(jù)槽口大小分別采用M25預(yù)縮水泥砂漿填抹封閉或高一等級(jí)細(xì)石膨脹混凝土回填搗實(shí)。

b.開裂深度大于0.3m的裂縫，表面均鑿槽封閉，縫面封閉材料采用預(yù)縮砂漿[6], 即采用M25預(yù)縮水泥砂漿填抹封閉(砂漿拌制后應(yīng)就地存放約1h，并在槽壁涂抹1mm厚、水灰比為0.45～0.5的水泥素漿后進(jìn)行填抹)；裂縫部位不要求防滲(如大壩下游面等)時(shí)，騎縫鑿6cm×5cm槽口后填抹預(yù)縮砂漿封閉即可，但裂縫發(fā)育較嚴(yán)重或現(xiàn)場具備灌漿作業(yè)條件時(shí)，鑿槽封閉后還應(yīng)進(jìn)行水泥灌漿封堵補(bǔ)強(qiáng)；對(duì)于上游面(二級(jí)配防滲區(qū)厚度范圍)、溢洪道過流面等要求防滲部位出現(xiàn)的裂縫，鑿槽封閉后應(yīng)采用化學(xué)灌漿封堵補(bǔ)強(qiáng)。

c.采取一些常規(guī)的并縫措施就能阻止裂縫向上發(fā)展[7]，故在完成縫口鑿槽封填及灌漿封堵后，沿裂縫全長方向騎縫對(duì)稱鋪設(shè)并縫鋼筋網(wǎng)片：沿立面或水平面通長騎縫對(duì)稱鋪設(shè)2.5m寬、直徑20～22mm的鋼筋網(wǎng)片條帶，以防止裂縫繼續(xù)發(fā)育延伸至其上層或相鄰側(cè)混凝土內(nèi)。

d.在溢洪道導(dǎo)墻、堰面及護(hù)坦等有抗沖耐磨要求的部位，對(duì)其出露的開裂深度在0.1m以內(nèi)的裂縫，采用騎縫鑿槽至裂縫消失為止，但封填材料改用丙乳砂漿；對(duì)于0.1m以上的裂縫，則采用化學(xué)灌漿封堵補(bǔ)強(qiáng)的處理措施。

3.2 裂縫水泥灌漿封堵

在具備水泥灌漿作業(yè)條件時(shí)，對(duì)于發(fā)育較嚴(yán)重的裂縫及貫穿壩體裂縫，采用水泥灌漿方式進(jìn)行灌漿封堵，主要用于處理河床壩基墊層常態(tài)混凝土、澆筑過程中壩面及壩頂常態(tài)混凝土等部位裂縫；但對(duì)壩體上游面等有防滲要求的部位仍需在蓄水前采取化學(xué)灌漿方式對(duì)裂縫進(jìn)一步封堵補(bǔ)強(qiáng)。采用水泥灌漿封堵方式時(shí)，在開孔灌漿前均應(yīng)進(jìn)行鑿槽封閉等表面處置。

3.2.1 布孔

在距裂縫約30～50cm處的兩側(cè)對(duì)稱布孔，按照同側(cè)孔距2～3m、兩側(cè)梅花形布孔的方式，以及兩側(cè)以不少于1.0m長度深淺不一地斜穿裂縫等要求鉆設(shè)灌漿孔，鉆孔孔徑控制在75mm以內(nèi)；鉆孔完成后采用灌漿壓力80%的壓力水沖洗，將孔內(nèi)渣粉清洗干凈，直至回水清澈為止。

3.2.2 灌漿作業(yè)

a.在兩側(cè)先深后淺、由一端向另一端逐段依次進(jìn)行鉆孔灌漿，每段相鄰2～3孔同時(shí)鉆孔，并由起始端開始逐孔依次進(jìn)行灌漿，以相鄰孔做排氣孔。

b.采用摻入U(xiǎn)EA混凝土膨脹劑(摻量為水泥用量的6%)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥凈漿作為灌漿材料(有條件下宜采用灌漿專用的濕磨細(xì)水泥)，按照水、膨脹劑、水泥的投料順序拌制，拌制均勻的漿液宜在4h內(nèi)使用完畢。

c.在沖洗干凈的灌漿孔內(nèi)插入注漿管，其管口距孔底約50cm，利用栓塞封閉孔口，采用循環(huán)式灌漿工藝，起灌水灰比宜為3∶1，并根據(jù)注漿量變化由稀到濃逐級(jí)變換，灌漿壓力按照不大于0.6MPa控制。

d.在灌漿壓力穩(wěn)定在0.6MPa且停止吸漿的情況下繼續(xù)灌注30min后結(jié)束灌漿，待水泥漿硬結(jié)后對(duì)干縮形成的孔內(nèi)空腔用0.5∶1水泥砂漿人工填充搗實(shí)。

e.對(duì)于壩頂常態(tài)混凝土區(qū)等范圍發(fā)育較深的貫穿裂縫，應(yīng)在孔內(nèi)封孔漿體初凝前，插入小于灌漿孔深0.1m且直徑不小于20mm的鋼筋，以提高縫面的結(jié)合質(zhì)量。

