双河二级水电站混凝土坝裂缝处理设计.pdf

规划设计 东北水利水电 2 0 1 3年第 9期 【 文章编号】 1 0 0 2 -0 6 2 4 ( 2 0 1 3 ) 0 9 -0 0 1 2 -0 2 1 工程概况 双河二级水电站混凝土坝裂缝处理设计 王 晓 丽 ( 中水东北勘测设计研究有限责任公司， 吉林 长春 1 3 0 0 2 1 ) 摘要】 根据双河二级水电站混凝土坝裂缝情况、 混凝土钻孔取芯试验结果， 确定混凝土坝上 下游面的裂缝处理 方案 。 【 关键词 混凝土坝； 裂缝； 化学灌浆； 抗裂 【 中图分类号 I W8 2 + 3 1 文献标识码】 B 白山市双河二级水电站位于吉林 省白山市所辖临江 市与抚松县境内， 为跨市( 县) 区、 跨流域 、 引水式梯级开发 的第二级电站。由拦河坝 、 引水隧洞和发电厂房三部分组 成。水库正常蓄水位为 7 1 5 O 0 m， 总库容为 0 1 5 3 1 0 s r n 3 ， 总装机容量为 1 2 MW。 白山市双河二级水 电站大坝由混凝土重力坝和粘土 心墙土石坝组成 ， 坝顶高程 7 1 7 O 0 m， 大坝全长为 2 5 6 0 m， 其中混凝土重力坝长度为 1 7 3 0 m，最大坝高为 3 1 m， 坝 顶宽度为 1 0 n l ， 上游铅直， 下游坡比为 1 ： 0 6 6 。 混凝土坝共 1 1个坝段 ，其中 3 4号坝段为溢流坝段 ，上游坡比在 6 9 4 O 0 m高程以上为 3 ： 1 ， 6 9 4 O 0 m高程以下铅直， 下游坡 比为 1 ： 0 7 ， 溢流坝堰顶高程为 7 0 9 5 0 m， 弧形闸门挡水， 泄 洪消能方式为挑流消能 ， 挑流鼻坎高程为 6 9 4 7 8 m。 2 混凝土坝现状分析 白山市双河二级水 电站混凝 土坝 2 0 0 3年建成 ， 至 2 0 1 2年 1 0月间始终未蓄水， 坝体多处存有裂缝。2 0 1 2年 3 月至 5月间， 先后对混凝土坝裂缝 的分布情况包括裂缝的 数量 、 分布与走向进行了调查 ， 对坝体混凝土内部缺陷进 行了检测， 对混凝土芯样进行了室内试验。 2 1裂缝情况 裂缝调查与检测结果显示 ： 1 1 个混凝土坝段表面现 存裂缝 5 3 9 条 ， 其中上游面 4 0 0 条， 下游面 1 3 9 条。需要处 理的裂缝共 5 1 7条( 上游面 3 9 8 条 ， 下游面 1 1 9 ) ， 其中A类 裂缝 9 2条 ， B类裂缝 1 2 9条， c类裂缝 1 7 4 条 ， D类裂缝 1 2 2 条。 需处理裂缝总长度约为 1 8 5 1 7 5 m， 其中A类裂缝 约 为 1 3 6 1 3 m， B类裂缝约 为 2 3 7 0 1 m， C 类裂缝约 为 6 0 1 0 3 m， D类裂缝约为 8 8 1 7 0 m。溢流坝闸墩上游侧共 有 3 条相对细小裂缝裂缝 ，而两个边闸墩下游侧却各有 1 条贯穿裂缝。坝顶上游侧防浪墙共有 3 0 条贯穿性裂缝。 其中溢流坝段( 3 号坝段) 堰体上游侧中部 F 3 1 ， F 3 3 0 ， F 3 4 6等 3 条裂缝沿坝顶与下游侧裂缝 F 3 5 2 相接 ， 深度不小于 1 m， 为上下游贯通缝。 1 2 2 2 混凝土钻芯检测试验情况 2 0 1 2年 3月，现场选取 1 1 1 号坝段代表性部位钻取 芯样进行室内试验 ， 包括芯样容重、 抗压强度、 静压弹性模 量、 抗冻、 抗渗等性能试验。