玉石水库混凝土坝上游面竖向裂缝原因与处理.pdf

2 0 1 5年第 6期 水利规划与设计 设计 施 工 DOI ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 2 - 2 4 6 9 2 0 1 5 0 6 0 2 8 玉石水库混凝土坝上游面 竖 向裂缝原 因与处理 张 殳，王成 山 ( 辽宁省水利水 电勘测设 计研 究院 ，辽宁 沈 阳 1 1 0 0 0 6 ) 摘要 ：本文分析 了玉石水库混凝 土重力坝 上游面竖向裂缝 产生的原 因，介绍 了裂缝 处理措 施 ，提 出北方寒冷 地 区 混凝土重力坝表 面竖 向裂缝 的预 防措施 。对于类似工程有一定的借鉴意 义。 关键词 ：混凝土重力坝 ；大坝上游 面竖向裂缝 ；处理措施 中图分类号 ：T V 6 9 8 2 3 1 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 6 7 2 2 4 6 9 ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 0 8 0 0 3 1 概述 玉石 水 库 位 于 辽 宁 省 营 口市 境 内，总 库 容 8 8 5 2万 r n ，为 中型 水 库 。玉 石 水 库 大 坝 为 碾 压 混 凝土重力 坝 ，最 大坝 高 5 0 2 0 m。全 坝共分 1 5个 坝段 。 6 溢 流 坝 段 长 为 2 4 0 0 m， 建 基 面 高 程 为 1 5 5 0 0 m，坝 底 宽 3 9 5 0 m，堰 顶 高 程 为 1 9 6 0 0 m， 最 大坝 高 4 1 0 0 m。大 坝 断 面 采 用 “ 金 包 银 ” 型 式 ， 即外部和基础采用常态混凝土，内部采用碾压混凝 土。上游常态混凝 土防渗层 3 0 m，下游保护层 和 基 础垫 层 常态混 凝 土 2 0 m。 玉 石水 库大 坝 混凝 土浇 筑 于 1 9 9 9年 5月 2 0日 开 盘 ，首先 对 6 、7 坝段 1 5 3 0 0 m 高程建 基 面 以下 用 C 3混 凝 土 进 行 补 坑 、填 平 ，5月 3 0 日进 行 1 5 3 0 01 5 4 0 0 m 高程 B 1混凝 土 浇筑 ，6月 6日浇 筑 1 5 4 0 0 1 5 5 0 0 m 的 混 凝 土 ，6月 1 4 日达 到 1 5 6 0 0 m高程 ，6月 2 4 日达到 1 5 7 0 0 m高 程后停 止浇 筑 。然后 进行 基础 固结 灌浆 。于 8月 8日开 始 继续 升程 ，进 行碾 压混 凝 土施工 。在碾 压 混凝 土施 工时，将原设计 的坝体上、下游面 A 富胶材碾压 混凝土改为 B 常态混凝土 。A ：混凝土与 B 混凝 土配 合 比对 比见 表 1 。至 1 1月 7日，6 坝段 混 凝 土 升程到 1 6 9 0 0 m高程后停止浇筑 ，进行保温防护越 冬 。1 6 9 0 0 m 高程 以上混 凝 土从 2 0 0 0年 3月 2 7 日 开始 浇 筑，至 2 0 0 0年 8月 2 4 日，浇 筑 高 程 达 I 1 9 0 0 0 m。 2裂缝分布情况 下 自基岩面 1 5 5 m高程上 至 1 6 9 m高程混凝 土越冬 停浇面，高 1 4 m。左距 5 坝段 1 5 m，右距 7 坝段 9 m。裂 缝 在 1 6 9 m 高 程 平 面 上 向 坝 内延 伸 3 9 m。 裂缝 在位 于坝 体下 部 的灌浆 廊道 上游 壁 出露 。 3裂缝成 因分析 3 1 浇 筑 温度 高 ， 内表温 差 大 ，坝 段过 长 ，引 起 较大 的温 度应 力 原 设 计 昆凝 土 允 许 浇 筑 温 度 ，基 础 约 束 区 为 1 5 ( 高程 1 5 51 6 3 m，H8 m) ，上部为 1 8 ( 高 程 1 6 3 m 以上 ，H 8 m) 。