保丰水库坝基垫层混凝土裂缝成因分析及处理

杨秀东

(遵义市水利水电勘测设计研究院有限责任公司，贵州 遵义 563002)

碾压混凝土重力坝因其混凝土体积小、胶凝材料用量少、防渗性能优、坝身可溢流、施工导流便捷、地质适应性强和工程造价低等优点，在西南山区迅速发展为工程实践应用的重要坝型之一[1]。重力坝坝基垫层在浇筑过程中需连续、大仓面快速浇筑，若受温控措施采取不当、气温骤降频繁或浇筑区域环境恶劣等不利因素影响，将会导致混凝土在施工期出现不同程度的裂缝[2-3]。这些初始裂缝如没及时处理或处理措施采取不当，其蓄水后在高水位运行工况下服役，初始裂缝易进一步恶化造成起裂、扩展甚至贯穿，影响大坝的整体稳定性和使用寿命[4-5]。保丰水库是一座高山峡谷地区的碾压混凝土重力坝，在坝基垫层浇筑巡查过程中发现10条裂缝且有发展成为深层长大裂缝的趋势，急需查清混凝土裂缝原因并及时修复补强处理，以便有效指导施工，确保大坝混凝土浇筑质量及运行安全。

1 工程概况

保丰水库位于贵州省遵义市习水县双龙乡境内，距遵义市城区154km。坝址处于桐梓河右岸一级支流沙溪河上游的官仓坝河段。坝址以上流域面积为69.2km2，多年平均年径流量为3780万m3。水库正常蓄水位为900.00m，总库容为1277万m3，兴利调节库容为830万m3。工程任务为农田灌溉和农村人畜饮水。工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等。水库挡水建筑物为碾压混凝土重力坝，坝顶高程为906.0m，最大坝高67.0m，坝顶宽8.0m，坝轴线长196m。工程于2018年11月开工建设，静态总投资57775万元。

2 坝基垫层混凝土裂缝情况

2.1 建基面条件

设计河床坝段坝基开挖至839.0m高程，基础开挖揭露地层岩性以弱风化中厚层夹薄层灰岩、泥质灰岩为主，坝基岩体较完整，岩体工程分类主要为BⅢ2类，强度总体较高。坝基主要发育有三组裂隙和一条断层F1，裂隙及断层为方解石脉充填，对坝基F1断层破碎带进行了清挖处理，清除深度为断层宽度的1.5倍，清理完成后采用C20混凝土回填。

2.2 裂缝基本情况

河床段坝基垫层混凝土于2020年1月2日下午13:25开始浇筑，1月4日凌晨2:00停仓，停仓时已完成垫层55%的浇筑量；1月5日上午开始剩余混凝土浇筑，1月6日凌晨2:00完成全部垫层混凝土浇筑，浇筑方量约2470m3，浇筑时大气温度为5～8℃；浇筑完成后及时采用彩条布夹棉被对混凝土进行了覆盖保温。

2020年1月12日上午，在现场巡视过程中发现河床段坝基垫层上游左侧表面发现有3条裂缝，缝宽约0.2mm，午后又发现一条新裂缝，缝宽0.1～0.3mm，裂缝均未贯通，检查其他部位未发现裂缝。浇筑完7天后，垫层混凝土的强度已超过50%设计强度，开始对坝基段基础进行Ⅰ序孔的固结灌浆，1月22号Ⅰ序孔的固结灌浆完成。受春节放假和疫情影响，节后未能按时复工，现场停工时间较长。2020年2月20日复工后全面检查，共发现10条裂缝，即经钻孔压水检查有2条贯穿性裂缝，8条非贯穿性裂缝，如图1所示。

图1 坝基垫层混凝土裂缝分布图

为选择合适修补措施以确保混凝土补强质量，将结合裂缝类型分类指标，从裂缝缝宽、深度、缝长、性状表现等方面，对裂缝类型进行全面检查和评估[6]。垫层混凝土裂缝类型分类指标见表1。

垫层混凝土表面裂缝宽度采用钢尺和塞尺进行测量，对裂缝深度采用凿槽和钻孔取芯检测，即每条裂缝宽度测量检查点不少于8个，大于1mm的裂缝开度，采用钢钢尺；小于1mm的裂缝开度，采用塞尺。裂缝长度采用钢卷尺测量。

