某混凝土重力坝裂缝分类及产生原因综述.pdf

水利水电技术第 4 2卷2 0 1 1 年第 7期 某混凝 土重力坝裂缝分类及 产 生原 因综述 刘 涛，卢冰华 ( 新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐8 3 o o o 0 ) 摘要：某水利枢纽工程碾压混凝土重力坝大坝混凝土在施工期产生一些裂缝，本文对混凝土裂缝进 行 了分类 ，并对裂缝产生的原 因进行 了初步分析，供其他类似工程借鉴。 关键词：碾压混凝土重力坝；裂缝；分类；成因分析 ；新疆 中图分类号：T V 6 4 2 1 ( 2 4 5 ) 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 1 ) 0 7 0 0 4 8 0 4 Re v i e w O N c l a s s i fi c a t i o n o f c r a c k s o n a c o n c r e t e g r a vit y d a m a n d t h e i r c a u s a ti o n s L I U T a o，L U Bi n g h u a ( X i n j i a n g S u r v e y a n d D e s i g n I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r ， U r t i mq i 8 3 0 0 0 0 ，X i n j i a n g ，C h i n a ) A b s t r a c t ： S o m e c r a c k s o c c u r r e d o n t h e c o n c r e t e o f t h e R C C g r a v i t y d a m f o r a w a t e r c o n t r o l p r o j e c t d u r i n g t h e c o n s t r u c t i o n T h e c o n c r e t e c r a c k s a r e c l a s s i f i e d he r e i n，a n d t h e n the c a u s a t i o n s o f t h e m are p r e l i mi na r i l y a na l y z e d，S O a s t o p r o v i d e s o me r e f e r e n c e s fo r the s i m i l a r p r o j e c t Ke y w o r d s ： R C C gra v i t y d a m；c r a c k s ； c l ass i fi c a t i o n ； c a u s a t i o n a n a l y s i s ； X i n j i a n g 1 工程概况 某水利枢纽工程 总库容 2 4 1 9亿 m ，主坝最大 坝高 1 2 1 5 m，为 I等大( 1 ) 型工程，R C C主坝为 1 级建筑物。坝顶高程为 7 4 5 5 0 m，坝顶宽 1 0 m，坝 顶总长 1 5 7 0 m，全坝分 为 8 7个 坝段 ，横缝间距为 l 5 2 0 m。混凝土总量约 2 8 3万 m ，共布置 4个表 孔 ，1 个 中孔 ，1 个底孔。 