1 1 个混凝土坝段现场取芯试验 结果如下 ： 容重与抗压强度试验结果： 芯样试件容重介 于 2 2 1 0 2 4 5 0 k g m3 之间， 平均容重为 2 3 2 4 k g m3 ； 抗压 强度介于 1 8 5 4 0 2 MP a 之间， 平均强度为 2 6 8 MP a ， 芯样 试件的抗压强度均值不低于 2 0 0 MP a 。 弹性模量测试结 果 ： 1 I 1号坝段芯样试件的弹性模量介于( 1 6 9 4 3 8 ) 1 MP a 之间 ， 弹性模量平均值为 2 7 3 x 1 0 4 MP a ， 不同位置、 不 同孔深芯样试件间的弹性模量试验结果存在一定差异。 抗冻性能测试结果 ：芯样试件抗冻试验结果存在较大差 异 ， 最大冻融次数级最低为 2 5 次 ， 最高为 2 2 5次； 深层芯样 试件抗冻性能略高于表层芯样试件。抗渗性能试验结果 均满足 W8的抗渗等级。 混凝土强度和抗渗性能满足设计要求， 但坝体混凝土 的抗冻指标不能满足现行规范要求。 3 混凝土坝裂缝处理必要性 通过计算可知， 溢流坝和挡水坝的坝体裂缝不仅仅发 生在冬季 ， 甚至是秋季寒潮来临时 ， 坝体表面拉应力也大 面积超标， 导致裂缝产生。可见温度应力是引起白山市双 河二级水电站混凝土坝坝体裂缝生成和发展的主要原因。 坝体裂缝的存在 ， 不仅改变了坝体的应力分布， 出现 应力集中， 坝体蓄水情况下， 容易导致渗水现象发生 ， 尤其 是水位较高时， 裂隙水的劈裂作用有可能引起裂缝逐渐扩 展， 影响混凝土坝应力及稳定 ， 冬季时 ， 缝隙水结冰冻胀会 使裂缝继续扩展等。可见 ， 裂缝的存在 ， 会加速坝体老化 ， 钢筋锈蚀， 降低混凝土坝耐久性， 影响坝体应力和稳定等 ， 严重威胁大坝安全 ， 为保证双河大坝 的运行安全 ， 对 白山 市双河二级水 电站混凝土坝裂缝进行处理是非常必要和 紧迫的。 根据现行规范对裂缝的分类标准及处理原则 ， 上游面 需要处理的裂缝有 3 9 8条 ， 占上游面裂缝总数的 9 9 5 ， 布 2 0 1 3 年第 9期 东北水利水电 规划设计 满双河混凝土坝每个坝段的上游表面， 接近坝顶部位裂缝 较 少；下游面需要处理的裂缝有 1 1 8 条 ，占下游面总裂缝 总数的 8 4 9 。因此 ， 从裂缝分布情况看 ， 混凝土坝上下游 面均需进行裂缝处理。 另外， 从坝体混凝土试验成果看 ， 上下游面混凝土抗 压、 抗渗强度等级虽然满足设计要求 ， 但其抗 冻指标都不 满足现行设计规范要求 ， 所以上下游面都需要进行处理。 4 混凝土坝裂缝处理方案 4 1 上游面的处理 方案设计 4 I I 处理 范围确 定 在检测的 5 3 9条裂缝 中， 上游面有 4 0 0条 ， 占坝面裂 缝总数的 7 4 2 ， 需要处理 的裂缝有 3 9 8 条 ， 占上游面裂缝 总数的 9 9 5 ， 布满双河混凝土坝每个坝段 的上游表面 ， 接 近坝顶部位裂缝较少。 室内试验结果表明坝体混凝土的所 有抗冻指标都不 满足现行规范要求 ， 同时由于冻融破坏 ， 使得 表面混凝土 的容 重、 弹性模量质量差异较大 ， 降低混凝土坝 的使用寿 命、 影响混凝土坝防渗能力。 由于双河大坝建成后一直没有蓄水 ， 上游面施工受环 境影响不大， 具备全坝面裂缝处理的施工条件。 