水布垭面板堆石坝施工期裂缝成因及处理措施

罗福海 张保军 夏界平

(1.长江勘测规划设计研究院,湖北武汉 430010;2.长江水利委员会长江科学院,湖北武汉 430010;3.长江三峡勘测研究有限公司,湖北武汉 430010)

水布垭面板堆石坝施工期裂缝成因及处理措施

罗福海1张保军2夏界平3

(1.长江勘测规划设计研究院,湖北武汉 430010;2.长江水利委员会长江科学院,湖北武汉 430010;3.长江三峡勘测研究有限公司,湖北武汉 430010)

在清江水布垭面板堆石坝施工过程中,由于受混凝土干缩、温度应力及堆石坝坝体沉降变形的影响,导致大坝面板产生了不同程度的裂缝。设计单位在分析了裂缝成因的基础上,针对不同类型裂缝的性质和裂缝的宽度,制定了切实可行的处理方案,通过修补,这些裂缝都呈闭合状态,可满足工程安全运行的需要。

钢筋混凝土;面板堆石坝;大坝面板;面板裂缝;处理措施;水布垭水利枢纽;清江

水布垭大坝为混凝土面板堆石坝,坝顶高程409.0 m,最大坝高 233.0 m。坝顶设 L型防浪墙,墙高5.4m,墙底高程为405.0m。上游坝坡为1∶1.4,下游平均坝坡为 1∶1.46。水库正常蓄水位为400.00m,设计洪水位为402.20m,校核洪水位为404.00m。

大坝典型剖面见图 1。大坝填筑总量 1 570万m3,面板总面积 13.87万 m2,厚度 0.3～ 1.1m,最大斜长392.27m。面板混凝土分 3期浇筑:2005年 1月 6日 ～3月 27日,从 177m处浇筑第 1期面板,面板顶部高程 278m;2006年 1月 21日 ～4月 1日,浇筑第 2期面板,面板顶部高程 340m;2007年 1月 4日 ～3月 28日,浇筑第 3期面板,面板顶部高程 405 m[1,2]。大坝面板及填筑分期示意见图 1。

1 面板裂缝分布状况

2005年 3月,在第 1期面板施工结束后,于坝前铺盖填筑前,检查发现第 1期面板有 5条裂缝,其中 1条为Ⅱ类裂缝,其余均为Ⅰ类裂缝;6月对面板225 m高程以上进行了全面检查,发现有 255条裂缝,其中Ⅰ类裂缝有 195条,Ⅱ类和Ⅲ类裂缝有 60条;2007年 3月,对第 1期面板重新检查发现,面板顶部 270～278 m高程新增裂缝 23条,均为Ⅰ类裂缝;第 1期面板共发现 283条裂缝,其中Ⅰ类裂缝有222条,Ⅱ、Ⅲ类裂缝有 61条,裂缝分布见图 2。

图1 大坝面板及填筑分期示意

图2 第 1期面板裂缝分布示意

图3 第 2期面板裂缝分布示意

图4 第 3期面板裂缝分布示意

对第2期面板进行检查时,共发现了12条裂缝,其中Ⅰ类裂缝有 4条,Ⅱ类裂缝有 8条,裂缝分布见图 3。

2007年 6月 ～8月,对第 3期面板进行初次检查时发现了 344条裂缝,其中Ⅰ类裂缝有 293条,Ⅱ类裂缝有 44条,Ⅲ类裂缝有 7条;2008年 4月 ～6月,利用水库低水位时再次进行检查,发现有 275条表面裂纹(按Ⅰ类裂缝处理)。第 3期面板共发现了裂缝 619条,裂缝分布见图 4。