实际基础约束 区内( 高程 1 5 51 6 3 m) 平均浇筑温度 为 9 7 52 2 5 ，最 高 浇筑温度 为 2 7 。上部 ( 高程 1 6 31 6 9 m) 平 均浇 筑 温度 为 9 5l 7 ，最 高浇 筑 温 度 为 l 9 。 由于 6 坝段未设内部温度计 ，无 内部温度观测记录。借 鉴 9 坝段坝体 内部温度观测结果，混凝土最高温度 达到 3 4 。借鉴 3 坝段侧立面 T 温度计 观测记 录 ，6 坝段 上游 面保 温板 内混凝 土表 面 温 度 ，一 月 份最低 温 度达 到 0 左 右 。 ( 1 ) 水化热温升及坝体温度计算 采用有限差分法 计算混凝 土内部水化热温升 ， 混凝土升程过程按坝体混凝土实际升程过程 。计算 结果 基础 盖 板 内 ( 高 程 1 5 51 5 7 m) 水 化 热 温 升 为 1 3 3 ，基础 约束 区 内 ( 高程 1 5 71 6 3 m) 水 化 热 温 升为 1 0 5 ，上部 ( 高程 1 6 31 6 9 m) 水 化热温 升 为 9 ，与浇筑温度值进行迭加后得 出混凝土 内最 高 温度 见表 2 。 6 坝段上游面竖向裂缝位于大坝迎水面，裂缝 作者简介： 张 殳( 1 9 6 6 年一) ， 男， 高级工程师。 8 0 设计 施 工 水利规划与设计 2 0 1 5年第 6期 表 1 A： 与 B ： 混凝土配合 比 每 m 材料用量 ( k g ) 胶材总 砂类型 砂 率 水灰 比 外加剂 G 2 G 3 G 4 备注 量 ( k g ) 水泥 水 砂 粉煤灰 木钙 A E A 2 0 2 8 04 0 4 02 0 2 05 B 2 3 0 0 4 5 2 3 0 1 8 4 1 0 3 0 5 7 5 0 0 0 1 2 6 0 7 5 8 3 4 3 8 4 3 8 4 6 常 态 A2 3 4 0 4 3 l 8 0 1 4 4 7 7 0 4 5 ( ) Ol 8 7 3 3 7 1 2 7 1 2 3 6 碾 压 表 2 混凝土 内最高温度 基础盖板 下部混凝土 上部混凝土 ( 高程 1 5 51 5 7 m) ( 高程 1 5 7 1 6 3 m) ( 高程 1 6 31 6 9 m) 实测平 均浇 1 8 7 5 l 9 1 3 l 3 筑温 度( ) 计算水化热 1 3 3 1 0 5 9 温升( ) 混凝 土内最 3 2 O 5 2 9 6 3 2 2 高温度( ) 因6 坝段未埋设 温度计 ，借鉴 9 坝段 坝体 内 部温 度计 实测 结 果 。 以温 度计 T 6 、T ， 结 果 最 具 代 表性，表明坝体 内部温度达 到 3 O ，计算 结果与 实测结果基本吻合。 ( 2 ) 混凝土表面温度应力计算 外 界温 度年 变化 在 6 坝段 上游 混凝 土 表面 引起 的温度 应力 计算 公式 为 ： =E K p C ( 1一 ) 式 中： 一混凝土线胀系数( 1 C) ，取 1 0 1 0 一； 一 混 凝土 内表 温差 ( ) ，取 3 0 ； 一 混凝 土松 弛 系数 ，取 0 6 5 ； 一 混 凝土 泊松 比 ，取 0 1 6 7 ； c 一系数 ，与坝段长度有关 ，取 0 6 4； 一 混凝土表面应力 ( MP a ) ； 一 混凝土弹性模量( a ) ，取 2 5 5 l o 。 将数值代入上述公式 中：得上游混凝土表面水 平 拉应 力 = 3 8 2 MP a 。 混凝土允许拉应力计算公式为： =e E 式 中：( 叮 混凝土表面允许拉应力( MP a ) ； 8 一混凝土极限拉伸值 ，取 1 01 0 ； ， 一 安全系数 ，取 1 5 。 将数值代入上述公式 中，得混凝土允许拉应力 =1 5 MP a 由于混凝土浇筑温度高 ，内表温差大，坝段过 长 ，在 混凝 土表 面 引起较 大 的温度 拉 应 力 ，超 过混 凝土抗裂能力 ，这是 6 坝段上游面劈头裂缝产生的 最 主要 原 因 。 