2 裂缝概 况 2 1 裂缝数量 截止 2 0 0 9年 8月中旬，大坝混凝土共 出现裂缝 约 1 9 3 条 。其中大坝 I标段 1 3 5条 ，大坝 标段 6 8 条。 2 2裂缝 分类 按裂缝出现部位及表现形式 ，混凝土裂缝可以分 为以下 7种类型： ( 1 ) 固结灌浆混凝土盖重区裂缝。表现为纵向或 横向贯穿性裂缝 ，此类裂缝深度较深，竖 向深度一般 贯穿固结灌浆混凝土盖板 ，部分裂缝贯穿上游二级配 区。 ( 2 ) 固结灌浆混凝 土盖板 与上 部碾压混凝 土交 界处裂缝。一般表现为水平裂缝 ，且几个坝段 的上 下游面沿交界面水平连通 ，裂缝水平深度一般为 2 3 m 。 ( 3 )坝顶碾压混凝土与上部常态混凝土交界处裂 缝。一般表现为水平裂缝 ，且几个坝段沿交界面水平 连通 ，且贯穿坝体上下游面( 约为 1 0 m) 。 ( 4 ) 溢流面常态混凝土与坝 内碾压混凝土交界处 裂缝。此类裂缝为表层裂缝 ，深度约为 2 4 c m，较 浅 ，纵向贯穿整个坝段 。 ( 5 ) 大坝越冬层面混凝土裂缝。一般表现为纵 向 裂缝，深度一般为 1 0 c m左 右，个别深度 约 1 0 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 2 0 9 作者简介：刘涛( I 9 7 2 一) ，男 ，高级工程师。 W a te r Re s o u r c e s a n d l -l y d r En g i n e e r i n g Ii o 1 4 2 No 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 m，此类裂缝数量不多 ，但纵向一般贯穿 2 3个 坝段 。 ( 6 ) 大坝碾压混凝土裂缝。大部分表现为纵 向裂 缝、横向裂缝 ，个别为沿缝面的水平裂缝。纵向及横 向裂缝深度 以表层裂缝为主 ( 2 5 c m) ，部分为浅层 裂缝( 2 0 6 0 c m) ；水平裂缝大部分为浅层裂缝 ( 1 0 6 0 e m) ，个别为深层裂缝 ( 3 m左右) 。 ( 7 ) 结构混凝土裂缝。此类裂缝主要分布在大坝 表孔、底孔边墙 或导墙。裂缝 深度不等 ，有 表层裂 缝 ，也 有贯 穿裂缝 。 3 裂缝处理方法简述 ( 1 ) 固结灌浆混凝土盖重 区裂缝。因裂缝深度较 深 ，竖 向深度一般贯穿固结灌浆混凝土盖板 ，部分裂 缝贯穿上游二级配区，为不改变大坝受力状态 ，对该 类裂缝主要采用化学灌浆 ，并沿缝面布设并缝钢筋 的 方 法处理 。 ( 2 ) 固结灌浆混凝土盖板与上部碾压混凝 土交界 处上下游水平 裂缝。裂缝水 平深度 一般为 23 n a ， 主要采用化学灌浆 ，沿缝面粘贴碳纤维布、结合坝体 压水孔设置抗滑锚筋桩的方法 处理 。6 6 坝段还在坝 后与岸坡岩石之 间 回填混 凝土 以提高坝体抗 滑稳定 性 。 ( 3 ) 坝顶碾压混凝土与上部常态混凝土交界处水 平裂缝。由于该类裂缝高程 已在正常蓄水位以上 ，对 坝体危害不大，主要采用对缝面进行化学灌浆和水泥 灌浆的处理方法。 ( 4 ) 溢流面常态混凝土与坝 内碾压混凝土交界处 裂缝。为表层裂缝 ，深度约为 2 4 e 1 1 ，采用布设并 缝钢筋 ，并缝钢筋一端与溢流面表层钢筋搭接的处理 方法。 ( 5 ) 大坝越冬 层面混 凝土 裂缝 。主要为纵 向裂 缝 ，深度一般为 1 0 c m左右，个别深度约 1 0 2 0 m。 主要采用化学灌浆 、沿缝 面设置并缝 钢筋 的处理 办 法 。 ( 6 ) 大坝碾压混凝土裂缝 。纵 向裂缝 ：对于深 度较小的表层裂缝 ，采用骑缝布设并缝钢筋的处理办 法 ；对于浅层裂缝 和深度 较大 的裂缝 ，采用化学灌 浆 、沿缝面设置并缝钢筋的处理 办法 。横 向裂缝 ： 对于深度较小且分布 于上 游二级配区 以外 的表层裂 缝 ，采用骑缝布设并缝钢筋的处理办法 ；对于上游发 生在二级配区或贯穿上游二级配区的裂缝 ，无论是浅 层裂缝还是深层裂缝 ，均采用化学灌浆并骑缝布设并 缝钢筋的处理办法 ，部分裂缝埋设 了铜止水 。水平 水利水电技术第 4 2卷2 0 1 1年第7期 刘涛， 等某混凝土重力坝裂缝分类及产生原因综述 裂缝 ：对于沿碾压混凝土缝 面产生 的上下游水平裂 缝 ，此类裂缝水平深度一般为 1 m左右，主要采用化 学灌浆的处理办法 ；对于 3 9 4 0 坝段高程 6 7 3 5 n l 发生的水平裂缝 ，主要对裂缝下游面采用 化学灌浆、 中部采用水泥灌浆 ，并结合压水试验孔布设锚筋桩 的 处理 办法 。 ( 7 ) 结构混凝土裂缝。此类 裂缝缝宽较窄 、缝长 较短 ，主要采用化学灌浆 的处理办法 ，有条件时布设 并缝钢筋。 4裂缝成因分析 4 1 固结灌 浆混凝 土 盖重 区裂缝 4 1 1 表面裂缝 混凝 土盖板上 出现表 面裂 缝的原 因主要是 因气 温骤降所致。如 3 0 、3 1 坝段盖板水平表 面出现的 平行于坝轴线 的裂缝 ，主要是 因为该坝段 固结灌浆 施工时气温骤降 ，此 时混凝土已浇筑 2 O多 d ，由于 正在进行固结灌浆施工 ，降温期 间表 面未进行 临时 保温 ，从而导致表面温度应力超标 ，导致混凝 土开 裂 。 4 1 2深 层 裂缝 主要有两种形态，一种是 出现在坝体中部的平行 于坝轴线的纵向裂缝 ，另一种是出现在坝段中部上游 面的劈头裂缝。主要原因如下 ： ( 1 ) 基础 固结灌 浆盖板 为一 块薄 而大的板状结 构 ，浇筑块 “ 高宽 比” 较小。根据 国内研究成果 ，当 高宽比小于 1 8时 ，浇筑块 内出现拉应力 范围较大， 容易产生贯穿性裂缝。而本工程 I 标高宽比约为 1 5 0 ， 标高宽 比约为 1 1 01 1 4，较易产生裂缝。 ( 2 ) 大坝基础垫层浇筑温度过高 ，垫层混凝土内 出现的最高温度较高 ，在降温过程中，由于基础垫层 混凝土处于基础强约束 区，产生的拉应力超过 了允许 拉应力而使混凝土开裂。从出现裂缝的盖板来看 ，这 些薄层浇筑块基本在气温较高的 6 、7 、8月份浇筑 ， 有些坝段盖板采用常态混凝土浇筑 ( 如左岸 1 l O 坝段) ，浇筑温度较高导致这些坝段盖板 内最高温度 较高 ，实际监测资料表明，出现裂缝 的这些坝段盖板 最高温度大都在 3 43 8。 ( 3 ) 基 础 垫 层 混 凝 土 浇 筑 后 进 行 较 长 时 间 的 间 歇 ，在固结灌浆施工过程中如遇外界气温骤降时，会 产生较大的内外温差 ，从而导致整个垫层高度范围内 温度梯度较大，容易产生贯穿性裂缝 。 4 2 固结灌 浆 混凝 土 盖重 与上 部 碾压 混 凝 土交界 处 裂缝 裂缝发生在固结灌浆混凝土盖板与上部碾压混凝 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘涛， 等某混凝土重力坝裂缝分类及产生原因综述 土交界 处裂缝 ，指 6 6 6 8 坝段 上 下游 面水平 裂 缝 。 3个坝段 ( 长 6 0 m) 的上下游 面沿交 界面水平连通 ， 裂缝水平深度一般为 2 3 m。 