开挖后置换新混凝土解决裂缝对坝体带来的不利影 响 ， 主要是用来提高坝体混凝土的强度等级 ， 尤其是坝体 混凝土的抗冻强度等级 ， 因为现行规范对水上 、 水下混凝 土的抗冻要求不同， 水下混凝土满足 F 5 0即可 ， 而东北严 寒地区水上混凝土，特别是水位变化区的混凝土应满足 F 3 0 0的抗冻指标要求。 尽管双河混凝土坝上游面混凝土的 抗冻指标不满足现行规范的要求 ， 但全面开挖处理的必要 性不大 ， 死水位以下混凝土经表面处理并蓄水后就不存在 冻融问题 ， 水上及水位变化区混凝土进行开挖置换是必要 的， 在提高混凝土抗冻强度等级的同时， 解决了坝体混凝 土的耐久性问题， 提高了混凝土坝的使用寿命 。 上部高程考虑到防浪墙和人行道建于混凝土坝上游 侧 1 5 m的悬挑板上 ， 且接近坝顶部位裂缝分布较少， 为保 证坝顶结构的安全，挡水坝段悬挑板以下 1 0 m范围内不 进行开挖处理，即混凝土开挖顶高程不应超过 7 1 5 4 0 m。 因此 ， 挡水坝段混凝土开挖顶高程定为 7 1 5 4 0 m， 河床部 位开挖底高程为 6 9 8 0 0 m， 即死水位 7 0 0 0 0 m 以下 2 0 I n 处 ； 两岸坝段开挖底高程为地面以下 1 5 2 0 m或建基面 。 对开挖范围以外的裂缝仍需根据规范要求采用其他方法 进行处理 ， 即上游面需要全坝面进行处理。 4 1 2 处理厚度 确定 从裂缝深度检测结果看 ， 在混凝土坝上游面 4 0 0 条裂 缝中 ，坝体表面混凝土 3 O c m范围内共有裂缝 2 3 5 条 ， 占 坝体上游面面裂缝总数的 5 8 8 ； 4 0 c m范围内共有裂缝 3 0 9条 ，占坝体上游面裂缝总数的 7 7 3 ； 5 0 c m范围内共 有裂缝 3 4 0 条 ， 占坝体上游面面裂缝总数的 8 5 0 ； 深度超 过 5 0 c m的裂缝仅有 6 0条。 从上游面混凝土在深度 为 6 5 c m范围钻孔所取芯样 试验结果表明 ： 坝面混凝土质量较差 ， 坝体混凝土冻融的 破坏程度非常严重。 考虑混凝土坝表面裂缝 、坝体混凝土强度等多种因 素。 结合其它工程加固处理经验 ， 确定混凝土开挖厚度 6 0 c m，新浇筑的抗裂混凝土厚度为 6 0 c m。 4 1 3 裂缝处理方案设计 从基础至 6 9 8 0 0 m高程：该范围属于水下环境 ，对 C 类和 D类裂缝化学灌浆后， 采用手刮聚脲对坝面进行处理。 6 9 8 0 0 - 7 1 5 4 0 m高程 ： 属于水位变化区， 将坝面混凝 土挖除 6 0 c m后 ，对坝面存留的 D类裂缝进行化学灌浆 后 ， 重新铺设钢筋网， 打锚筋 ， 喷混凝土界面粘结剂 ， 再浇 筑 6 0 c m厚的抗裂混凝土。 7 1 5 4 0 7 1 6 4 0 m高程 ： 该范围属于露天环境 ， 在水库 正常蓄水位 以上， 不是常挡水范围， 与水下部分的处理方 式相 同， 对 c类和 D类裂缝化学灌浆后 ， 采用手刮聚脲对 坝面进行处理 。 坝面裂缝选用高分散性环氧类化学灌浆材料 。 一般 裂缝的化学灌浆钻孔采用水钻沿混凝土裂缝两侧钻跨缝 斜孔 ， 孔深为 3 0 6 0 c m( 根据裂缝宽度和深度调整 ) 单侧孔 间距 6 o 8 0 c m，在混凝土表面沿裂缝采用结构胶封缝 ， 封 缝厚度 5 - 8 mm， 封缝宽度 4 0 m n 。 对个别贯穿性坝体横缝 需采用地质钻机钻孔， 专门化灌处理。 