溢洪道固結灌漿底板抬動裂縫成因分析及處理

摘要：烏江洪家渡水電站溢洪道固結灌漿施工，底板出現(xiàn)抬動、開裂，本文分析原因認為：固結灌漿時，底板基巖面鋪設的排水盲材系統(tǒng)，形成灌漿管網，使隧洞底板受灌漿壓力作用向上頂托，而底板桔構錨桿的抗撥力、混凝土與底板基巖間的粘結力、底板混凝土自重，三者之和小于頂托力，雖然底板系鋼筋混凝土結構，但鋼筋對于混凝土結構而言，對防止裂縫形成的作用幫助不大，由此導致了裂縫產生。

Abstract： During the consolidation grouting construction of the spillway of Hongjiadu Hydropower Station in Wujiang River， the bottom plate was lifted and cracked. The causes of this analysis are as follows： during the consolidation grouting， the drainage blind material system laid on the bedrock surface of the bottom slab forms the grouting pipe network， which makes the tunnel floor support upward under the grouting pressure， while the total of the anti-displacement force， the bond force between the concrete and the base rock， and the self weight of the bottom concrete are less than the jacking force， although the base plate is a reinforced concrete structure， the reinforcement has little help to prevent the formation of cracks for the concrete structure， resulting in cracks.

關鍵詞：固結灌漿;底板裂縫;抗裂驗算;處理措施

Key words： consolidation grouting;floor crack;crack resistance calculation;treatment measures

中圖分類號：TV543.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）15-0182-06

0 ?引言

在溢洪道固結灌漿施工中，K0+657～0+698編號為第18單元，K0+681結構縫底板抬動3～5mm，范圍為：起點距左邊墻1.4m，終點距右邊墻3.2m，抬動裂縫長9.2m;同樣18單元，K0+657結構縫左邊墻，底板以上3～10m高度，裂縫寬2～3mm裂縫長7m，且墻面往洞內軸線變形收斂1～2mm，2004年12月25日上午，當時左邊墻已灌注3個孔。

溢洪道洞身固結灌漿設計參數(shù)：K0+460～0+813段為6m孔深，全孔段一次灌漿，灌漿壓力1.5MPa。同樣在18單元，在灌漿過程中新出現(xiàn)多處裂縫：左邊墻K0+676有1條豎向裂縫長15m;底板K0+673.5的15#孔向左9.4m，向右3.3m，裂縫長12.7m，基本橫穿底板;K0+681.5～0+693底板沿洞軸線1條裂縫長11.5m;K0+693～0+698底板沿洞軸線1條裂縫長5m。

為避免在后續(xù)灌漿施工中再出現(xiàn)新的裂縫，對溢洪道水工隧洞今后的安全運行產生不利影響，本文對裂縫產生的原因進行了探討，并提出了解決辦法。

1 ?溢洪道的襯砌結構形式

溢洪道的襯砌結構形式見圖1。

2 ?溢洪道與泄洪洞襯砌結構的區(qū)別

區(qū)別1：泄洪洞凈跨7m，溢洪道襯砌凈跨14m，比泄洪洞大1倍;

區(qū)別2：泄洪洞結構沒有縱、橫向的排水盲材，而溢洪道底板有三條縱向大排水盲材（30cm×4cm），環(huán)向每3m間距有1條小排水盲材（7cm×3cm）。

3 ?溢洪道底板排水盲材布置（排水系統(tǒng)）

據圖2計算得，洞室縱向長度為12m的1倉底板混凝土面積：

S=12×14m=168m2

一倉底板混凝土中排水盲材所占面積：

S=S小盲材+S大盲材

=14m長×0.07m寬×4道+12m長×0.30m寬×3道

=3.92+10.8

=14.72m2

4 ?溢洪道底板錨桿布置

溢洪道洞室凈寬14m，沿洞室縱向取1.5m條幅為單元的平面圖（見圖3）。

底板梁長14m，底面寬1.5m，所以沿底板梁長度方向的底面積為1.5m2/m。

5 ?受力結構分析

5.1 底板梁條幅（計算分析單元）受力面積

A=14m×1.5m=21m2

5.2 底板與圍巖之間的約束力分析

①錨桿抗拔力，試驗檢測18t/根為合格，實際可取25t/根，則總錨桿抗拔力為：25t/根×9根=225t

∴225t/21m2=10.714t/m2

∵1.0MPa=102t/m2

∴Pa=10.714/102=0.105MPa ——假設為均布荷載

②粘結力。

根據隧道施工噴射混凝土與圍巖間的粘結力為：

Ⅲ類：0.8MPa ? ? Ⅳ、Ⅴ類：0.3MPa ? ?——質量標準

注：參照公路的技術標準，用至洪家渡電站溢洪道的灰?guī)r地段Ⅱ、Ⅲ類圍巖粘結力為0.8MPa，溢洪道溶洞段、九級灘泥頁巖地段Ⅳ、Ⅴ類圍巖粘結力0.3MPa，即Pb=0.55MPa，最大值Pb=0.8MPa。

