潘家口水库主坝裂缝成因分析及加固处理

李建清,王 燕,刘 盟,付立文

(水利部海河水利委员会引滦工程管理局,迁西 064309)

潘家口水利枢纽位于河北省迁西洒河桥镇以北10 km的滦河干流上,是一座以供水为主、兼顾防洪的综合利用大型水利枢纽,主要建筑物有主坝、副坝、混合式抽水蓄能电站及下池闸坝。

主坝为低宽缝重力坝,Ⅰ级建筑物,最大坝高107.50 m,坝顶高程230.50m,坝顶长 1 039 m,自左至右共分为56个坝段。其中23#～30#和33#～44#坝段为溢流坝段,位于河床中部,共20个坝段,全长363m。溢流坝段共设18孔泄洪闸,堰顶高程210.0 m,设有15m×15m的弧形工作门,闸墩厚3m。

1 概况

1992年1月在工程检查时首次发现40#坝段185 m廊道的6个坝体排水管漏水量较大,通过对40#坝段的裂缝漏水情况进行定期检查来看,漏水量有逐年增大的趋势。漏水现象基本从每年12月份开始,到次年的4月份结束,一般为1月、2月份漏水量大。

为查明漏水原因,分别于 1998年1月、2002年9月、2003年 5月—7月3次自 202 m检修廊道打钻孔进行压水试验,初步判断40#坝段有一集中渗水层,高程为194m。在2000年汛前水库水位低于194m高程时进行坝前裂缝检查,证实在坝前194 m高程有一条沿坝轴向的贯穿整个坝段的水平裂缝。从1983年裂缝统计资料表上看,此缝在施工期发生,当时曾进行过贴补防漏处理。为进一步查明裂缝位置,于2003年7月对钻孔进行孔内电视录像检查。从孔内录像看:除6#钻孔未见明显裂缝外,其余各孔在高程194.17～193.81 m段内均存在一条张开程度不同的水平裂缝,绝大部分充填泥质物,裂缝周围的混凝土质量较差。靠近39#坝段的9#钻孔194m高程距上游面6.52m,靠近41#坝段的10#钻孔194 m高程距上游面8.57 m。综合以上证据表明,40#坝段上游面194 m高程附近存在一条水平裂缝,缝深6.5～8.5 m,沿坝轴线方向贯穿整个坝段,该裂缝冬季张开,夏季闭合。现状坝体的裂缝有进一步向下游发展的可能。

2 裂缝成因分析

为了对裂缝成因有一个理论上的认识,对40#坝段采用有限元方法,进行有温度荷载参与作用下的分析计算。

40#溢流坝段坝型为宽缝重力坝,坝段两端设有宽缝、坝顶中部设有中墩,为考虑坝体的空间效应,采用三维有限元进行计算。采用通用型商用有限元工程分析软件ANSYS对40#溢流坝段进行温度场、位移、应力场分析。

通过有限元计算分析,40#坝段194 m高程上游面水平裂缝成因如下:

周期性的温度变化对坝体应力产生严重影响为裂缝开展的主要因素。周围环境变化的作用对大体积混凝土产生的严重影响,这种影响表现在坝体内部温度变化滞后于环境温度变化及坝体的前后变化滞后于环境变化,这两种滞后导致坝体上、下游坝面部位发生较大的拉应力。上游面194m高程冬季铅垂拉应力1.509MPa,夏季铅垂压应力为-1.460MPa,温度应力变幅达2.969M Pa。在周期温度应力场作用下变化趋势为夏季前倾、冬季后仰。

经钻孔检查,该高程附近岩芯很破碎,混凝土抗拉强度已不足,在承受上述拉应力时产生裂缝是必然的。通过查阅“潘家口水库工程竣工资料”40#坝段甲块质量检查记录,194 m高程为施工浇筑层。根据1983年裂缝统计资料发现,194m高程上游坝面已存在裂缝。再加上1990年汛前库水位首次降到190 m高程以下,汛后库水位回升至最高蓄水位,坝体表面混凝土温差增大,导致41#坝段197m高程裂缝扩展、漏水。40#坝段194m高程裂缝随之于1992年开始漏水,并在每年周而复始的温度荷载作用下逐渐向下游延伸,说明温度应力变化是坝体上游面产生裂缝的主要外因,而施工缺陷的存在是此高程产生裂缝的内因。

