水工混凝土開裂受固結灌漿蓋重抬動的影響分析

余洞玉

(江西久源建設工程有限公司,南昌 330038)

0 引 言

固結灌漿是水利水電工程壩段施工中的必不可少的環(huán)節(jié),在大壩基礎防滲、穩(wěn)定、安全等方面發(fā)揮著重要作用。而大壩混凝土蓋重固結灌漿施工期間的蓋重抬動效應會引發(fā)混凝土蓋板、大壩產(chǎn)生裂縫,嚴重時還會危及大壩運行安全。一般而言,灌漿壓力、固結灌漿間歇時間等單因素以及固結灌漿上抬力和溫度應力的疊加等是造成水工大壩混凝土裂縫的主要方面。國內(nèi)外學者在蓋重灌漿過程中蓋重抬動造成混凝土開裂問題方面展開大量研究,但側重點大多集中在抬動程度受灌漿壓力影響以及如何有效預防和控制抬動等方面,對蓋重抬動影響混凝土應力的分析較少。文章結合具體工況,從工程實際出發(fā),對水工混凝土應力受固結灌漿施工所造成蓋重抬動的影響展開仿真分析,總結混凝土應力變化規(guī)律,指導工程實踐。

1 蓋重抬動變形機理

固結灌漿蓋重抬動的原因在于注漿引起蓋重下方基層土體體積膨脹,克服上方倒圓臺形土體重力、剪切力及荷載后引發(fā)蓋重變形。蓋重結構中設置有鋼筋網(wǎng),其自身屬于線彈性體,當注漿壓力達到一定水平后,便會在漿液上部土體中形成倒圓臺形剪切面[1]。一旦注漿壓力動載荷所引起的上抬力P克服倒圓臺土體結構自重Gt,在剪力Ft引發(fā)蓋重彈性變形時,便會造成蓋重上抬。以上受力過程見圖1。

圖1 蓋重抬動變形受力分析

為簡化分析,將蓋重結構下方土體劃分成巖體和土體兩部分,注漿施工時,注漿壓力動載荷經(jīng)過土體和巖體后施加于混凝土蓋重結構,具體的分布形式則與巖體裂隙發(fā)育、巖體特性、地下水、巖體位移、土體變形的遲滯效應等因素有關,由此造成注漿壓力的難控制性、時變性和非線性[2]。為確保工程質量,注漿過程中蓋重抬動變形所允許的位移值一般較小,故此處假定,土體內(nèi)注漿壓力均勻分布。土體抬動所承受的均布注漿壓力按下式確定:

(1)

式中:P為土體抬動所承受的均布注漿壓力;Pc為注漿孔內(nèi)注漿壓力;μ0為漿液黏度;Q為注漿量;b為裂縫寬度;r為漿液擴散半徑;rc為注漿孔孔徑。

倒圓臺土體結構自重以及剪力依次按下式計算:

(2)

(3)

2 工程概況及裂縫情況

周寧抽水蓄能電站位于福建省寧德市下轄周寧縣七步鎮(zhèn)境內(nèi),電站裝機容量1200MW(4×300MW)。攔河壩為碾壓混凝土重力壩,壩頂及建基面高程分別為1421m和1418m,壩體最高201m,壩頂長462m,大壩共分成16個壩段,文章選取最高的7#河床壩段展開研究。

根據(jù)工程地質條件,分別采用由上至下分段灌漿和由下至上分段灌漿的施工方法,并分Ⅰ、Ⅱ序次灌漿。其中,灌漿蓋重的設計厚度必須控制在7.5m及以上,等其所用部位混凝土的實際強度達到設計值50%后再依次展開鉆孔與灌漿施工。7#河床壩段裂縫發(fā)生后對Ⅰ序注漿孔和Ⅱ序注漿孔均存在一定影響,必須待物探孔檢測完畢后才能鉆設灌漿孔;混凝土蓋重厚度應達到3.0m以上,同時將Ⅰ序灌漿孔首段注漿施工壓力維持在0.5～0.6 MPa范圍內(nèi)。該水電站攔河壩前方以及后方既有裂縫四周的注漿孔布置參數(shù)取值情況見表1。表中孔號表示壩段-列-排-灌漿分區(qū)。

表1 壩前和壩后裂縫周邊注漿孔具體情況

7#壩段第2澆筑層和第3澆筑層墊層混凝土均采用常態(tài)混凝土,澆筑施工于2020年5月7日正式展開,兩日后完成此項施工任務;并于5月14日安排進行攔河壩固結灌漿任務,次日常規(guī)檢查中檢測人員在墊層混凝土的表面觀測到肉眼可見裂縫。該壩段第7澆筑層采用碾壓混凝土,于2020年6月10日開始澆筑,6月12日完成澆筑,6月19日開始有蓋重固結灌漿施工;7月2日8～10#壩段混凝土表面出現(xiàn)貫穿性裂縫。