靠近基岩部位是混凝 土外 部约束最大 的部位 ， 靠 近基 岩部位 混 凝 土双 向散 热 ，向外 散 发 热 量 快 ， 混凝土降温较快 ，易引起较大的外部约束 ，该部位 在内部约束与外部约束共同作用下 ，进一步加大温 度 应力 ，从 而导 致混凝 土 的开 裂 。大 多数 混凝 土 坝 侧立面越冬裂缝与此类似 ，其共同特点是裂缝从下 部开始 ，下部宽而上部窄 ，多数裂缝没有达到顶面 即 已尖 灭 。 3 2 上 游 防 渗层 改变 混 凝 土 品种 。对上 游 面 混凝 土拉应 力 的影 响 大 坝上 游 3 m厚 防渗 层 混凝 土 由原设 计 的二 级 配碾压 混凝 土改 为 三级配 常 态混凝 土 ，水 泥用 量 由 1 4 4 k g增加到 1 8 4 k g ，增加 了 4 0 k g 。粉煤灰掺量 由 3 6 k g 增 加 到 4 6 k g ，增 加 了 1 0 k g 。 由于 胶 凝 材 料 的 增 加 ，导 致混凝 土 发热量 增加 和 温升 的加大 ，坝体 混凝土温度有所提高 ，加大 了上游坝面温度应力 ， 不利于上游坝面混凝土的防裂。 3 3 岩 石 地质 条件 的影 响 F 2断层沿上下游方 向斜 向横穿 6 坝段 ，断层 破碎 带宽 2 95 5 m，影 响带 宽 超过 1 0 m。受 断层 影响 ，岩体风化 程度 、完整性 及岩体 强度 变化较 大 ，工程地质条 件相对 较差 。由于 断层破 碎 的影 响 ，该 坝 段 基 础 开 挖 成 台 阶状 ，台 阶 高 差 2 m。 台 阶在 上 游 面 出露 点 距 6 坝 段左 侧 横 缝 9 m，台 阶 在 下游面出露点位于 6 坝段右侧横缝处 。这种台阶状 的建基面 ，使得基础部位坝体混凝土应力状态进一 步恶 化 。 4裂缝处理措施 在 1 6 9 m 高 程 平 面 裂缝 位 置 ，布 置 4层 p 2 0 2 0 0的限裂钢筋，并 自 1 6 9 m高程起将上部坝体分 成两 个 1 2 m 长 的坝段 。 在垂直方 向上 的处理范 围如前所述 ，在上游坝 面和廊道 内向裂缝 内灌注 L w、H W 双组分水溶性 聚氨酯。沿裂缝开凿 出深 8 e ra，口宽 8 e ra 的 V形 槽 ，内嵌 S R 3型 塑性 止 水 材 料 ，表 面 用 宽 度 为 5 0 e m的 S R防渗保护 盖片粘贴 保护。施 工时先用 8 1 2 0 1 5 年第 6 期 水利规划与设计 设 计 施工 水 、钢丝 刷 冲刷缝 槽及 边缘 到 扁钢 压 条 的宽 度 ，去 除杂物 ，凉干或烘干。然后刷两道 S R底胶 ，待底 胶表干后 ，在缝 槽 内及 两侧各 2 5 c m 的范 围 内用 S R 3型塑性止水材料嵌缝及找平 ，达到设计规定 的 S R 3材料形状 ，并使 表面光滑 。然后撕去 S R防渗 保 护盖 片上 的 防粘 保 护 纸 ，将 S R 防渗 保 护 盖 片粘 贴到 S R 3材料上。在 S R防渗保护盖片 的起止段及 搭接段两侧用膨胀螺栓及扁钢锚固，并用 S R 3材料 对粘好的 S R防渗保护盖片边缘进行封边 。 这种处理方法有如下优点 ：( 1 ) 防渗效果较好。 因为这种处理方法相当于三重防渗，在缝 内化灌止 水 ，在缝面做了两道止水 ，一道是塑性材料嵌缝止 水 ，一道是 S R防渗保护盖片止水 ，较 以往的只采 用一道嵌缝止水 的处理方法更加安全可靠。如果施 工 质量 控制 的很 好 ，完 全可 以保 证 工程 安 全 。( 2 ) 工 程 造 价较低 。( 3 ) I期 较 短 ，施 工 简单 。这 种处 理 方 法存在如下缺点 ：施工质量要求很高 ，施工过程不 易控 制 ，而且无 论 哪一 道工 序 出现 问题 都 会严 重 影 响工 程质 量 。如果 控制 不好 ，会 影 响 工程 安 全 ，且 以后 很难 补救 。 经上 述方 法处 理 后 ，在 1 6 9 m 高程 处 未见 裂 缝 再向上发展 ，廊道 内渗水也完全 消失。