③混凝土底板自重（C30混凝土）。

G=2.388t/m3×14m長×1.5m寬×1.0m厚

=2.388t/m3×21m3

=50.15t

∴Pc=50.15t/21m2=2.388t/m2

∵1.0MPa=102t/m2

∴Pc=2.388/102=0.023MPa

所以，混凝土底板與圍巖之間的約束力P向下為：——假設為均布荷載

P向下=Pa+Pb+Pc

=0.105+0.55+0.023=0.678MPa——均值Ⅳ、Ⅴ類，溶洞段、九級灘地段

P向下=Pa+Pb+Pc

=0.105+0.8+0.023=0.928MPa——最大值Ⅱ、Ⅲ類灰?guī)r段

5.3 固結灌漿壓力對溢洪道混凝土底板的頂托破壞

條件1：底板基巖橫向鋪設的塑料排水盲材，外裹一層土工布，地下水滲入盲材，經排水系統(tǒng)引排出洞外，因此一旦灌漿漿液進入盲材，便形成灌漿管網（見圖4）。

條件2：底板混凝土與圍巖畢竟是兩種介質，其接觸面（基巖面）是一個薄弱處，不可能緊密結合，一旦某處盲材位置緊靠灌漿孔或者鉆灌漿孔損壞了排水盲材，則灌漿時水泥漿滲過土工布（無紡布），進入盲材，形成一個灌漿管網系統(tǒng)（見圖4）。

條件3：排水系統(tǒng)形成灌漿路徑、管網后，假定近似取底板混凝土所受的灌漿壓力頂托為均布荷載。——P頂托

條件4：溢洪道K0+277～0+460段，固結灌漿設計參數(shù)：灌漿孔深8m，分為2段，段長4m，最大灌漿壓力：第1段1.0MPa，第2段1.5MPa。

條件5：溢洪道K0+460～0+813段，固結灌漿設計參數(shù)：灌漿孔深6m，分為1段，段長6m，最大灌漿壓力（只有1段）1.5MPa。

①固結灌漿壓力對底板混凝土的破壞分析。

1）當?shù)?段灌漿壓力取值1.0MPa，約束力P向下取均值0.678MPa，Ⅳ、Ⅴ類，溶洞段、九級灘地段。

則P頂托=1.0-0.678=0.322MPa

∴q=（0.322×106N/m2×14.72m2/168m2）×1.5m2/m

=0.04232×106N/m=42.32kN/m

設：簡支梁受荷載集度q=42.32kN/m的均布荷載作用，如圖5-圖7所示。梁的跨長L=14m，橫截面為b×h=1500mm×1000mm。混凝土底板梁許用彎曲應力[σ]=2.00MPa（C30混凝土抗拉強度標準值，產生裂縫臨界值），許用剪應力[τ]=4.5MPa。校核此梁（底板）的強度。

解：分別從正應力和剪應力兩方面校核此梁的強度。

此梁的最大彎矩發(fā)生在跨中的橫截面上，其值為：

Mmax=1/8×ql2=1/8×42.32×142=1036.84kN·m

梁橫截面的抗彎截面系數(shù)為：

WZ=1/6×bh2=1/6×1500×10002=250×106mm3

∴校核正應力強度：

σmax=Mmax/WZ

=1036.84×103N·m/（250×103×10-6m3）

=4.147MPa>[σ]=2.00MPa（C30混凝土抗拉強度標

準值）

∴底板混凝土梁受灌漿抬動破壞、變形、裂縫。

此梁的最大剪應力出現(xiàn)在梁的支座內側橫截面上，其值為

Qmax=1/2×ql=1/2×42.32×14=296.24kN

矩形截面梁的橫截面面積為：

A=bh=1500×1000=1.5×106mm2=1.5×106×10-6m2=1.5m2

∴得出梁橫截面上的最大剪應力，并據此校核剪應力強度：

τmax=3/2×Q/A=（3/2×296.24×103N）/1.5m2

=0.296MPa<[τ]=4.5MPa

（C35混凝土，抗折強度為4.5MPa。）

∴剪應力強度條件能滿足，底板混凝土梁未出現(xiàn)剪切破壞！

同理，通過同樣計算分析得表1。

6 ?溢洪道C30底板混凝土抗裂驗算

①矩形截面，1.5m寬×1.0m厚、1.5m寬×1.2m厚兩種類型，見圖8、圖9。

②受彎構件抗裂驗算公式。

ftk——混凝土軸向抗拉強度標準值;

αct——混凝土拉應力限制系數(shù)，荷載效應的短期組合，αct=0.85;