3 坝体稳定、应力分析

现状坝体产生裂缝后,分别采用材料力学和有限元分析194 m高程坝体开裂后的稳定、应力情况。材料力学方法分别计算裂缝深度为4 m、6 m、8m,有限元法分析计算裂缝深度为6.9m、8.78 m。

3.1 材料力学分析方法

由于194m高程施工薄弱层面存在,且经过钻孔岩芯检查,此段混凝土破碎,抗剪强度指标较原设计值有所降低,计算中采用抗剪指标如下:

3.2 有限元分析方法

针对40#坝段裂缝现状进行有限元计算。裂缝通过面面接触单元模拟,裂缝上下面间摩擦系数取0.7。

组合地震工况同时计入顺河向和竖向地震作用效应,总的地震效应将竖向地震效应乘以0.5的遇合系数后与顺河向水平地震效应叠加后取得。

3.3 现状坝体稳定及坝体应力综合分析

通过对现状坝体抗滑稳定、坝体应力计算,可得出以下结论:

(1)材料力学法无温度荷载条件下坝体现状抗剪断安全系数除地震工况外各种缝深各种工况均满足规范要求。各种缝深最高蓄水位遇地震工况时的抗剪安全系数为0.903～0.944,均不满足规范要求。满足规范要求的其他工况有随裂缝开度增加安全系数均逐渐降低的趋势。

上游面缝端垂直正应力σy在地震工况下为拉应力,最大拉应力为0.277MPa,在其他工况下为压应力,说明裂缝有进一步发展的可能。拉应力随裂缝深度增加逐渐减小,当缝深取8 m时正常蓄水位遇地震工况缝端已出现压应力。证明裂缝随深度增加将逐渐趋于稳定。

(2)有限元分析现状坝体:高程194m裂缝缝端铅垂方向冬季为拉应力,最大拉应力为0.680 MPa,夏季为压应力,在这种周期性拉压应力状态及周期变化作用下,裂缝有进一步扩展。在冬季遭遇地震时,缝端应力状况进一步恶化,最大拉应力为1.20 MPa,开度显著增加。

因此,裂缝的存在已危及到坝体的安全运用,且裂缝还将进一步向下游扩展。故此裂缝必须进行处理,以降低缝端拉应力,增加坝体抗滑稳定安全系数。

4 预应力锚索施工

根据40#坝段工作现状及有关规范规程要求,此裂缝采用预应力锚索加固坝体,增加坝体沿194m高程的抗滑稳定性,改善裂缝缝端应力状况,限制裂缝的进一步发展。

在坝体40#坝段的202m高程检查廊道内布置一排锚索,锚索布置和锚孔布置如图1所示。

图1 锚索布置图

锚索施工的主要工序为:造孔、垫板安装、束体编制与安装,内锚段灌浆,张拉锁定,锚索的永久防护,锚索荷载观测等。其工艺流程如下图2所示。

图2 预应力锚索施工工艺流程图

4.1 造孔

钻孔是在202m高程廊道内进行的,由于廊道宽仅为2m(有效使用宽度不足1.8 m)、高度仅为2.8 m,使得施工场地相当狭窄拥挤,增加了造孔的难度。为钻出满足设计要求(孔径为200 mm,孔位偏差不大于10 cm,孔距误差不大于10 cm,有效孔深不得小于设计值,超深不得大于20 cm和孔斜率不超过1/100)的锚索孔。采取了如下的技术措施:

(1)准确测定并校验各孔孔位,严格按照测定的孔位开孔。

(2)选用搬迁灵活,适用于金刚石、硬质合金和铁砂等多种钻进工艺的重庆探矿厂生产的300型地质钻机进行造孔。

(3)采用了金刚石和双水口铁砂钻头成孔。钻进中采用适宜的给水量、适当的投砂量等钻进工艺。

(4)孔斜控制

a.采用地锚和压板等措施稳固钻机,使钻机在正常运转过程中始终处于平稳状态,在钻进地层的反推力作用下仍能保证钻机的稳定和钻孔方向。

b.采用加长钻具、不使用弯曲、瘪陷的钻杆等,提高钻具的导向性。

c.正确控制钻进压力,控制机械钻速。

d.根据钻孔情况,每2～3 m进行一次孔斜测量,及时了解钻孔轨迹。

e.一旦发现钻孔超偏,及时采取增大投砂量、下偏斜塞直至回填砂浆等措施进行纠偏处理,确保满足孔斜要求。施工中对7#孔进行了纠偏处理,处理后的孔斜率达到了0.7%,取得了良好的效果。