4 2 1 裂缝 分布 6 6 一 6 8 坝段( 1 +2 0 01 + 2 6 0 ) 位于右岸阶地坝 段 ，每个坝段长 2 0 m，坝高 4 J 4 84 9 8 m，发现裂 缝时坝体浇筑高度约为 8 0 1 11 。经检查 ，坝体上下游 面裂缝均为水平裂缝 ，裂缝沿固结灌浆混凝土盖板顶 部开裂 ，缝宽为 0 10 2 n l 。经 压水试验检查 ，上 游面水平裂缝深度不应超过 2 5 m，下游面水平裂缝 深度不应超过 2 0 r fl ，层间裂缝 自上游至下游没有贯 通；除上下游面裂缝向坝内延伸一定深度外，坝段中 部基本没有产生裂缝。 4 2 2原因分析 ( 1 ) 从仓面浇筑信息及温度监测 资料来看 ，水平 裂缝上下层混凝土温差约为 1 3，小于允许上下层 温差( 1 5 ) ，并未超标 ，因此该水平裂缝不是 因上 下层温差过大使竖向应力超标而产生的。 ( 2 ) 裂缝分布形态来看 ，裂缝沿混凝土固结灌浆 盖板顶部裂开 ，因固结灌浆施工，裂缝上下层混凝土 浇筑间歇长达7 0 d ，上下层混凝土的强度、弹性模量 差别较大是引起该水平裂缝原因之一。 ( 3 ) 下层混凝土洒水养护不充分 ，上层混凝土施 工时下部混凝土较为干燥 ，摊铺的砂浆面积过大，水 分损失较快 ，在摊铺上层混凝土时砂浆 已经失水干 燥 ，造成缝 面结合强度减弱 ，也能是引起该水平裂缝 原因之一。因此 ，该水平裂缝产生的主要原因是上下 层混凝土浇筑长间歇引起 的。 4 3坝顶碾压混凝土与上部常态混凝土交界处裂缝 指 3 5 坝段高程 7 4 0 5 m上下游面水平裂缝和 7 9 一 8 1 坝段高程 7 4 0 5 m下游面水平裂缝。 ( 1 ) 裂缝分布。裂缝为水平裂缝 ，沿碾压混凝土 与坝顶常态混凝土交界处开裂 ，23个 坝段 同时沿 交界面水平连通 ，3 一5 坝段裂缝水平深度基本贯穿 整个坝体( 约为 1 0 m) ，7 9 一 8 1 坝段下游面裂缝水 平深度约为 1 1 1 。 ( 2 ) 原因分析。此类裂缝 产生 的原 因不是很 明 确。定性 的分析原 因如下：裂缝下部为碾压混凝 土， 上部为常态混凝土，裂缝 上下层混凝土 浇筑间歇 约 4 0 d ，上下层混凝土的强度、弹性模量差别较大，混 凝土收缩不一致 ，加之上部常态混凝土厚度较薄( 只 有 1 m) ，可能是引起该水平裂缝的原因。 4 4溢流面常态混凝土与坝内碾压混凝土交界处裂缝 此类裂缝 发生 部位 为 溢流 面下 部 常态混 凝 土 5 0 过渡 层 ( R 。 。 2 5 0 W8 F 2 0 0)与坝体 内部碾 压 混凝 土 ( R 1 5 0 W4 F 5 0 ) 交界处和 中底 孔前部 闸井常态混凝 土与坝体碾压混凝土交界处 ，均为表层裂缝 ，深度约 为 2 4 c m，纵向贯穿整个坝段。 溢流面、过渡层常态混凝 土、闸井常态混凝 土 与坝体 内部碾 压混 凝土 采用 了 同步上 升 的施 工工 艺 ，因过渡层常态混凝土与坝体 内部碾压混凝土强 度标号、设计龄期和水泥用量不 一致 ( 过渡层常态 混凝土 、闸井常态混凝土和 内部碾压混凝土水泥用 量分别为 2 1 3 k g m 、6 1 k g m ) ，致使两种 混凝 土 在硬化过 程 中收缩 不一 致 ，由此沿 交界 面产 生裂 缝 。 从 国内实践来看 ，采用常态混凝土与碾压混凝 土同步浇筑 的施工方式在两种混凝 土交界面易产生 裂缝 ，例如早期混凝土坝采用 “ 金包银 ” 防渗 型式 ， 施工时常态混凝土防渗体与坝体 内部混凝土同步上 升 ，发现沿两种混凝土交界面很容易产生裂缝 ，这 也是在混凝土坝建设 中逐步放弃这种防渗型式 的原 因之 一 。 