根据保丰水库垫层混凝土的裂缝现状，初步判定①号和②号裂缝为基础贯穿性裂缝(Ⅳ类裂缝)，其他裂缝为表面浅层裂缝(Ⅱ类裂缝)或表面深层裂缝(Ⅲ类裂缝)。为准确测量坝基垫层混凝土裂缝深度，Ⅳ类裂缝(①号和②号裂缝)采用钻芯取样测量缝深；Ⅲ类裂缝和Ⅱ类裂缝采用沿缝凿槽，凿槽深度视为裂缝深度。坝基垫层混凝土裂缝性状检测成果，见表2。

根据表2的检测成果，结合表1指标进行研究讨论，判定①、②号裂缝为基础贯穿性裂缝(Ⅳ类裂缝)；③、④、⑥、⑧、⑨号裂缝为表面深层裂缝(Ⅲ类裂缝)；⑤、⑦、⑩号缝为表面浅层裂缝(Ⅱ类裂缝)。

表1 垫层混凝土裂缝类型分类指标

表2 坝基垫层混凝土裂缝性状检测成果

3 裂缝成因分析

根据保丰水库坝基混凝土垫层裂缝性状及检测成果，结合工程特性及浇筑全程资料，并参照同地区类似工程实践，分析裂缝产生的主要成因有以下两点。

(1)温度影响

坝基垫层混凝土设计厚度为1.5m，长宽比为1∶2，为薄层大体积结构。混凝土浇筑时大气温度为5～8℃，由于垫层混凝土属于大体积、薄层混凝土，内部温升快、不易散发而表面散热快，内外较大温差形成抗拉应力，当超过混凝土极限抗拉强度时，即会产生裂缝[7]。根据大坝内部观测资料反映，基岩面变形计和渗压计的检测温度值平均为33.25℃，由此可以推测出其混凝土内部中心温度应大于基岩面温度。而保丰水库环境的大气温度为5～8℃，内外温差已大于25℃。因此，在温度应力作用下裂缝形成，同时随着大气温度的下降，裂缝将进一步扩展。

(2)养护阶段温控不佳

垫层固结灌浆施工时，大坝混凝土养护的保温被被取消，混凝土表面暴露，加之灌浆过程中施工用水对混凝土表面形成冷击，形成温度应力从而导致混凝土裂缝。另外，春节停工期间，固结灌浆施工停工，未覆盖保温被的坝基垫层混凝土继续产生收缩变形。垫层混凝土温度应力形成高应力区，裂缝继续会沿长边方向发展，形成一条顺水流方向的贯穿性裂缝，横向裂缝也增加，并延伸至坝肩。

4 裂缝处理与应用效果

4.1 裂缝处理方案

保丰水库大坝基础垫层混凝土产生裂缝的主要成因是内外温差过大和基础垫层混凝土厚度不足。根据裂缝分布和大小，主要采取分层填缝、灌浆补强、钻孔灌浆等分类处理措施。

(1)Ⅱ类裂缝分层填缝。沿裂缝方向凿深为30～50mm、底宽为50mm的梯形槽，梯形凹槽槽长超过缝端15cm，并用清水清洗干净，先刷水泥净浆一层，然后用细石混凝土分层填缝，总厚度控制在50～80mm。

(2)Ⅲ类裂缝灌浆补强：采用充填法和灌浆法相结合的方法进行修补，先按Ⅱ类裂缝处理方式沿裂缝方向凿槽后用细石混凝土分层填缝，再灌浆补强。平面方向沿裂缝凿深为30～50mm、底宽为50mm的梯形槽，梯形凹槽槽长超过缝端15cm，竖向方向的裂缝凿深为50～80mm、底宽为150mm的燕尾形槽，并用清水清洗干净，先刷水泥净浆一层，然后用细石混凝土分层填缝，总厚控制在50～80mm。

(3)Ⅳ类裂缝凿槽回填和钻孔灌浆：对坝基垫层混凝土中①号和②号深层贯穿裂缝，采取表面凿槽回填高标号细石混凝土和钻孔灌浆处理，并在裂缝表面布设Φ25并缝钢筋，钢筋单根长1.8m，间距为150mm，分布筋采用Φ25钢筋，间距为250mm。