3.3 裂縫化學(xué)灌漿封堵

在裂縫開裂深度大于0.3m且有防滲要求的部位(如大壩上游面)，或是裂縫開裂深度大于0.1m且具有抗?jié)B及抗沖耐磨要求的部位(如溢洪道導(dǎo)墻、堰面及護(hù)坦等)，均采用化學(xué)灌漿封堵補(bǔ)強(qiáng)；前述范圍出現(xiàn)的裂縫即使前期已采用了水泥灌漿處理的，也應(yīng)采用化學(xué)灌漿的方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。裂縫較寬、發(fā)育明顯的裂縫，應(yīng)先進(jìn)行鑿槽封閉等表面處置；裂縫寬度細(xì)小且不明顯的，可不進(jìn)行鑿槽封閉，直接開孔灌填。由于壩體較厚，在裂縫發(fā)育較深的情況下，很難對(duì)裂縫全深范圍實(shí)施灌漿封堵補(bǔ)強(qiáng)，故化學(xué)灌漿補(bǔ)強(qiáng)厚度按照1～2m進(jìn)行控制。灌漿材料采用環(huán)氧樹脂AB膠(應(yīng)根據(jù)灌漿時(shí)長需要和注入量情況分別選取調(diào)制質(zhì)量比為A∶B為6∶1、5∶1、4∶1的混合漿液，攪拌均勻的漿液應(yīng)減壓脫泡15～20min后使用)，灌漿壓力均按照不大于0.8MPa控制(灌漿時(shí)應(yīng)由低至高逐漸加壓至最大壓力)，化學(xué)灌漿孔孔徑控制在15～20mm為宜。應(yīng)安排在壩頂封頂后、蓄水前實(shí)施化學(xué)灌漿，以便裂縫發(fā)展穩(wěn)定后利于提高灌漿封堵補(bǔ)強(qiáng)質(zhì)量。大壩上下游面化學(xué)灌漿部位采用電動(dòng)吊籃或坐板作為移動(dòng)施工平臺(tái)，主要處理部位為大壩上游面、溢洪道導(dǎo)墻及堰面、下游護(hù)坦等。

3.3.1 淺層裂縫化學(xué)灌漿施工

處理范圍主要集中于溢洪道導(dǎo)墻及堰面部位。對(duì)于發(fā)育深度小于50cm的淺層裂縫，采用騎縫鑿槽后，沿裂縫全長范圍按照不大于50cm的間距騎縫鉆設(shè)孔深為10～20cm的灌漿孔，鉆孔及基槽沖洗干凈后埋設(shè)灌漿嘴；在孔口涂抹丙乳凈漿將灌漿嘴固定牢靠，待灌漿嘴封填凈漿凝固并對(duì)基槽二次沖洗后，統(tǒng)一對(duì)縫槽采用丙乳砂漿封填密實(shí)。

待裂縫表面丙乳砂漿強(qiáng)度符合灌漿要求后，開始進(jìn)行灌漿施工。灌漿前將灌漿嘴上的閥門全部打開，采用高壓風(fēng)吹干孔、縫中的積水后開灌，并由低到高或由一端向另一端逐孔依次灌漿。灌漿時(shí)，打開所有灌漿嘴閥門，采用穩(wěn)壓慢灌、依次灌漿的方式；當(dāng)灌漿壓力沒有達(dá)到規(guī)定壓力而鄰近的灌漿嘴溢漿時(shí)，關(guān)閉并結(jié)扎出漿嘴，繼續(xù)壓漿；當(dāng)灌漿達(dá)到設(shè)計(jì)壓力基本不吸漿后，可在扎緊該灌漿嘴后，進(jìn)行下一孔的灌漿施工；待最后一個(gè)灌漿嘴注漿不吸漿后，屏漿并穩(wěn)壓10min后即可結(jié)束該條裂縫灌漿。

