万安大坝左岸非溢流坝段裂缝成因分析及加固处理

曹胜中，肖 雨

（万安水力发电厂，江西万安343800）

0 前言

中国国电集团公司万安水力发电厂位于赣江中游，南离赣州市90 km，北距南昌市320 km。

电站大坝全长1 104 m，最大坝高68.51 m，总库容为22.16亿m3，现装机规模533 MW，多年平均发电量11.5亿kW·h。电厂以发电为主，兼有防洪、航运、灌溉、养殖等综合效益，是江西电网调峰、调频、事故备用的主力电厂。

1 问题提出

2008年底，电厂管理人员在对挡水建筑物进行例行检查时，发现左岸非溢流坝段（以下简称左非坝段）3～5号坝段临空面存在大量裂缝。为研究裂缝成因及其危害性，判定其发展趋势，制定裂缝处理加固措施，确保大坝运行安全，万安水电厂致函长江勘测规划设计研究有限责任公司（原设计单位），通报了左非坝段裂缝情况。长江设计公司分两次派出专家和设计人员对现场进行考查调研后，提出了《万安水电站左非坝段裂缝检查技术要求》。

2 裂缝现场检测

2.1 检测方法

首先对大坝3～5号坝段上、下游面、坝顶表面、坝内廊道表面进行裂缝普查，检查坝体裂缝条数及大致分布情况并结合坝体排水孔、表面渗水和溶出物情况进行综合分析判断，然后对记录在案的裂缝进行详查，详查重点是裂缝宽度、深度和连通情况、漏水通道等。

裂缝深度检查的方法是：用单面超声平测法测定深度在50 cm以内的裂缝深度；用钻孔超声对测法、钻孔取芯法测定深度大于50 cm的裂缝深度。为避免对大坝主体造成过度损伤，重点抽查代表性裂缝深度，先用钢筋探测仪扫描钻孔区域，避开钢筋后进行钻孔。

对坝顶裂缝深度大于50 cm的裂缝采取钻孔超声对测法，每个测点需钻取2～3个孔，较长裂缝选取2～3个点，较短裂缝选取1个点。

对深度大于50 cm的坝体侧面裂缝（垂直及水平裂缝），用钻孔取芯法检查裂缝深度，骑缝钻孔，直至取出的芯体上无裂缝，即可确认此时孔深即为裂缝深度。

对下游面及廊道内裂缝，采取压水法测试裂缝是否贯通，先做好一侧裂缝表面的清洁工作，然后涂抹WSS密封胶，同时埋设注水嘴，利用注水器连接空压机和注水嘴，将水压入裂缝中，留意观察另一侧裂缝是否有渗水现象，即可判断裂缝是否贯穿。

2.2 检测依据及仪器

此次检查主要依据GB/T 50344-2004《建筑结构检测技术标准》、CECS21：2000《超声法检测混凝土缺陷技术规程》，使用的主要仪器有RS-ST01C型非金属声波检测仪、径向振动式换能器、DJCK-2型裂缝测宽仪、手持式激光测距仪、钢筋探测仪、钻芯取样机、工程地质钻机以及角磨机等。

2.3 检测成果

检测结果表明，左非3～5号坝段共发现裂缝103条，总长度973.3 m，裂缝宽度一般0.2～0.4 mm，最大深度为5.4 m，主要分布在坝体中部位置，中部较深，两端较浅，坝体中部裂缝呈对称状分布。

3 裂缝成因分析

鉴于左非3号坝段裂缝条数多、宽度大，具有代表性，因此选择该坝段作为裂缝分析研究对象，对其裂缝成因进行有限元计算分析。

通过三维温度应力场仿真计算，重点对左非3号坝段坝顶面裂缝和下游面裂缝成因进行分析。基于瞬态温度场和徐变应力有限元法，对3号坝段的温度场与应力场进行了有限元仿真计算，考虑坝体施工进度、混凝土浇筑温度、混凝土徐变等因素，模拟大坝分期施工和蓄水的全过程。计算结果表明：

