子长县红石峁水库泄洪洞裂缝成因分析

雷 庆 张 雁 赵小宁

（陕西水环境工程勘测设计研究院 陕西 西安 710018）

1 泄洪洞工程概况

泄洪洞位于大坝右岸，洞线从右岸山梁穿过布置成一条直线，泄洪洞主要由进口段、塔身段、洞身段和出口段四部分组成，全长437.5m。泄洪洞洞身全长384m，圆拱直墙型，断面尺寸4.5m×5.8m，采用C30钢筋混凝土衬砌，厚度0.6m～0.8m。0+010m～0+130m即坝基帷幕灌浆线后15m衬砌厚度为0.8m，0+130m～0+315m洞身段直墙、顶拱衬砌厚度均为0.6m，底板衬砌厚度为0.8m，在0+315处隧洞比降由1∶50变为 1∶8.0，0+315～0+384段衬砌厚度均为0.8m。洞身钢筋采用双层钢筋网片，主受力筋为φ22，构造筋采用φ12，钢筋间距200。

洞线表层覆盖主要为Q3eol黄土，厚度5m～55m，进出口基岩出露，洞线主要穿越岩性为T3w及J2y2砂、泥岩，强风化厚度3m～5m，较破碎；弱风化岩体较为完整。

泄0+000段～泄0+040段及泄洪洞出口泄0+315段～泄0+384段地质条件较差，围岩覆盖厚度较薄，泄0+040段～泄0+220段洞身为泥岩夹层，初步确定在0+010～0+220和0+315～0+344段采用20a工字钢支撑进行支护。洞身全段采用10cm厚C25砼喷锚支护，洞身顶拱部位设置系统。

0+010 m～0+130m即坝基帷幕灌浆线后15m和0+315以后衬砌厚度为0.8m，0+130m～0+315m洞身段直墙、顶拱衬砌厚度均为0.6m，底板衬砌厚度为0.8m。0+010～0+220和0+315～0+344段采用20a工字钢支撑进行支护，其余段采用锚喷支护。0+130之后洞顶设置排水孔，采用全断面固结灌浆，顶拱120°进行回填灌浆。回填灌浆采用水泥砂浆，灌浆压力0.4MPa，固结灌浆采用水泥浆。

泄洪洞0+300之前每隔10m设置一条环向变形缝，0+300～0+315每隔7.5m设置一条环向变形缝，0+315～0+324设置一条环向变形缝，0+324～0+384每隔10m设置一条环向变形缝。

2 泄洪洞洞身裂缝情况统计

在2014年11月18日业主组织管理人员对泄洪洞进行检查时发现洞内有裂缝。12月8日采用钢尺对裂缝进行测量和统计，当时洞内温度为-3℃，发现裂缝共计44条，37个浇筑段除1和34浇筑段没有裂缝外，其余基本每个浇筑段均有裂缝，其中 7、8、12、16、18、20、22、27和 29这 9个浇筑段2条裂缝。裂缝一般发生浇筑段4m～6m的位置，缝宽0.1mm～1.8mm不等，形状除单侧裂缝6条和双侧裂缝4条以外，其余均为环向裂缝。

在发现裂缝后，组织人员对裂缝进行前后3次对比观测，各测观测结果及对比情况详见下表1。

3 泄洪洞施工情况简介

泄洪洞施工从2011年11月开始至2012年末结束。洞身开挖从进、出口向中间进行，从2011年11月开始，2012年3月底全部贯通。洞身衬砌由0+010～0+307.5依次施工，从6月21日开始，9月14日结束，基本每隔3天进行浇筑；0+361.06～0+307.5从10月1日开始，11月1日结束；最后在11月13日进行0+000～0+010段浇筑。

表1 各次裂缝观测结果对比表

表2 施工时间与裂缝情况对比表

根据泄洪洞地质编录情况进行统计，该泄洪洞施工时超挖情况较为严重，平均超挖30.9%，其中进出口段（0+175上游和0+310下游）超挖比较严重，一般为35%以上，中间段相对来说超挖比较少，一般为20%左右，0+240～0+270超挖控制在5%左右。

根据泄洪洞灌浆资料显示，泄洪洞固结灌浆从2013年4月22日开始至6月4日结束，共计历时1.5个月。灌浆压力为0.4Mpa，浆液水泥配合比0.3kg/L，其持浆量根据固结灌浆的长度和范围差异较大，一般情况下进出口段持浆量较大，中间段较少。根据孔序不同，一般二期孔持浆量少。回填灌浆从2013年4月2日开始至4月19日结束，共计历时18天。灌浆压力为0.4Mpa，浆液水泥配合比1kg/L，其持浆量根据固结灌浆的长度和范围差异较大。