3.3.2 深層裂縫化學(xué)灌漿施工

對(duì)于發(fā)育深度不小于50cm的裂縫，在距裂縫20～30cm左右沿裂縫兩側(cè)開孔(見圖1)，左右梅花形布孔，在距表面40～60cm的深度斜穿裂縫，單側(cè)孔距40～60cm，斜穿裂縫后繼續(xù)延伸不小于30cm的長度。鉆孔完成并采用高壓風(fēng)吹洗干凈后(或采用設(shè)計(jì)灌漿壓力80%的高壓水沖洗并排凈孔內(nèi)積水后)，埋設(shè)灌漿嘴。按“先低后高”或由一端向另一端逐孔灌漿的順序依次進(jìn)行灌漿。灌漿時(shí)利用注入孔埋置的灌漿嘴進(jìn)行純壓式灌漿，灌漿壓力逐步升至設(shè)計(jì)壓力；當(dāng)臨近的非注入斜孔的灌漿嘴返出濃漿時(shí)，可接管進(jìn)行多點(diǎn)并聯(lián)式灌漿，直至達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)(即設(shè)計(jì)灌漿壓力下基本不吸漿)后結(jié)束注入孔的灌漿作業(yè)；完成注入孔灌漿后再按既定順序依次利用下一未出漿灌漿孔進(jìn)行灌漿，直至所有灌漿孔灌注完成后，結(jié)束該條裂縫的灌注。

圖1 化學(xué)灌漿孔鉆孔 (單位：cm)

4 檢查及效果分析

4.1 表面處理

a.對(duì)于開裂深度較淺的裂縫通過鑿槽填補(bǔ)直接去除了裂縫，效果直接明顯。

b.對(duì)于無法鑿除的較深裂縫，通過縫口鑿槽封填及鋪設(shè)騎縫鋼筋網(wǎng)片等表面處理，有效限制了裂縫發(fā)展，避免其繼續(xù)延伸至上層或相鄰后澆混凝土塊；處理后長時(shí)間的觀察發(fā)現(xiàn)，處理效果明顯，均未發(fā)現(xiàn)裂縫繼續(xù)延伸至后澆混凝土塊的現(xiàn)象。

c.采用表面處理的方式不僅經(jīng)濟(jì)，而且很好地改善了外觀并提高了混凝土表面強(qiáng)度；有效的封閉處理避免了外界水流沿裂縫處產(chǎn)生滲透或沖刷掏蝕，繼而造成混凝土結(jié)構(gòu)的二次破壞。

4.2 水泥灌漿

結(jié)合注漿情況和灌后壓水檢查評(píng)定灌漿封堵補(bǔ)強(qiáng)效果。經(jīng)檢查確認(rèn)，采用水泥灌漿方式處理的部位，其灌后布置的各檢查孔壓水值最大為0.84Lu，小于1Lu的設(shè)計(jì)合格標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際灌漿過程中，因水泥注漿材料的局限性，實(shí)際注漿量均不大，甚至少量裂縫存在無法注入的情況；同時(shí)，部分不具備灌漿作業(yè)條件的部位或細(xì)微裂縫等也未實(shí)施水泥灌漿；故對(duì)于有防滲或抗沖耐磨要求的部位仍存在隱患，后續(xù)需采用化學(xué)灌漿方式補(bǔ)充處理。

4.3 化學(xué)灌漿

主要結(jié)合灌漿過程表面溢漿(未鑿槽封閉的裂縫)或相鄰灌漿孔出漿(鉆孔埋管方式)情況和灌后檢查孔壓水檢查效果進(jìn)行質(zhì)量檢查，以表面溢漿或相鄰孔正常出漿，且灌后壓水檢查呂榮值小于1Lu為合格。通過檢查，化學(xué)灌漿注漿效果較好，細(xì)微裂縫也能有效注入漿液(據(jù)統(tǒng)計(jì)，裂縫每延米實(shí)際平均注入量達(dá)到了5.84kg)；且灌后檢查孔壓水值極小，在0～0.025Lu，效果非常明顯。

5 結(jié) 語

在混凝土大壩在施工期，一旦產(chǎn)生裂縫，就會(huì)對(duì)大壩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和防滲性能帶來極大的威脅，因此必須對(duì)裂縫問題充分重視并采取措施。通過檢查朱昌河水庫大壩混凝土裂縫，對(duì)其成因進(jìn)行分析，并根據(jù)裂縫部位混凝土功能要求，分別采用了表面處理、水泥灌漿封堵及化學(xué)灌漿封堵等補(bǔ)強(qiáng)措施，有效地提高了壩體的整體性和防滲效果。在對(duì)裂縫采取封堵補(bǔ)強(qiáng)措施的同時(shí)，更應(yīng)針對(duì)裂縫的成因采取有效的預(yù)防措施，這樣才能最有效、最安全、最經(jīng)濟(jì)地避免裂縫的產(chǎn)生。