4 5大坝越冬层面混凝土裂缝 指越冬层顶面混凝土裂缝 ，为纵向裂缝 ，深度一 般为 1 0 c m左右 ，个别深度约 1 02 0 m，纵 向一 般贯穿 2 3个坝段。 越冬层面采用厚 2 6 c m保温被进行越冬保温 ，监 测数据表明越冬层面温度一般为 l l 一1 6，保温效 果较好。在第二年揭开保温被后首先进行坝面裂缝检 查 ，但并未发现裂缝。为避免坝面混凝土温度下降较 快造成混凝土冷击，保温被采用 3月中旬至 4月初逐 步揭 开 的方 式 。 因工程工期较紧，加之 4月份气候凉爽 ，有利于 碾压混凝土施工和温控防裂 ，所以在保温被揭开后即 进行碾压混凝土浇筑前的仓面准备工作 。由于上下游 模板在越冬之前已经拆除，模板安装、仓面清理工作 量很大，所需 时间也较长，加之 4月份 晚间气温较 低 ，寒潮频繁 ，虽然对仓面进行了夜间临时覆盖 ，但 在备仓过程中很难避免局部混凝土受气温冷击 ，致使 局部混凝土开裂。 因此 ，越冬层面裂缝产生的主要原因是 4月份晚 间气温较低、寒潮频繁的气候条件所致。 4 6大坝碾压 混凝 土裂 缝 指除坝基固结灌浆盖板混凝土裂缝 、越冬层面混 凝土裂缝 以外的大坝坝体混凝土裂缝 。裂缝包括纵向 裂缝、横 向裂缝和沿缝面的水平裂缝 ，纵 向及横向裂 缝深度以表层裂缝为主( 25 e m) ，部分为浅层裂缝 水利水 电技术第 4 2 卷2 0 1 1年第 7 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 2 0 6 0 e ra) ；水平裂缝深度不等 ，大部分为浅层裂 缝 ，水平深度为 1 0 6 0( 3 m，个 别为深层裂缝 ，水平 深度 大于 3 m。 4 6 。 1 横 向裂缝与纵向裂缝 ( 1 ) 产生原 因。横 向裂缝 一般发生在坝段 中部 ， 纵向裂缝主要发生在上下游方 向坝块中部附近 ，其主 要原因其一为高温期浇筑 的混凝土温度较高，混凝土 降温过程 中致使开裂，其二为气温骤降或寒潮对碾压 混凝 土造 成冷 击所致 。 ( 2 ) 温控仿真计算。以 3 1 坝段浇筑块高程 6 2 4 0 6 4 7 0 m作为计算研究对象 ，2 0 0 7年 1 0月 3日一1 0 月 9日坝址区出现寒潮天气，日平均气温由 1 5 9降 到 2，计算时段为 2 0 0 7年 4月 2 0日一 2 0 0 8年 3月 3 1日，计算边界条件如施工进度 、浇 筑温度 、冷却 通水 、混凝土物理力学及热学参数 、坝体保温及环境 气温变化等均按现场实际发生采用 。 计算 结论显 示 ，在连续 降 温过 程 中 ，上 游 面 、 下游 面、浇筑顶 面混凝 土 的应 力都 有 了较 大增 长 ， 但因为采取了临时保温措施 ，老混凝 土与新 浇混凝 土应力并未超标 。实际施工过程 中 ，也据 此采用 了 严格 的临时保温措施 ，但局部 因施工人仓 等原 因无 法做到全面的覆盖保温 ，裸露面在寒潮 冷击 作用下 使混凝土局部产生裂缝 。因此 ，气温骤 降或寒 潮对 混凝土 的冷击作用是坝体碾压混凝土产生裂缝 的主 要原 因之 一 。 另外 ，高温期浇筑的碾压混凝土三级配区混凝土 刘涛， 等某混凝土重力坝裂缝分类及产生原因综述 实际监测最高温度约为 3 53 7 c c，三级配 区混凝土 最高温度约为 3 8 4 1 ，在混凝土温 降过程 中应力 增长较快 ，顺水流方向水平应力 和垂直水流方 向 水平应力 均超标 ，造成混凝土拉裂。 