朱昌河水库大坝混凝土裂缝成因分析及处理技术

邓立南

(中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁 沈阳 110179)

1 工程概况

朱昌河水库大坝枢纽工程位于北盘江二级支流朱昌河上(一级支流为乌都河)，在贵州省六盘水市盘州市英武镇境内，其工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等，工程任务以供水为主，兼顾发电。该工程大坝为碾压混凝土重力坝，全长共分10个坝段，最大坝高102.1m，坝顶长度264.9m，坝顶宽度8.2m，坝底最大宽度约90m。该坝体材料分区：距坝顶2.2m高度范围为C2825W6F50二级配常态混凝土，河床坝基2.0m厚垫层及边坡马道1.0m厚垫层均采用C2820W6F50三级配常态混凝土；坝体上游不小于3.5m宽度的防渗区采用C18020W8F50二级配碾压混凝土及C18020W8F50变态混凝土，下游为C18015W4F50三级配碾压混凝土及C18015W6F50变态混凝土。坝体采用全断面碾压混凝土浇筑方案，即上下游面及两侧岸坡接触面均采用浇浆振捣变态混凝土，中间为碾压混凝土，并按照全坝段通仓斜层铺筑方式施工。根据工程区域气候条件和进度要求，采用全年时段浇筑。

2 裂缝概况及成因分析

2.1 主要裂缝情况

朱昌河水库大坝混凝土浇筑过程中出现了一些裂缝，横向、纵向均有发育，裂缝长度、深度不一，经统计核实的裂缝情况具体如下：

a.表面及浅层裂缝：深度小于0.1m的表面裂缝和0.1m≤深度<1.0m的浅层裂缝；表面裂缝出现时间较早，裂缝长度较短，缝隙明显，但线形极不规则，一般为龟裂或干缩裂缝，主要在常态及变态混凝土区发育，尤其是溢洪道堰面发育较多；浅层裂缝相对较少发育，且细微不明显，以横向发育居多，长度多在1～3m，主要分布于碾压混凝土区，常态混凝土区也偶有发育。

b.深层裂缝：1.0m≤深度<单仓浇筑厚度，裂缝长度相对稍长(但多在5m长度以内)，多出现于浇筑间歇时间较长的碾压及变态混凝土区，常态混凝土区也有发育；该类裂缝多数大致横向发育(垂直坝轴线方向)，缝宽较明显，其发育数量与浅层裂缝大致相当。

c.层间贯穿裂缝：深度≥单仓浇筑厚度，发育长度一般较长，多出现于常态混凝土区(如坝顶及河床坝基垫层常态混凝土区贯穿裂缝就相对较多：垫层区裂缝发育方向极不规则，相互交叉；坝顶常态混凝土区基本垂直坝轴线发育，且上下游、层高均贯通)，在碾压及变态混凝土区也有少量发育(大致横向发育，单仓层厚贯穿，且延伸长度小于1/3坝体宽度)；该类裂缝在常态区发育较多，碾压及变态混凝土区则极少发育。

2.2 裂缝成因分析

2.2.1 内外温差过大导致开裂

温度应力是引起混凝土裂缝的主要原因[1]，对于龄期较早的混凝土来说，允许承受的拉应力较小，很容易在混凝土表面产生裂缝[2]，且随着应力增加，裂缝有可能进一步向深层发展，而温度应力的产生则主要由坝体内外温差过大所引起。由于坝体尺寸大，内部水化热难以快速散发，而表面与外界直接接触，散热快，极易造成坝体内外温差过大。而朱昌河水库工程区域存在早晚温差大、夏季直射温度高、冬季存在低温凝冻天气等温效特点，对混凝土温控极为不利。

从朱昌河水库大坝内部温度监测情况看：2016年5月浇筑的基础垫层常态混凝土内部最高温度为54℃，最大温升达到34.0℃；后续浇筑的碾压混凝土内部最高温度为42.3℃，最大温升达到20.3℃。与同期外界气温对比，常态混凝土最大内外温差将近30℃，碾压混凝土内外温差最大也达到了23.5℃。故因混凝土内外温差过大而产生的过大拉应力，是导致混凝土开裂的主要原因。