经检查,水布垭大坝面板共发现裂缝 914条,其中Ⅰ类裂缝有 794条(含裂纹 275条),Ⅱ类和Ⅲ类裂缝有 120条。

2 面板裂缝成因分析

2.1 结构性裂缝

面板上的裂缝大多为结构性裂缝,主要是面板在外力作用下产生的。发生裂缝的原因,首先是受面板下部的堆石支撑体自重及变形的影响;其次,是在大坝蓄水过程中,在上游水位升降变化等外荷载的作用下,堆石坝体产生不均匀沉降和水平变形,导致面板和垫层之间出现脱空,改变了面板的受力状态,面板上的作用荷载产生的应力大于混凝土的抗拉强度后便会产生裂缝。结构性裂缝会使面板后期呈规律性地开裂,一旦发生此类裂缝,面板将可能产生贯穿性的张裂。经过对水布垭大坝面板进行多次多方式的检查,确认大坝面板没有出现贯穿性裂缝。

2.2 干缩和温度应力影响

为了防止在混凝土浇筑过程中受温度的影响,大坝面板浇筑期都选择在最低气温的 1～3月间施工。大坝混凝土面板浇筑初期的 3～6个月内,面板开始产生表面裂缝,且多呈龟裂状、浅层裂缝性质,可看出不连续性。经分析,认为面板混凝土干缩和温度应力是造成面板非结构性裂缝的主要原因之一。因为:

(1)大坝面板一般较宽,而厚度却相对很薄,混凝土浇筑施工时通常是采用滑模方式,滑模在上升过程中由于机械行走速度不均匀,容易造成混凝土入仓后的均匀性差;

(2)混凝土表面采用人工抹平,胶凝材料及含水量与内部结构存在着明显的差异,继而诱发了干缩裂缝发生;

(3)温度应力受大气温度与材料的影响,初期混凝土内部水化热上升,外部大气温度较低,温差引起的温度应力导致大坝面板产生裂缝。

2.3 坝体沉降变形影响

众所周知,大坝堆石坝体在碾压填筑施工过程中主要会产生沉降变形,其次为水平变形。堆石坝体的增高与下沉量呈正比例关系,但这种变形增量初期较明显,后期逐渐衰减,1～2 a后则趋于稳定状态。大坝上部区域受坝体沉降和位移变形的影响大于下部,这也是水布垭大坝第 1期大坝面板高程235～240 m、260～270m,第 3期面板高程 370 m以上区间产生裂缝分布较集中的主要原因。在第 2期面板施工时,将施工平台由第 1期高出面板顶部 10 m改为 20m,且在高程 320 m处应力最大区域设置了 1条永久水平缝;坝体填筑采用“反抬法”,抬高坝体后部的填筑高度,以减少施工期坝体向上游的水平位移。采取此综合措施以后,第 2期面板只出现了 12条裂缝。

2.4 两岸坝坡地形影响

大坝两岸为非对称“V”字形,左岸陡峻,右岸280m高程以上比较平缓。在坝体沉降变形过程中,受坝体重心的作用,在大坝垂直和水平变形的影响下,坝体还存在偏左斜向变形。从图 5大坝面板裂缝的分布情况来看,裂缝集中在中偏左,且有斜竖向分布。因此可以认为,坝坡不对称也是产生裂缝的因素之一。

3 面板裂缝处理措施

3.1 裂缝性质

对出现的裂缝采用钻孔取芯或钻孔超声波进行了深度和宽度检测,检测确定的(第 1期)大坝面板最大裂缝宽度为0.70 mm,最大深度为 55.0 cm,其中的大部分为表面浅层裂缝和裂纹,它们占裂缝总数的86.87%。未发现水平和垂直贯穿性裂缝,也就是说,已经出现的Ⅱ、Ⅲ类裂缝仍在设计预测的范围以内。

图5 高程 280m以上面板裂缝分布示意

3.2 裂缝分类

根据大坝面板受力特点和满足结构耐久性的要求,结合其他工程经验,以及水布垭大坝面板出现的裂缝性质、规模等具体情况,可将裂缝分为以下 3类:

(1)Ⅰ类裂缝(浅层裂缝),其表面缝宽 δ≤0.1mm;

(2)Ⅱ类裂缝,表面缝宽0.1mm≤δ＜0.3 mm,缝深 h≤30 cm;