綜合調(diào)查結果發(fā)現(xiàn),該工程大壩裂縫發(fā)生的時間主要集中在兩個階段:第一階段是壩基固結灌漿期間,部分壩段于灌漿施工期間出現(xiàn)裂縫,混凝土蓋重厚度基本在5.0～11.0m之間,裂縫深度普遍在表層0.6～1.0m,均為淺層裂縫,僅1條裂縫深度達8.2m;第二階段是固結灌漿工后深度位于表層0.5～1.0m的典型倉面裂縫。

3 裂縫形成模擬

3.1 有限元模型

構建周寧抽水蓄能電站7#河床壩段有限元模型。壩基以下基巖厚度按照壩高的1.5倍取值,壩軸線上下游順河流向基巖范圍也按照壩高的1.5倍取值;同時向兩側邊界以及攔河壩基巖結構的底部均施以取值固定的法向約束。順水流向為x向,鉛直向為y向。壩體側面、地基側面及地基底面均按照絕熱邊界處理[3]。

截止6月12日,該抽水蓄能電站7#河床壩段已澆筑9倉,包括2種常態(tài)混凝土和2種碾壓混凝土,已經(jīng)澆筑完成的混凝土材料主要熱力學參數(shù)、絕熱溫升及彈性模量等的取值情況見表2,考慮到篇幅所限,未列示混凝土自生體積變形和混凝土徐變。

表2 壩段混凝土主要熱力學參數(shù)取值

固結灌漿施工期間,灌漿孔處發(fā)生抬動現(xiàn)象,進而引起灌漿施工區(qū)域四周大面積抬動變形。為體現(xiàn)灌漿過程中壩體抬動及受基巖的約束,應在壩基底部等效施加抬動荷載。在第3澆筑層澆筑結束后7d,于上游端至沿水流向的結構縫(0+065.0)處向壩基底部節(jié)點施荷。待第7層澆筑結束后7d,以沿水流向的結構縫(0+065.0)處為起始點,直至所在河段下游端部為終點,向該段壩基底部相應節(jié)點處施荷。以上固結灌漿施工過程中,位移抬動方式和灌漿壓力均應保持一致。

在全面深入研究混凝土應力受抬動位移及灌漿壓力影響后,還應結合該抽水蓄能電站7#河床壩段固結灌漿具體施工組織安排以及周邊灌漿孔施工參數(shù)變動趨勢的監(jiān)測結果,向相應壩基段施以設計壓力,同時施予相應的抬動位移荷載,以較好模擬灌漿施工可能造成的蓋重抬動形式及程度。

3.2 計算工況

該抽水蓄能電站7#河床壩段于2020年5月7日開始灌漿,主要采取表面保溫和通水冷卻的溫控措施。以塑料水管為冷卻水管,并按1.0m的水平間距和1.5m的垂直間距設置;水管導熱系數(shù)取5.89kJ/(m·h·℃),單根水管長300m,按S形鋪設;冷卻水管表面使用等效散熱系數(shù)2.73kJ/(m·h·℃)的保溫材料。初期持續(xù)通水冷卻15d。計算工況見表3。

表3 仿真計算工況

3.3 模擬結果

對該抽水蓄能電站7#河床壩段已經(jīng)澆筑完成的倉面應力分布情況展開模擬,得出不同工況下主拉應力取值。根據(jù)分析,該攔河壩段從0+065.0樁號處的結構縫開始,位于其之前1416.8m高程處的墊層混凝土以及位于其之后1411.2m高程處的碾壓混凝土,全部在固結灌漿施工過程開始以后發(fā)生表面裂縫。據(jù)此所得出的分析結果也只是對以上兩處混凝土在固結灌漿施工過程中第一主應力進行了明確顯示。

3.3.1 無溫度荷載

為分析溫度荷載為0情況下灌漿壓力對混凝土應力的影響情況,主要針對工況1、3、5展開;為分析溫度荷載為0情況下蓋重抬動對混凝土應力的影響,則針對工況7、9、11展開。根據(jù)仿真結果,在灌漿壓力或者是蓋重抬動的影響下,混凝土拉應力水平均較低,最大拉應力不超出0.1～0.4MPa的范圍;此后隨著灌漿壓力的增大,碾壓混凝土和墊層混凝土拉應力均小幅度增加:當灌漿壓力從0.3MPa增至0.5MPa時,碾壓混凝土和墊層混凝土最大拉應力僅增大0.06MPa和0.07MPa;而當灌漿壓力從0.5MPa增至0.8MPa時,碾壓混凝土和墊層混凝土最大拉應力僅增大0.07MPa和0.12MPa?？傊?灌漿壓力的增大所引起的混凝土拉應力的增加始終維持在較低水平;灌漿壓力的變動不足以引起過高的拉應力。