朱昌河水库大坝河床坝基常态垫层混凝土基本在浇筑2周后，便陆续出现不规则的裂缝，且存在贯通情况。因2018年12月中下旬出现一次凝冻降温，随后在1410.30m高程坝面下游侧发现了多条裂缝(下游向上游最大延伸至将近1/3坝宽位置)，局部开裂贯穿单仓层。坝顶常态混凝土也在浇筑后3～7天便陆续出现了沿常态混凝土区贯穿的裂缝。

2.2.2 上下层仓号浇筑间歇时间过长

混凝土浇筑间隔时间长，容易出现冻胀裂缝等温度裂缝[3]。受廊道等细部结构施工影响，坝面碾压混凝土多次安排集中停浇，后期停浇面在备仓清理时均发现有少量裂缝；而正常浇筑期间，上下层混凝土仓号间歇时间短，实际并未发现有裂缝产生。由此可见坝面停浇时间长，也是坝体产生裂缝的主要因素之一。初步分析主要是表面长时间未覆盖混凝土，表层混凝土水分蒸发和降温过快，并受其下层混凝土的约束而产生拉裂和干缩裂缝。该类情况多会发育成浅层或深层裂缝，且主要发生于碾压混凝土范围。

2.2.3 拆模及冲毛时间过早

拆模时间过早、表面迅速降温会使得内外温差加大、表面拉应力变得很大，在混凝土早期强度过低的情况下极易产生拉裂；同时，由于混凝土强度过低，拆模过程中会拽动拉条而撕裂混凝土，从而形成裂缝。该类情况通常以表面或浅层裂缝形式出现，对常态混凝土影响较大。

冲毛时间过早，尤其是初凝前即进行冲毛，表层混凝土受水侵入浸泡，降低强度的同时，水分蒸发后会加速干缩变形而产生裂缝或者形成龟裂，这也是实际施工期较常见的问题，变态及常态混凝土区尤为突出。

2.2.4 养护措施不到位

充分养护是保证混凝土强度等性能正常发展和防止干缩裂缝的重要措施[4]，混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要[5]。保温养护不到位造成水分散失和降温过快，会沿混凝土表面产生干缩裂缝，大多数混凝土表层龟裂或浅层裂缝都是由此形成的，未能做好保温养护的溢洪道堰面发育的多数裂缝与此相关。

3 裂缝处理措施

3.1 表面处理

a.开裂深度在0.3m以内的浅层裂缝，直接骑缝凿槽至裂缝消失为止，并根据槽口大小分别采用M25预缩水泥砂浆填抹封闭或高一等级细石膨胀混凝土回填捣实。

b.开裂深度大于0.3m的裂缝，表面均凿槽封闭，缝面封闭材料采用预缩砂浆[6], 即采用M25预缩水泥砂浆填抹封闭(砂浆拌制后应就地存放约1h，并在槽壁涂抹1mm厚、水灰比为0.45～0.5的水泥素浆后进行填抹)；裂缝部位不要求防渗(如大坝下游面等)时，骑缝凿6cm×5cm槽口后填抹预缩砂浆封闭即可，但裂缝发育较严重或现场具备灌浆作业条件时，凿槽封闭后还应进行水泥灌浆封堵补强；对于上游面(二级配防渗区厚度范围)、溢洪道过流面等要求防渗部位出现的裂缝，凿槽封闭后应采用化学灌浆封堵补强。

c.采取一些常规的并缝措施就能阻止裂缝向上发展[7]，故在完成缝口凿槽封填及灌浆封堵后，沿裂缝全长方向骑缝对称铺设并缝钢筋网片：沿立面或水平面通长骑缝对称铺设2.5m宽、直径20～22mm的钢筋网片条带，以防止裂缝继续发育延伸至其上层或相邻侧混凝土内。

d.在溢洪道导墙、堰面及护坦等有抗冲耐磨要求的部位，对其出露的开裂深度在0.1m以内的裂缝，采用骑缝凿槽至裂缝消失为止，但封填材料改用丙乳砂浆；对于0.1m以上的裂缝，则采用化学灌浆封堵补强的处理措施。

3.2 裂缝水泥灌浆封堵

在具备水泥灌浆作业条件时，对于发育较严重的裂缝及贯穿坝体裂缝，采用水泥灌浆方式进行灌浆封堵，主要用于处理河床坝基垫层常态混凝土、浇筑过程中坝面及坝顶常态混凝土等部位裂缝；但对坝体上游面等有防渗要求的部位仍需在蓄水前采取化学灌浆方式对裂缝进一步封堵补强。采用水泥灌浆封堵方式时，在开孔灌浆前均应进行凿槽封闭等表面处置。