开挖范围内新浇筑的混凝土采用抗裂混凝土， 同时在 混凝土中掺加网状聚丙烯纤维及高效外加剂等以提高坝 面混凝土的限裂和抗渗能力； 混凝土用锚筋挂钢筋网及混 凝土界面粘结剂与坝体老混凝土牢固连接 ， 以增加坝的整 体性 ， 由于老混凝土有新混凝土保护， 提高了混凝土坝 表 面抗冻抗老化的能力。钢筋网采用直径 1 6 m n l 的螺纹钢 ， 纵向和水平向间距均为 2 0 c m。 锚筋采用直径 2 2 r a m的螺 纹钢 ， 其长度为 L = 3 0 m， 间排距为 1 5 m， 梅花型布置 ， 外 露端部与钢筋网焊接牢固。锚筋的锚固长度为 2 2 5 m。 双河二级水电站坝区冬季严寒 ， 坝体混凝土抗冻要求 很突出 ， 裂缝处理混凝土应采用较高的抗冻标号， 根据规 范要求 ， 新混凝土采用 C 2 5 F 3 0 0 W6 ， 二级配抗裂混凝土。 混凝土坝上游面手刮聚脲施工， 化学灌浆完成后， 将混 凝土坝表面打磨 3 m m， 清洗干净， 晾干后涂刷界面剂， 待界 面剂表干后直接刮涂手刮聚脲一遍。1 h 内在裂缝部位 1 5 cm范围内铺盖胎基布， 再涂刷 2 3 遍手刮聚脲。一次刮涂 厚度 1 m lT l 左右， 保证裂缝部位聚脲厚度大于 3 m m。 4 2 下游面的处理方案设计 双河混凝土坝下游面裂缝与上游面比相对较少 ， 在检 测的 5 3 9条裂缝中下游面有 1 3 9 条，占坝面裂缝总数的 ( 下转第 2 9页) 1 3 2 0 1 3 年第 9 期 东北水利水电 水生态环境 小的意义下， 使得函数 u = f ( a ， ， n 2 ， ， ； ， X ： ， ) 与 测量值 ， 最佳拟合， 亦即 ： 产 “ - f ( a 。 ， a 2 ， ， a m ； ， X ： ， ) 】 j 最小 值。 i =t ：0， ：O， ：0 l抛2 解方程， 得 a 。 ， a 2 ， ， 。 4 2 聚类分析 聚类分析是多元分析的一个分支 ， 它是根据分类对象 之间的相似程度进行分类的。聚类分析过程主要确定分类 对象之间的相似性量度及选择恰当的分类方法 ， 由于方法 很多， 分类结果往往因方法不同而存在差异。 4 2 1 相似 性量度的确 定 样品之间的相似程度是通过各变量的数据来确定的， 变量的性质可用测量的尺度来表示 ， 通常有三 类： 间隔尺 度 ， 变量用连续量来表示， 有确定的数值 ； 有序尺度， 变量 的量度无明确数量关系， 只有次序关系； 名义尺度 ， 既无数 量表示也无次序关系( 如检出， 未检出等等 ) 。 在环境监测中， 上述三类情况均有 ， 但以间隔尺度为 多， 间隔尺度数据分类方法大致有 ： 1 ) 距离法 ： 将具有不同变量的一个样品看作多距离间 的一个点； 点与点之间可用某种法则规定距离 ， 距离近的 为一类 ， 距离远的为另一类。常用的距离有绝对距离、 欧代 距离、 马哈劳林比斯距离等。 2 ) 相似系数法 ： 变量相似系数的绝对值越接近于 1 ， 关系越密切 ； 若越接近于 0， 则不相关。 3 ) 其他相似性量度公式 ： 有数量性质、 指数相似 系数 法 ， 最大最小法、 算术平均最小法、 几何平均最小法 、 绝对 值指数法等等。 4 2 2 聚类分析方法 聚类分析方法很多 ， 在监测学中常用的有 ： 1 ) 系统聚类法： 这种方法用的较多， 它是先将 n 个样 品各自成一类。