（1）左非3号坝段坝顶的顺流向裂缝、下游面的竖直裂缝、高程98.7 m的水平裂缝主要是温度荷载引起的。

坝顶的坝轴向裂缝主要是由于冬季温度下降，坝体下游面温降收缩向下游变形，而上游面收缩向上游变形，则在坝体的中间部位产生较大的拉应力区域。

坝顶面的顺流向裂缝与上、下游面的竖直向裂缝，当内外温差较大时，坝体侧向收缩变形受到限制，坝体中部为坝体内部混凝土自身约束最大的部位，一般在坝体中部会产生较大的拉应力，容易产生顺流向裂缝与竖直向裂缝。

同时，在左非3号坝段左侧存在比较大的临空面，坝体左右侧气温条件不一致，也是导致产生上述裂缝的原因之一。

高程98.7 m产生水平裂缝，主要有以下三方面原因：①夏季气温升高时，坝体表面温度随外界气温升高，坝体表层一定深度的热膨胀受到坝体内部混凝土的约束，坝体表面处于受压状态，而坝体内部处于受拉状态，在竖直方向上产生较大的拉应力；②由于内部温度与表面温度存在着一定的相位差，当外界温度达到最高时，内部的温度还正处于温升阶段，但是数值小于平均值，所以自身的温度应力仍然为拉应力；③高程98.7 m为混凝土的弱结合面，上下浇筑时存在着两个月的长间歇，当遇到较大的拉应力时，很容易产生水平裂缝。

（2）2008年的极寒天气，气温在原本较低的基础上5 d时间内又下降了4℃左右，且寒冷天气持续时间较长，使坝体表面一定深度范围内的拉应力明显提高，正常年份坝体应力较大的部位，最大应力值提高了0.7 MPa左右。当拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土发生开裂，坝体出现多条新裂缝。

（3）左非坝段施工和运行期，受温度荷载的影响，在坝体表面或内部存在一定的拉应力区，拉应力的大小随气温的变化而变化。有些部位拉应力数值比较大，甚至接近混凝土的极限抗拉强度。当这些大拉应力区遭遇混凝土薄弱部位（这些薄弱部位有的是施工质量缺陷造成的，有的是早期存在的微小裂缝），或者遭遇不利的外部温度、边界条件时（2008年初极寒天气），在这些部位就会产生混凝土裂缝，或使原有的裂缝继续扩展，形成危害裂缝。

4 裂缝危害性分析

裂缝危害性分析主要采用有限元混合法模拟裂缝的开裂、摩擦、接触问题。该方法将作用在接触体上的力系分解为外力和接触界面上的接触力，以接触体的位移为基本未知量，以接触区域局部坐标系下的结点接触力为迭代变量，将非线性接触迭代收缩在可能接触面上进行，求解过程中总体刚度矩阵只需在迭代之前形成和分解一次，大大提高了计算效率。坝体混凝土以拉应力超过抗拉强度ft作为开裂判据，跟踪模拟裂缝开裂扩展情况及对坝体应力等指标的影响。

（1）有限元计算成果表明，坝体顶部出现了较大的坝轴向裂缝，下游面出现了较长的竖直裂缝，计算得到的开裂范围、开裂深度、缝面最大张开度与现场的实测情况基本相当。由于在非线性有限元计算中没有考虑混凝土的软化性能，所以得到的裂缝开裂深度一般要比实际情况略大。

（2）左非3号坝段顶面的顺流向裂缝、坝轴向裂缝以及下游面的竖直裂缝，当遇到极寒天气时，部分缝端仍有较大的拉应力存在，处于开裂的极限状态，仍有进一步扩展的可能。坝体内部夏季存在较大拉应力的区域：在中间顺流向剖面高程94.0～96.0 m之间存在着一个较大的拉应力区（坝轴方向正应力），中心点最大拉应力值有1.75 MPa；在坝轴向剖面高程97.0～98.0 m中间部位也存在一个较大拉应力区域（顺河向正应力），最大法向拉应力有1.97 MPa。这些高应力区是坝体产生裂缝和使裂缝进一步扩展的隐患。

（3）当混凝土的抗拉强度由2.0 MPa调整到1.9 MPa时，坝顶的顺流向裂缝、坝踵和下游面的竖直向裂缝都有不同程度的扩展。特别是坝轴向裂缝，由于存在侧向临空面，夏季在坝体高程97.0～98.0 m间的高应力区发生开裂，并迅速扩展至高程89.5 m，裂缝深度达14.5 m，说明了坝轴向裂缝对抗拉强度非常敏感，如果遇到一些特殊情况，坝轴向裂缝有可能再次发生大规模的开裂，对大坝运行安全产生不利影响。