3.2.1 布孔

在距裂缝约30～50cm处的两侧对称布孔，按照同侧孔距2～3m、两侧梅花形布孔的方式，以及两侧以不少于1.0m长度深浅不一地斜穿裂缝等要求钻设灌浆孔，钻孔孔径控制在75mm以内；钻孔完成后采用灌浆压力80%的压力水冲洗，将孔内渣粉清洗干净，直至回水清澈为止。

3.2.2 灌浆作业

a.在两侧先深后浅、由一端向另一端逐段依次进行钻孔灌浆，每段相邻2～3孔同时钻孔，并由起始端开始逐孔依次进行灌浆，以相邻孔做排气孔。

b.采用掺入UEA混凝土膨胀剂(掺量为水泥用量的6%)的P·O42.5普通硅酸盐水泥净浆作为灌浆材料(有条件下宜采用灌浆专用的湿磨细水泥)，按照水、膨胀剂、水泥的投料顺序拌制，拌制均匀的浆液宜在4h内使用完毕。

c.在冲洗干净的灌浆孔内插入注浆管，其管口距孔底约50cm，利用栓塞封闭孔口，采用循环式灌浆工艺，起灌水灰比宜为3∶1，并根据注浆量变化由稀到浓逐级变换，灌浆压力按照不大于0.6MPa控制。

d.在灌浆压力稳定在0.6MPa且停止吸浆的情况下继续灌注30min后结束灌浆，待水泥浆硬结后对干缩形成的孔内空腔用0.5∶1水泥砂浆人工填充捣实。

e.对于坝顶常态混凝土区等范围发育较深的贯穿裂缝，应在孔内封孔浆体初凝前，插入小于灌浆孔深0.1m且直径不小于20mm的钢筋，以提高缝面的结合质量。

3.3 裂缝化学灌浆封堵

在裂缝开裂深度大于0.3m且有防渗要求的部位(如大坝上游面)，或是裂缝开裂深度大于0.1m且具有抗渗及抗冲耐磨要求的部位(如溢洪道导墙、堰面及护坦等)，均采用化学灌浆封堵补强；前述范围出现的裂缝即使前期已采用了水泥灌浆处理的，也应采用化学灌浆的方式进行补强处理。裂缝较宽、发育明显的裂缝，应先进行凿槽封闭等表面处置；裂缝宽度细小且不明显的，可不进行凿槽封闭，直接开孔灌填。由于坝体较厚，在裂缝发育较深的情况下，很难对裂缝全深范围实施灌浆封堵补强，故化学灌浆补强厚度按照1～2m进行控制。灌浆材料采用环氧树脂AB胶(应根据灌浆时长需要和注入量情况分别选取调制质量比为A∶B为6∶1、5∶1、4∶1的混合浆液，搅拌均匀的浆液应减压脱泡15～20min后使用)，灌浆压力均按照不大于0.8MPa控制(灌浆时应由低至高逐渐加压至最大压力)，化学灌浆孔孔径控制在15～20mm为宜。应安排在坝顶封顶后、蓄水前实施化学灌浆，以便裂缝发展稳定后利于提高灌浆封堵补强质量。大坝上下游面化学灌浆部位采用电动吊篮或坐板作为移动施工平台，主要处理部位为大坝上游面、溢洪道导墙及堰面、下游护坦等。

3.3.1 浅层裂缝化学灌浆施工

处理范围主要集中于溢洪道导墙及堰面部位。对于发育深度小于50cm的浅层裂缝，采用骑缝凿槽后，沿裂缝全长范围按照不大于50cm的间距骑缝钻设孔深为10～20cm的灌浆孔，钻孔及基槽冲洗干净后埋设灌浆嘴；在孔口涂抹丙乳净浆将灌浆嘴固定牢靠，待灌浆嘴封填净浆凝固并对基槽二次冲洗后，统一对缝槽采用丙乳砂浆封填密实。