(3)Ⅲ类裂缝,表面缝宽 δ≥0.3mm,或缝深 h＞30 cm。

3.3 处理措施

对于Ⅰ类裂缝,沿缝口表面两侧 10 cm宽的范围内,用人工将裂缝打磨,并刷洗干净,然后涂刷液体橡胶把裂缝填平,再在液体橡胶上面涂刷一层水泥基渗透结晶型防水涂料。

对于Ⅱ、Ⅲ类裂缝,沿缝口凿宽 5～10 cm、深 5～6 cm的“V”型槽后,再实施嵌缝、埋管,进行化学灌浆。化学灌浆材料选用 CW低粘度环氧,在裂缝表面涂刷液体橡胶,采用 PSI-tape裂缝快速修补带进行封闭处理,最后在其上涂刷一层水泥基渗透结晶型防水涂料。

4 限制产生面板裂缝的措施

与一般钢筋混凝土结构的相比,水布垭混凝土面板堆石坝面板的长宽比更大,因此在坝体填筑期和蓄水之后,由于受不均匀沉降,大坝内、外压力不同步等外荷载变形的影响,以及受混凝土自身体积变形、干缩、温度应力等因素的影响,可能会产生不同程度和不同类型的裂缝[3],通过水布垭面板堆石坝的工程实践,认为采用以下工程措施可以限制和减少面板裂缝的产生。

(1)除了工程需分阶段施工以确保安全度汛以外,坝体填筑宜尽可能地平行上升。

(2)分期面板施工时,施工平台宜高出面板顶部 20m左右,且有不少于 3个月的初期沉降变形期,条件许可时,半年左右时间更好,这样可减少面板顶部区因初期沉降变形产生的裂缝。

(3)必要时,在坝体最大应力区的 1/3坝高部位,设置水平变形缝,以释放部分变形应力。水布垭第 2期面板总共只出现 12条裂缝就证明了这一措施的必要性。

(4)有条件时,在坝体最大应力区的一定高度内,实施前低后高的“反抬式填筑法”,可减小坝体初期向上游方向的反向变形,从而减少面板结构在脆弱的初期承受荷载变形所产生的裂缝。

(5)在分期面板的底部、顶部 20 m左右区域布置双层双向结构钢筋,且宜细不宜粗,以满足施工刚度需要即可。

(6)严格控制混凝土入仓坍落度和滑模的提升速度,严格控制施工质量,尽可能减少人工抹制表面。在大坝面板混凝土中掺加聚丙烯腈纤维,表面涂刷水泥基渗透结晶型涂料,可以提高混凝土的抗裂性能和早期强度。

(7)大坝两岸坝坡尽可能地对称,补坡宜缓不宜陡,从技术经济角度考虑,以控制在 1∶0.5为宜。

(8)面板混凝土浇筑后应及时采取保温保湿措施,收仓 3 d后,可采用流水养护。在面板顶部至水位变幅区,应设置永久降温喷淋设施,以备夏季高温期降温防裂;如有条件,在此区域也可布置防寒设施,防止温度过低时产生冻裂。

5 结 语

大坝混凝土面板是堆石坝的防渗主体结构,大坝面板无论是否采用分期施工,都将会产生坝体沉降变形,而坝体的沉降变形将可能会导致混凝土面板产生不同程度的裂缝。通过调整施工程序,合理提高面板施工平台与分期面板顶部的高差,适当增加停歇期,在坝体最大应力区部位设置永久水平变形缝,在适当区域对坝体采用“反抬法”进行施工填筑,对两岸坝坡进行适当整修和补坡处理;在面板混凝土中采取掺用聚丙烯腈等综合措施,可有效地减少大坝混凝土裂缝的产生和防止面板出现脱空现象,确保大坝处于安全运行状态。

[1]董育坚,孙文娟,蔡金燕.水布垭高土石坝科技攻关[J].人民长江,1998(8).

[2]廖仁强,谭界雄,王 萍.水布垭混凝土面板堆石坝设计[J].人民长江,1998(8).

[3]陈圣平,刘俊义.混凝土面板堆石坝填筑施工[J].人民长江,1998(6).

TV 641.43

A

1006-0081(2010)12-0005-04

2010-10-28

罗福海,男,长江勘测规划设计研究院水布垭工程设计代表处处长,高级工程师.

(编辑:赵秋云)