4 裂缝成因分析

4.1 裂缝与施工时间的关系

根据施工单位提供每个浇筑段的施工日期进行对比，详见表2。

从表上可以看出，裂缝多发生在7、8、9三个月，且这几个月裂缝宽度与条数明显大于其他几个月。因此可以看出泄洪洞裂缝与施工时间有关系，且随着温度变化裂缝宽度也发生变化。

施工时平均温度约为20℃左右，加之混凝土浇筑过程中水化热温度，造成混凝土浇筑完成后内部温度较高，而在冬季，洞内温度达到零度以下，浇筑时与冬季温差大于30℃。在设计时，洞身结构计算采用断面法计算，未考虑纵向温度应力变化，加之施工时未进行温度控制措施，因此温度应力是造成泄洪洞裂缝的主要因素。

4.2 裂缝与地质的关系

根据施工阶段地质编录资料，整个泄洪洞按照基岩等级共分为四段，0+000～0+014进口段为基岩斜坡可直接开挖。洞室围岩强风化砂岩夹泥岩，属极不稳定Ⅴ类围岩；0+014～0+080洞身段，洞顶侏罗系弱风化泥岩夹砂岩，属极不稳定Ⅳ类围岩；0+080～0+270洞身段，洞顶及洞身为侏罗系弱风化泥岩，岩体较完整，属极不稳定Ⅳ类围岩，；0+270m～0+340m洞出口段，洞顶及洞身为侏罗系弱风化泥岩、砂岩互层，围岩厚4m～11m,岩体较完整，；0+340～0+384洞身明挖段，基础位于弱风化泥岩及砂岩之上，开挖坡比1∶0.75。

洞身为Ⅳ类砂岩，有7块，其中裂缝9条，平均每块1.3条；洞身为Ⅳ类泥岩，有19块，裂缝25条，平均每块1.3条；洞身为Ⅳ类砂岩、泥岩互层，有7块，裂缝8条，平均每块1.1条，明挖段4块，裂缝2条，裂缝较小。从以上可以看出，裂缝与施工方式有关，与地质情况有一定关系。

4.3 裂缝与施工工艺和原材料关系

隧洞裂缝原因采用泵送混凝土，其水灰比比较大，容易产生混凝土干缩裂缝，加之衬砌完成后未及时进行回填灌浆，混凝土干缩时无基岩进行约束，因此易造成混凝土拉裂。

根据施工单位提供的8份施工过程的混凝土试件抗压试验成果来看，其抗压指标均满足设计要求。施工单位提供了C30混凝土的配合比和抗冻试验报告。目前缺少施工实际配合比资料和其他试验成果资料。泄洪洞裂缝可能与原材料有关系。

泄洪洞混凝土浇筑在2012年6月～11月进行，固结灌浆和回填灌浆在2013年4月～6月进行，时间相隔5个月至1年时间，时间相差较大，其裂缝原因与支护后为及时灌浆有一定关系。

4.4 设计分缝原因

在设计中按照规范设计分缝一般采用10m，在32、33两个浇筑段中分缝采用7m，在此两个浇筑段中均存在环向缝（37-1、37-2），与10m分缝相同，因此泄洪洞裂缝与设计分缝10m太长关系不大。

4.5 同类工程类比

经过调查，在目前已成的与该水库地质条件相近、施工工艺相同的陕北几座水库的泄洪洞和输水隧洞也出现裂缝问题，经过调查裂缝的发生由温度应力、水泥用量偏大和后期养护不及时等多种综合因素造成。

5 红石峁水库泄洪洞裂缝成因分析结果

由于泄洪洞裂缝发生的比较有规律，一般发生在每个浇筑块的4m～6m位置，仅有极少数发生在3.5m～3.7m位置，因此本次分析任务可以排除操作误差和个性问题的可能性。

通过以上分析认为，泄洪洞裂缝成因可能主要有以下几个方面因素：

1）裂缝与混凝土浇筑时段有关，夏季施工裂缝较多，冬季施工裂缝较少；温度应力是造成泄洪洞裂缝的主要因素。

2）地质原因有可能造成洞身裂缝；

3）隧洞裂缝可能与原材料有关；

4）裂缝的发生由温度应力、水泥用量偏大和后期养护不及时等多种综合因素有关。陕西水利