（4）当水位抬升到100.0 m，坝体顶部和坝踵处拉应力（压应力减小）都会有所增加，顶部的顺流向裂缝和坝踵的竖直向裂缝都有一定程度的扩展。如果在水位抬升后碰到极寒天气，顶面的顺流向裂缝将扩展至上游面，形成竖直向裂缝，对坝体的耐久性将产生不利影响。

（5）有限元计算分析和钻孔电视录像均表明，坝体在高程98.7 m出现了较大规模的水平裂缝，且水平裂缝贯穿于整个坝面的可能性很大。这不仅削弱了大坝的整体性，且在坝前水位抬升后，同样会对坝体的耐久性产生影响。

当遇到下列情况时，3号坝段危害性较大的裂缝，特别是顺流向裂缝和坝轴向裂缝有可能进一步发展，应引起足够的重视。

（1）在温度疲劳荷载的作用下，裂缝缝端混凝土的抗拉强度有可能降低。

（2）再遇到极寒天气或遇到地震荷载的作用。

（3）坝体在浇筑过程中，混凝土的强度具有一定的离散性。据《万安水电站施工复查报告》，检测到R90150号混凝土的最小抗压强度为9.3 MPa，对应的抗拉强度只有0.74 MPa。如果裂缝由质量较好混凝土扩展至较差混凝土时，将引起坝体更大范围的开裂。

（4）水位抬升至最终的设计水位100.0 m，或者遇到较高洪水位时，坝面温度边界条件的改变可能使裂缝进一步扩展。

5 裂缝处理设计

针对有可能导致裂缝进一步扩展的不利因素，确定左非坝段混凝土裂缝处理重点如下：

（1）针对坝顶的顺流向裂缝和下游的竖直裂缝，以降低缝内孔隙水压力为目的的裂缝防水排水处理。

（2）针对危害性较大的裂缝，以稳定裂缝、限制其进一步发展为目的进行结构处理。

（3）针对上游坝面水平裂缝和竖直裂缝，以降低坝体内渗压力为目的进行防、排水处理。

（4）针对属于“活缝”的水平层间缝，采取能适应其变形的处理措施。

（5）为改善不利的温度边界条件，对左非3号坝段左侧临空面采取表面保温措施。

6 施工重点控制项目

6.1 裂缝灌浆

水上、水下裂缝均采用贴嘴灌浆，水上裂缝灌浆材料采用结构注缝胶，水下灌浆材料采用LW水下专用系列材料。

灌浆过程控制要求如下：水平缝由一端向另一端逐孔灌注，竖直缝或斜缝由下往上逐孔灌注，在上方第二个灌浆孔出纯浆后，封闭该灌浆孔，移至上方第二个灌浆孔继续灌浆，直至保证整条缝内充满浆液。灌浆压力应先小后大，进浆宜缓慢，不应急促进浆，最大压力控制在0.2 MPa。灌浆结束标准：裂缝缝面停止吸浆，再继续灌注30 min结束。

对Ⅲ类缝及以上裂缝灌浆处理后需进行钻孔取芯检查,每20 m取一个检查孔，钻孔孔径一般为φ76 mm，孔深20～30 cm，观察其缝面浆液结石和充填情况，缝面可见浆液面积不小于80%。

6.2 骑缝凿槽

按裂缝分类处理方式确定槽型及尺寸，先沿槽口两侧采用砂轮切割边线，切割深度2 cm，并形成倒角。在切割形成的边线内采用人工凿除混凝土，严禁使用机械设备施工，骑缝槽形成后应清除周边松动混凝土块，并用高压水清洗干净。

6.3 嵌填塑性止水材料及聚合物砂浆

嵌填止水材料采用SR2塑性止水材料。槽内回填止水材料工序完成后再回填聚合物砂浆。砂浆表干后，采用喷雾养护或用塑料薄膜覆盖养护，养护表面不能见明水。潮湿养护时表面如遇寒流或下雨，应加以覆盖，不受雨水冲洗。回填完成3 d后，要求锤击检查，敲击声应清脆，保证无脱开或空壳现象。发现不密实区时，应凿除重新回填。