在忽略溫度荷載的作用下,當混凝土結構的蓋重所實際發(fā)生的抬動量為1.0mm、1.5mm、2.0mm時,所引起的混凝土拉應力最大值分別取1.57MPa、1.64MPa和1.79MPa,而墊層混凝土最大拉應力依次為1.82MPa、1.86MPa和1.90MPa。因蓋重抬動的影響,混凝土結構內(nèi)部出現(xiàn)較大拉應力,主要因為受影響的混凝土處于強約束區(qū)地基范圍內(nèi)。蓋重抬動1.0mm時,混凝土拉應力已經(jīng)處于較高水平,抬動位移增大至2.0mm后碾壓混凝土和墊層混凝土最大拉應力便維持在較高水平,也就是說,設計工況下蓋重抬動位移會造成混凝土拉應力的快速發(fā)展,抗拉安全系數(shù)降低。

3.3.2 施加溫度荷載

在灌漿壓力或蓋重抬動等單因素工況下均疊加溫度荷載,所得出的應力仿真結果見表4。工況2、4、6下大壩混凝土同時受到溫度應力和灌漿壓力的影響,根據(jù)表中仿真結果,3種工況下墊層混凝土拉應力最大值分別為0.87MPa、0.95MPa和1.06MPa,抗拉安全系數(shù)對應的最小取值依次取2.85、2.64、2.38;碾壓混凝土所實際表現(xiàn)出的拉應力最大值依次取0.56MPa、0.63MPa、0.68MPa?？梢?以上混凝土結構的抗拉安全系數(shù)取值全部位于2.0以上,也就是說,壩段混凝土開裂并不是在溫度荷載以及灌漿壓力兩個方面的綜合作用下發(fā)生;然而根據(jù)分析結果,混凝土結構的抗裂安全系數(shù)取值的確隨著灌漿壓力的增大而呈緩慢減小的變動趨勢,表明灌漿壓力是造成混凝土開裂的輔助性原因。

表4 疊加溫度荷載后的應力仿真結果

工況8、10、12下大壩混凝土同時受到溫度荷載和蓋重抬動的影響,根據(jù)表中仿真結果,3種工況下墊層混凝土拉應力最大值分別為3.58MPa、3.69MPa和3.89MPa,抗拉安全系數(shù)最小值分別為0.69、0.68和0.64;而碾壓混凝土拉應力最大值分別為2.17MPa、2.25MPa和2.42MPa,抗拉安全系數(shù)最小值分別為0.46、0.45和0.42。結果表明,溫度荷載和蓋重抬動綜合作用使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大拉應力,且兩種混凝土最大拉應力均超出了相應齡期拉應力極限值,且抗裂安全系數(shù)值均在1.0以下。在地基強約束下,混凝土內(nèi)部過高的拉應力是引發(fā)混凝土開裂的主要原因[4]。

4 結 論

結合文章分析結果,在灌漿壓力和蓋重作用下,常態(tài)墊層混凝土和碾壓混凝土拉應力均較小,但與溫度荷載疊加作用后拉應力均增大,所以在壩段固結灌漿施工期間,不得為追求灌漿效果而盲目增大灌漿壓力。根據(jù)對該水電站攔河壩固結灌漿混凝土蓋重抬動活動的模擬分析看出,蓋重混凝土結構的拉應力表現(xiàn)出較為迅猛的發(fā)展態(tài)勢,抗拉安全系數(shù)取值均在1.0及以下,對結構安全極為不利;在壩段地基地質條件不良的影響下,灌漿施工部位先后表現(xiàn)出較為嚴重的串孔問題,一系列誘因必然引起倉面裂縫。為有效防止固結灌漿施工過程中裂縫的發(fā)生,必須在施工 開始前展開深入細致的地質勘查,結合具體的地質條件擬定合適的灌漿施工方案并確定相應注漿壓力,避免造成因地基過大變形而引發(fā)的抬動位移?？紤]到壩段混凝土拉應力對溫度荷載較為敏感,故該工程壩段固結灌漿施工應盡可能避開高溫季節(jié),或采取嚴苛的溫控措施,將混凝土各項指標取值控制在合理范圍內(nèi)。