然后规定样品之间的距离和类与类之间的 距离 ， 选择距离最小 的一对并成一个新类， 计算新类与其 它类的距离 ， 再将距离最近的两类合并， 这样继续下去 ， 每 次缩小一类 ， 直至所有样品都成为一类为止 ， 完成整个归 并过程 。 2 ) 逐步聚类法 ： 这种方法是在 个样品中选择一个有 代表性的点称为“ 凝聚点” ， 对 n个样品进行粗略 的分类， 然后不断地修改凝聚点， 并让样品按某种原则向凝聚点聚 集， 以得出最终分类。 3 ) 模糊聚类法： 这是一种用模糊数学进行聚类分析的 方法 。由于环境监测数据随机性较强 ， 现实分类多呈模糊 性。因此 ， 此法有很好的应用价值。 水环境监测是对江河水域把脉的诊断工作， 所测得的 数据应在监测方法学理论指导下 ， 进行科学地处理 ， 从而 得到科学、 可信、 有效 的水环境数据 ， 为流域管理与水资源 保护提供科学依据 ， 同时， 也发展了监测方法学及环境哲 学等学科。 【 收稿 日期】 2 0 1 3 -0 1 -3 0 ( 上接第 1 3页 ) 2 5 8 。根据 D L T 5 2 5 1 2 O L O ( 水工混凝土建筑物缺陷检 测和评估技术规程 中裂缝的分类标准及处理原则， 需要 处理的裂缝有 1 1 8条， 占下游面裂缝总数的 8 4 9 。 混凝土 室内试验结果与上游面基本相 同。 下游面裂缝分布相对较少， 虽然混凝土强度和弹性模 量不均 ， 抗冻指标较低 ， 但规范对混凝土坝下游面混凝土 的强度等级要求也较低 ， 因此 ， 设计不考虑对下游坝面进 行开挖处理。 挡水坝段下游面的处理措施是只对裂缝进行化学灌 浆。考虑溢流面对混凝土的抗渗、 抗冲磨要求较高， 在溢流 面化学灌浆完成后 ， 对溢流坝表面进行手刮聚脲处理。 4 3 溢 流坝闸墩的处 理方案设 计 溢流坝段两个边墩均在接近闸墩尾部的变坡点处各存 在 1 条贯穿裂缝 ，裂缝 自 7 0 3 m高程开裂向闸墩下部延 伸 ， 左边墩裂缝与竖直面成 4 5 左右的夹角 ， 右边墩裂缝接 近铅直， 裂缝长度约 6 5 m。 对溢流坝闸墩裂缝的处理方法仍是化学灌浆 ， 化学灌 浆材料和封缝材料与混凝土坝上游面相同。因边墩裂缝为 贯穿性裂缝 ， 且边墩厚度为 1 7 5 m， 为保证化学灌浆质量 ， 应对闸墩左右两侧裂缝 同时封缝 、 同时灌浆 ， 每侧孔深为 5 O 6 0 c m， 单侧孔间距 6 O 8 0 c m， 在混凝土表面沿裂缝采 用结构胶封缝 ， 封缝厚度 5 8 r m ， 封缝宽度 4 0 m r n 。 化学灌浆完成后 ， 沿裂缝 1 8 c m宽度范围内将闸墩混 凝土打磨 3 n M T I ， 清洗干净， 晾干后涂刷 B E 1 4 界面剂， 待界 面剂表干后直接刮涂手刮聚脲一遍。1 h内在裂缝部位 1 5 c m范围内铺盖胎基布 ， 再涂刷 2 3 遍手刮聚脲。一次刮涂 厚度 1 m m左右 ， 保证裂缝部位聚脲厚度大于 3 m i l l 。 5 结语 当混凝土坝表面存在少数裂缝时， 化学灌浆是最常用 的方法之一 ， 也是最有效的裂缝处理措施 ， 但是 ， 当混凝土 坝表面存在大面积 的深层裂缝时，开挖后置换抗裂混凝 土 ， 既提高了坝体混凝土 的强度等级 ， 也提高了混凝土 的 耐久性， 从而彻底解决坝体混凝土的抗裂 、 抗冻问题。 【 收稿日期1 2 0 1 3 0 1 3 0 2 9