证明裂缝处 理效 果 明显 。 5 结 语 ( 1 ) 由于混凝土浇筑温度高 ，内表温差 大，坝 段 过长 ，在 混凝 土 表面 引起 较大 的 温度 拉 应 力 ，超 过 混凝 土抗 裂 能力 ，这 是 6 坝 段上 游 面竖 向裂缝 产 生 的最 主要原 因 。 ( 2 ) 靠近基岩部位是混凝土外部约束最大 的部 位，靠近基岩部位混凝土双 向散热 ，向外散发热量 快，混凝土降温较快 ，易引起较大 的外部约束 ，该 部位在内部约束与外部约束共同作用下 ，进一步加 大温 度应 力 ，从 而导致 混凝 土 的开 裂 。 ( 3 ) 由于 F 2断层斜穿该坝段 、较大 的开挖高 差以及基岩的不均匀性 ，对 6 坝段上游面混凝土防 裂均 产 生一定 的不利影 响 。 ( 4 ) 顶面 4层限裂钢筋避 免 了裂缝 向上发展。 缝 内采用 水溶 性 聚氨 酯化 灌 ，沿 缝 凿 槽 ，嵌 填 S R 3 型塑性止水材料 ，表面用 S R防渗保护盖片粘贴保 护 ，三重防渗处理，廊道 内渗水完全消失 ，证明该 方 法处 理裂 缝效 果较 好 。 ( 5 ) 混凝 土重 力 坝 设 计 规 范 规定 ，横 缝 间 距 一 般 为 1 5 2 0 m。 由于北 方 地 区冬 季 低温 ，混 凝 土 重 力坝横缝间距即使取规范规定 的下限值 ，在无表面 保护措施 情况下 ，仍 难 以避免 坝面竖 向裂缝 的产 生 。通 过设 置长 期 的保 温措施 或 缩 短横 缝 间距 的措 施 ，可 以避免 坝 面竖 向裂缝 的产生 。 参 考文 献 1 朱伯芳大体积混 凝土温 度应力 与温度控 制 M 北京 ：中国 水利水电出版社 ， 2 O l 2 2 S L 3 1 9 2 0 0 5 混凝土重力坝设计规范 S 3 张志雄 ， 刘杰 ，等万胜坝水库大 坝混凝 土面板裂 缝处理 J 水利规划与设计 ， 2 0 1 0 ( 0 5 ) 4 周祖权 ，周民权天荒坪抽水蓄 能电站下 库坝 面板裂缝 修补工 艺 J 水利规划与设计 ， 2 0 0 7 ( 0 6 ) 5 王梅 ，王增旗 ， 潘光 林丹江 口水 利枢纽 混凝 土坝水平裂 缝处 理质量控制 J 水利技术监督 ，2 0 0 0 ( O 1 ) ( 上接第 7 9页) ( 3 ) 钢筋 网安装器 ： T B M施工段钢筋网采用 8 光 面钢 筋在 洞外 焊接 成 网状 ，网格 尺 寸为 1 5 0 ram 1 5 0 m m 和 2 0 0 m m 2 0 0 mm 两 种 规 格 ， 自洞 外 运 至 T B M后配 套后 ，通 过 吊运装 置 吊运 至 安装 器处 ， 再 由安装器将钢筋网送至洞壁 ，通过锚筋固定 ，钢 筋网与壁面间距 3 0 ram。钢筋 网与锚杆焊接牢固。 ( 4 ) 超前钻机 ：安装在前部主梁工作平 台上或 主梁 下部 ，钻 机 为 回转 式 ，在 刀盘 正 前方 的掌 子 面 上水 平 或小 角度 上倾 钻进 取芯 。 ( 5 ) 混 凝 土 喷射 机 械 手 ：在 T B M 后部 的 L 2工 作区 ，安装 2个喷射机械手和与之相 匹配的混凝土 输送泵 、液体速凝剂泵等设备 ，用于、 、V类 8 2 围岩 的喷射 混 凝 土初 期 支 护。喷 射 范 围 为 径 向 3 2 0 。 、沿 主机纵 向移 动距 离不 小 于 5 4 m。 ( 6 ) 砂浆 搅拌 机 ：在 锚 杆 钻 机 岩 壁 钻 孔 并 进 行 清 孔 ，砂浆 搅拌 机拌 制砂 浆 ，利 用 注浆 泵 通过 软 管 向锚杆孔内注浆 。 3 结 语 通过在辽宁省大伙房输水工程 I 期工程输水 隧 洞施工实 践表明 ，T B M 通过不 良地质段 掘进施 工 是隧洞施工的关键 ，对工程的顺利完工起着决定性 的作 用 。 ( 1 ) 在 充 分 开 展 传 统 方 式 进 行 地 质 超 前 预 报 的基础上 ，仍 应对 T B M掘进参数( 下转第 9 6页 )