4 6 2水 平裂缝 大坝水平裂缝数量较少，从裂缝性状来看 ，其长 度较短 、缝宽较窄 ，一般 为表层或浅层裂缝。除 3 9 4 O 坝段高程 6 7 3 5 m水平裂缝外 ，水平深度较浅 ， 主要原因可能是上部混凝土浇筑层厚较薄所致。 根据 3 9 4 0 坝段高程 6 7 3 5 m上部混凝土浇筑 现场记录可知 ，在浇筑该部位混凝土时出现坝内供水 主管破损漏水现象 ，且漏水量较大 ，现场临时处理措 施不及时。因此 3 9 4 0 坝段高程 6 7 3 5 m处水平裂 缝产生主要原因是施工不当所致。 4 7结构 混凝土 裂缝 主要分布在大坝表孔导墙和中底孔 出口边墙钢筋 混凝土结构面上。裂缝深度不等 ，有表层裂缝 ，也有 贯穿混凝土结构的裂缝。 产生的原因主要为 ： ( 1 ) 由于该处钢筋混凝土结构为薄壁结构 ，一般 当高宽 比小 于 1 8时，浇筑块 内出现拉应力范 围较 大 ，容易产生裂缝 。 ( 2 ) 发 电进水 口闸井 、大坝表孔导墙 和中底孔 出 口边墙采用了泵送混凝土 ，水泥掺量较大 ，在降温过 程中因保温不及时致使内外温差过大引起了开裂。 ( 责任编 辑欧 阳越 ) ( 上接 第 4 7页 ) 4计算结果及分析 本文以 2 0 5 m s 、1 0 m s 、5 m s 三种进 口流 量对蓄水池进行模拟 ，由于篇幅所限 ，仅给出流量为 2 0 5 m s的模拟数据 与实测数据对 比( 见 图 3 ) 。从 图 3可以看 出，流速首先 随着水 深的增加呈增 大趋 势 ，然后随着水深的增加流速变化不大 ，达到一个比 较稳定的数值。 5 结论 ( 1 ) 通过流场中不同点沿水深方 向上流速的实测 值与模拟值 的对 比可 以看 出，二者从整体 上是一致 的，计算结果表明 ：F L U E N T软件模拟水流流场是基 本可行 的 。 ( 2 ) 流速首先随着水深 的增加呈增大趋势 ，然后 达到一个 比较稳定的数值。 ( 3 ) 在靠近边壁处的区域模拟值与实测值相差 比 较大，有待进一步研究。 参考文献： 1 田涛 ，孟宪举 卫生洁具 三维数值 模拟 J 河北 理工大学学 报 ，2 0 0 8 ( 1 ) ：8 9 9 1 2 袁文麒 ，张维佳 ，陈忆帆 F L UE N T软件 在园林不规则池塘人 工水力循环 中的应 用 J 苏州科技 学 院学报 ( 工程 技术版 ) ， 2 0 0 6 ( 4 ) ：5 4 5 6 3 刘艳红 山西农 业大学新 建职工住 宅楼室 内流场的 C F D分析 J 山西农业大学学报 ，2 0 0 8 ( 2) ：2 3 7 - 2 4 0 4 胡建国 ，孙友松 ，等 冲落式坐便器冲水 过程两相流动数值仿 真 J 】 系统仿真学报 ， 2 0 0 8 ( 6 ) ：1 5 9 9 1 6 0 2 5 L a u n d e r B E，S p a l d i n g D B L e c t u r e s i n Ma t h e ma t i c al Mo d e l s o f T u r b u l e n c e M Ac a d e mi c P r e s s ，L o n d o n ，1 9 7 2 ( 责任编辑陈小敏) 水利水 电技术第 4 2 卷2 0 1 1 年第 7期 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m