6.4 粘贴SR防渗盖片

SR防渗盖片是以SR塑性止水材料为防渗主体，与增强聚酯无纺布、反光聚酯铝箔薄膜复合而成的片状防水材料。

水上施工时，处理粘贴部位基面，要求平整干净，对于较大的凹坑与不平整面，应采用SR2塑性止水材料填平补齐。粘贴面涂刷SR防渗盖片配套底胶，要求涂刷均匀无漏刷。根据需要剪裁SR防渗盖片，并撕去面上防粘保护纸。待底胶表干后，粘贴盖片，使盖片与基面粘贴密实。盖片接头采用搭接形式，搭接长度不小于5 cm，且需涂刷底胶，再进行搭接粘贴。盖片应粘贴平整，盖片粘结完好。

水下施工时，基面处理后，分段涂刷HK-963水下粘结剂或水下专用粘贴剂，要求涂刷均匀无漏刷。待底胶表干后，粘贴盖片，使盖片与基面粘贴密实，接头采用搭接形式，搭接长度不小于5 cm。盖片粘贴完成后，用粘结剂配成胶泥对SR防渗盖片与混凝土的接触部位用胶泥进行封边处理。粘贴SR盖片的结合面表面不平整度应小于1 cm。

防渗盖片采用8 cm厚PVC板材保护，防渗板两侧采用不锈钢压条和螺栓固定，压条宽8 cm，厚2 mm，螺栓为M12，间距50 cm，PVC板上螺栓孔应预留伸缩空间。

6.5 测缝计安装

根据测缝计选型后的尺寸进行裂缝凿槽，槽口尺寸初定为50 cm×15 cm×10 cm（长×宽×深），槽口应尽量保持规则。按测缝计安装说明书要求，在槽底跨裂缝两侧钻孔，钻孔孔径φ50 mm，深度超过固定测缝计的锚杆埋设长度3 cm，并采用M20水泥砂浆固定。

锚杆施工3 d后安装好测缝计，安装前应预拉测缝计量程的1/3，测杆区采用2 cm厚SR2包裹，裂缝缝口与测杆间采用SR2回填，保证测缝计处于独立测量范围。

测缝计安装就位后，连接配套电缆并引至槽外。测缝计的电缆采用内径不小于2 cm的镀锌钢管保护，钢管采用膨胀螺栓固定，电缆在钢管内呈“S”形设置，并按要求引入监测箱内。

槽内分层回填聚合物砂浆，层厚3 cm，回填完成后保湿养护。

6.6 苯板安装

左非3坝段左侧临空面采用苯板进行保温，苯板应符合GB10801-89《隔热用聚苯乙烯泡沫塑料》标准中ZR阻燃型第一类的要求。板厚5 cm，要求表观密度18～22 kg/m3，导热系数≤0.041 W/m·k，吸水率≤6%（v/v），厚度偏差±2 mm。

苯板施工前，保温面应打磨平整，并在裂缝处理完成后进行苯板安装。

采用专用粘结剂粘贴苯板，苯板粘贴完成后表面采用PVC板保护（已带保护层的苯板可不进行保护），PVC板厚5 mm，并采用膨胀螺栓固定。螺栓与PVC板间设置水平向不锈钢压条，压条厚2 mm，宽4 cm，螺栓长10 cm，间距1 m×1 m。

6.7 锚筋施工

左非3坝段下游面设置锚筋，按设计图纸孔位进行放样，钻孔孔径110 cm，孔深12 m，应采用取芯钻造孔，钻孔偏差度小于1%。钻孔完成后，对钻孔进行清洗，并抽出孔内积水。

锚筋为2根长12 m的II级φ36 mm钢筋，采用铝丝绑扎，并采用对中支架安装好锚筋。锚筋安装后采用M20水泥砂浆进行灌注，灌注时采用φ30～50 mm塑料管压入砂浆，边进砂浆边慢慢向上提进浆管，但不允许管口高于砂浆面，确保孔内砂浆密实。砂浆灌注完成7 d后，清除孔口10 cm范围内水泥砂浆及杂物，清洗干净后，采用聚合物砂浆回填平整。

7 结语

施工完成后的巡视检查中未发现坝面有新裂缝产生，处理过的裂缝也没有发现重新张开的迹象。埋设的测缝计提供的数据显示，缝宽的变化明显滞后于气温的变化，且变化平缓没有突变，说明左非坝段裂缝施工后达到了加固处理的目的。