待裂缝表面丙乳砂浆强度符合灌浆要求后，开始进行灌浆施工。灌浆前将灌浆嘴上的阀门全部打开，采用高压风吹干孔、缝中的积水后开灌，并由低到高或由一端向另一端逐孔依次灌浆。灌浆时，打开所有灌浆嘴阀门，采用稳压慢灌、依次灌浆的方式；当灌浆压力没有达到规定压力而邻近的灌浆嘴溢浆时，关闭并结扎出浆嘴，继续压浆；当灌浆达到设计压力基本不吸浆后，可在扎紧该灌浆嘴后，进行下一孔的灌浆施工；待最后一个灌浆嘴注浆不吸浆后，屏浆并稳压10min后即可结束该条裂缝灌浆。

3.3.2 深层裂缝化学灌浆施工

对于发育深度不小于50cm的裂缝，在距裂缝20～30cm左右沿裂缝两侧开孔(见图1)，左右梅花形布孔，在距表面40～60cm的深度斜穿裂缝，单侧孔距40～60cm，斜穿裂缝后继续延伸不小于30cm的长度。钻孔完成并采用高压风吹洗干净后(或采用设计灌浆压力80%的高压水冲洗并排净孔内积水后)，埋设灌浆嘴。按“先低后高”或由一端向另一端逐孔灌浆的顺序依次进行灌浆。灌浆时利用注入孔埋置的灌浆嘴进行纯压式灌浆，灌浆压力逐步升至设计压力；当临近的非注入斜孔的灌浆嘴返出浓浆时，可接管进行多点并联式灌浆，直至达到结束标准(即设计灌浆压力下基本不吸浆)后结束注入孔的灌浆作业；完成注入孔灌浆后再按既定顺序依次利用下一未出浆灌浆孔进行灌浆，直至所有灌浆孔灌注完成后，结束该条裂缝的灌注。

图1 化学灌浆孔钻孔 (单位：cm)

4 检查及效果分析

4.1 表面处理

a.对于开裂深度较浅的裂缝通过凿槽填补直接去除了裂缝，效果直接明显。

b.对于无法凿除的较深裂缝，通过缝口凿槽封填及铺设骑缝钢筋网片等表面处理，有效限制了裂缝发展，避免其继续延伸至上层或相邻后浇混凝土块；处理后长时间的观察发现，处理效果明显，均未发现裂缝继续延伸至后浇混凝土块的现象。

c.采用表面处理的方式不仅经济，而且很好地改善了外观并提高了混凝土表面强度；有效的封闭处理避免了外界水流沿裂缝处产生渗透或冲刷掏蚀，继而造成混凝土结构的二次破坏。

4.2 水泥灌浆

结合注浆情况和灌后压水检查评定灌浆封堵补强效果。经检查确认，采用水泥灌浆方式处理的部位，其灌后布置的各检查孔压水值最大为0.84Lu，小于1Lu的设计合格标准。在实际灌浆过程中，因水泥注浆材料的局限性，实际注浆量均不大，甚至少量裂缝存在无法注入的情况；同时，部分不具备灌浆作业条件的部位或细微裂缝等也未实施水泥灌浆；故对于有防渗或抗冲耐磨要求的部位仍存在隐患，后续需采用化学灌浆方式补充处理。

4.3 化学灌浆

主要结合灌浆过程表面溢浆(未凿槽封闭的裂缝)或相邻灌浆孔出浆(钻孔埋管方式)情况和灌后检查孔压水检查效果进行质量检查，以表面溢浆或相邻孔正常出浆，且灌后压水检查吕荣值小于1Lu为合格。通过检查，化学灌浆注浆效果较好，细微裂缝也能有效注入浆液(据统计，裂缝每延米实际平均注入量达到了5.84kg)；且灌后检查孔压水值极小，在0～0.025Lu，效果非常明显。

5 结 语

在混凝土大坝在施工期，一旦产生裂缝，就会对大坝的结构稳定性和防渗性能带来极大的威胁，因此必须对裂缝问题充分重视并采取措施。通过检查朱昌河水库大坝混凝土裂缝，对其成因进行分析，并根据裂缝部位混凝土功能要求，分别采用了表面处理、水泥灌浆封堵及化学灌浆封堵等补强措施，有效地提高了坝体的整体性和防渗效果。在对裂缝采取封堵补强措施的同时，更应针对裂缝的成因采取有效的预防措施，这样才能最有效、最安全、最经济地避免裂缝的产生。