(5)施工中对每个锚索钻孔取得的混凝土芯样,进行了准确编录,鉴定了芯样的完整程度,岩芯平均采取率为96.48%,从所获取的岩芯看岩芯大多呈圆柱状,岩芯断裂处卵石较大,岩芯较为完整,有少量蜂窝,局部有钢筋出现,在194 m高程附近没有明显的裂缝。

4.2 锚头安装

钻孔结束后,在202.00m高程检查廊道底板上开挖边长为700 mm、深700 mm的锚坑,锚坑开挖采用机械与人工相结合的方法凿除混凝土。用M 40水泥砂浆将混凝土开挖表面找平,砂浆平均厚度100 mm。砂浆找平后进行锚垫板的安装。

混合式下锚头需在185.00m高程廊道顶板上开挖锚坑,边长为700mm,深度以超过廊道顶部高程。在锚索孔造孔结束后,将混凝土开挖表面用M 40水泥砂浆找平,在水泥砂浆初凝前安装下锚头钢垫板。为提高砂浆体的密实性和流动性,在水泥砂浆中掺加适量减水剂和膨胀剂,掺量分别为0.6%和11%。

在9根锚索外锚头下安装的14块钢垫板对中性良好,满足设计和施工要求。

4.3 束体编制与安装

每束锚索由18根无粘结钢绞线组成。锚索钢绞线按照每个锚索孔的深度不同下料,采用机械切割,切割后根据设计锚固段尺寸对下锚头部分剥去塑料外皮,并清洗表面油脂,然后通过交通工具和人工将处理好的钢绞线运至锚索孔附近。

按规定在锚索上安装导向帽、隔离架、注浆管等部件编制成束。使用前对使用的钢绞线护套逐段进行仔细检查,防止出现有破损护套。

编制好的锚索体通过自制的下索架,将锚索沉放到锚索孔内。采用自制的下索架下束,效率非常高,下一束锚索平均只需30 min就可以结束。锚索沉放过程中,保证了锚索体塑料保护套无破损。

4.4 内锚段注浆

内锚段水泥灌浆采用的是42.5水泥拌制,水灰比为0.37,并掺入适量的膨胀剂和减水剂,灰浆搅拌使用机械进行强制拌合,搅拌时间不低于3min。

浆液随拌随用,拌和后超过1 h的浆液作为废浆弃掉。

通过挤压泵和灌浆管自下而上进行定量灌浆,灌浆压力0.5 MPa。

4.5 锚索的张拉

当锚根部位水泥浆体达到设计强度后,即开始顺序安装张拉设备和预应力张拉。为保证张拉工作有较高的质量,本次施工一般是在注浆20 d以后进行,浆体强度接近70 M Pa。张拉分为2个阶段进行,第1阶段先张拉至设计吨位的50%,第2阶段张拉至超张拉吨位(设计吨位的110%)。每一阶段又分为两级和三级,采用单根加载。每一级稳压10 min,最后一级稳压30 min。依据测力计对锚索荷载观测的数据,将锚索超张拉吨位到3 300 kN上下,锁定后锚索吨位即可在3 000 kN以上,9根锚索束体张拉伸长值满足设计要求。总计安装吨位27 000 kN。

在钢绞线施加张拉力两个月后进行补偿张拉。补偿张拉力根据观测锚索测试情况另行确定。

4.6 预应力观测

在5#、8#两个锚索外锚头处各安装了1台3 600 kN级的测力计。测力计的编号分别为7114#和7252#,锚索锁定荷载和荷载时间过程见图3、图4,从中可以看出荷载随时间波动变化不大,锚索荷载稳定。

图3 7114#测力计观测数据

图4 7252#测力计观测数据

4.7 锚头防腐

锚索张拉结束后,向上锚头坑内注油防腐,对下锚头用砂浆与注油防腐进行保护。

5 结语

采用预应力锚索加固对潘家口水库主坝40#坝段上游面水平裂缝进行处理后,坝体应力也得到很好的改善,坝体漏水量明显减小,根据安装在5#、8#两个锚索外锚头处的测力计数据显示。实测最大应力损失8.7%,小于10%(设计值),且基本稳定,并且达到了设计吨位3 000 kN。

[1]任杰潘家口水库枢纽主坝40#坝段194m高程上游面水平裂缝处理单位工程验收设计工作报告[M].天津:中水北方勘测设计研究有限责任公司,2007:22-37.

[2]SL 46—94,水工预应力锚固施工规范[S].

[3]DL/T 5144—2001,水工混凝土施工规范[S].