4.2 裂缝处理实施

4.2.1裂缝封闭及封孔材料、灌浆材料

采用C30干硬性预缩膨胀混凝土嵌槽封闭裂缝，裂缝封闭及封孔、灌浆材料配合比见表3。

表3 裂缝封闭及封孔、灌浆材料配合比 单位：kg/m3

4.2.2施工工艺及方法

(1)混凝土裂缝凿槽施工

以混凝土裂缝为中心，顺裂缝缝隙开内八字梯形槽，外宽15～20cm，内宽20～25cm，深15～20cm，冲洗裂缝及梯形槽。根据干硬性预缩膨胀混凝土配合比计量拌和，停滞90min后方可进行裂缝嵌槽施工，在嵌槽施工前，在梯形槽上均匀涂刷水泥浆，使新老混凝土接合更好。嵌槽时使用木锤锤击混凝土，确保新嵌的混凝土密实。

(2)混凝土裂缝灌浆施工

沿裂缝左右两侧每2m钻灌浆斜孔，必须使每个孔穿过裂缝，使穿缝孔距裂缝表面1.2～1.4m，冲洗注浆孔。安装排气孔及出浆孔：排气孔或出浆孔采用4分管，长20cm，一端设堵头，便于观察和封闭出浆孔。安装时确保管安装在裂缝上，用堵漏王固定。

(3)截缝孔施工

根据干硬性预缩膨胀混凝土配合比计量拌和，停滞90min后方可进行截缝孔嵌填施工。灌浆施工：待干硬性预缩膨胀混凝土确定达到15MPa后进行裂缝灌浆施工，按浆液配合比准确计量，确保浆液的性能及质量，待出浆孔排除气泡和浆液后，封闭出浆孔，确保灌浆压力达到0.4～0.5MPa。

(4)并缝钢筋安装

在采用充填法和灌浆法相结合的方法进行修补和补强的基础上，为了防止裂缝向上层混凝土发展，在浇筑上层混凝土前沿裂缝铺设并缝钢筋网。钢筋的规格和数量严格按设计通知单执行，并缝筋Φ25@150×180，分布筋Φ25@250。

(5)贯穿裂缝的防渗处理

为了截断贯穿性裂缝的渗水通道，利用⑤号裂缝检查孔，距离上游面600mm，跨缝施钻，孔径Φ200，钻孔深度>4m，直接深入基岩。采用C30干硬性预缩膨胀混凝土填充，并预留灌浆管，进行灌浆封闭。同时，对①、②号裂缝检查孔也采取相同的方法，使贯穿性裂缝的上游面形成两道防渗措施，确保大坝基础防渗安全。

4.3 应用效果分析

坝基混凝土垫层裂缝修复后，为了评估裂缝修复补强效果，采用现场声波检测和压水试验，其中，①现场声波检测指标为：声波波速不小于实测同等级的完整性混凝土波速，标准值为3.834m/s；②压水试验指标为：灌浆压力控制在0.5MPa，稳压20min。经声波检测，跨缝混凝土波速达到完整混凝土的99.1%。对灌浆处理后的裂缝进行压水试验，平均透水率(Lu)为0.16，处理效果较好。经裂缝修复补强处理后，未出现裂缝向上部继续延伸的情况，坝基垫层混凝土裂缝问题得到有效处理。

裂缝进行压水和声波检测合格后，为进一步监测后期裂缝处理质量情况，在①、②号裂缝上各布设1只测缝计，在②号裂缝上布置1只渗压计，即①号裂缝上测缝计坐标为X=3138862.847，Y=362174.446，②号裂缝上测缝计坐标为X=3138910.074，Y=362147.521，均布设于840.50m高程；②号裂缝上渗压计坐标为X=3138895.549，Y=362154.255，布设于839.00m高程。

5 结语

坝基垫层混凝土受导流时段的限制和施工工期的影响多选择在冬季浇筑，由于冬季气温低、混凝土内部水化热高，内外温差大、应力集中极易产生温度裂缝。根据保丰水库坝基混凝土裂缝现状，结合裂缝分类指标，采用凿槽和钻孔取芯等方法对裂缝进行检测和评估，并采取干硬性预缩膨胀混凝土嵌槽封闭和钻孔灌浆等措施进行处理。裂缝修复完成后，根据声波检测和透水率压水试验结果，垫层混凝土的结构完整性均满足设计要求，修复补强处理效果好。在类似工程建设中，应加强混凝土开裂机理及防治措施的研究，并做好大体积混凝土浇筑质量事前预防，确保大坝高效优质施工。