γm——截面抵抗矩的塑性系數(shù)，水工矩形截面，γm=1.55;

ft——混凝土軸向抗拉強度。

Ⅱ級鋼筋，熱軋帶肋，鋼筋彈性模量：Es=2.0×105N/m2

C30混凝土彈性模量：Ec=3.00×104N/m2

A0—換算截面面積，A0=Ac+αEAs+αEAs'

其中：αE ——鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量之比，即αE=Es/Ec;

As——鋼筋截面面積（受拉）;

As'——鋼筋截面面積（受壓）;

Ac——混凝土截面面積。

受彎構件正截面抗裂彎矩Mcr=γm ftW0

W0=I0/（h-y0）

W0——換算截面A0對受拉邊緣的彈性抵抗矩;

y0——換算截面重心軸對受壓邊緣的距離;

I0 ——換算截面對其重心軸的慣性矩。

∴受彎構件在荷載效應的短期組合下，按下列公式進行抗裂驗算：

Ms≤γmαctftkW0

式中，Ms——由荷載標準值按荷載效應短期組合計算的彎矩值。

③溢洪道底板C30混凝土抗裂驗算（受彎構件）。

1）鋼筋與混凝土彈性模量之比：

αE=Es/Ec=2.0×105/3.00×104=6.667

2）各種設計工況見表2。

④取底板截面矩形b×h=1500mm×1000mm，？準28主筋@20，進行底板C30混凝土抗裂驗算（見圖10）。

鋼筋凈保護層5cm，所以a=50+28/2=64mm，h0=1000-64=936mm。

構件截面總的換算截面面積為：

A0=Ac+αE As+αE As'

=1500×1000+6.667×4618.14+6.667×4618.14

=1561578.279mm2

換算截面重心至受壓邊緣的距離：

y0=（1/2×bh2+αE Ash0+αE As'a'）÷（bh+αE As+αE As'）

=（1/2×1500×10002+6.667×4618.14×936+6.667×4618.14×64）/（1500×1000+6.667×4618.14+6.667×4618.14）

=780789139.4/1561578.279

=500mm

換算截面對其重心軸的慣性矩：

I0=1/3×by03+1/3×b（h-y0）3+αE As（h0-y0）2+αE As'（y0-a'）2

=1/3×1500×5003+1/3×1500（1000-500）3+6.667×4618.4（936-500）2+6.667×4618.4（500-64）2

=13.67057845×1010mm4

∴W0=I0/（h-y0）=13.67057845×1010/（1000-500）

=273411569.0mm3——換算截面A0對受拉邊緣的彈性抵抗矩

受彎構件正截面抗裂彎矩Mcr的計算公式：

C30混凝土抗拉強度標準值：ftk=2.00N/mm2

Mcr=γmftW0=1.55×2.00N/mm2×273411569.0mm3

=847.576kN·m ? ? ? ? ? ? ? ?——極限抗裂彎矩

通常為滿足目標（本文指溢洪道底板C30混凝土）可靠指標的要求，受彎構件引入拉應力限制系數(shù)αct，這樣，受彎構件在荷載效應的短期組合下，應按下列公式進行抗裂驗算：

Ms≤γmαct ftkW0

Mcr=γmαctftkW0

=0.85×847.576kN·m

=720.440kN·m

1）取底板矩形截面b×h=1500mm×1000mm，？準28主筋@16.7，進行底板C30混凝土抗裂驗算（見圖11）。

2）取底板矩形截面b×h=1500mm×1000mm，？準28主筋@12.5，進行底板C30混凝土抗裂驗算（見圖12）。

3）取底板矩形截面b×h=1500mm×1200mm，？準28主筋@12.5，進行底板C30混凝土抗裂驗算（見圖13）。

通過同樣計算分析得表3。

所以，由表中計算結果得出結論：

a.當?shù)装寤炷梁穸确謩e為1.0m、1.2m，灌漿壓力第1段為1.0MPa時，在Ⅱ、Ⅲ類灰?guī)r地段，不會產生裂縫;在九級灘泥頁巖、斷層及溶洞段，Ⅳ、Ⅴ類圍巖地段，底板混凝土會產生抬動、裂縫。

b.當?shù)装寤炷梁穸确謩e為1.0m、1.2m，灌漿壓力第1段為1.5MPa時，溢洪道底板混凝土不論Ⅱ、Ⅲ類或Ⅳ、Ⅴ類地段，都將發(fā)生抬動、裂縫。

7 ?分析結論及處理措施，見表4

7.1 分析結論

①K0+277～0+460段，設計灌漿孔深8m，第1段4m、壓力1.0MPa，第2段4m、壓力1.5MPa;

②K0+460～0+813段，設計灌漿孔深6m，只有1段6m，全孔段一次灌漿，壓力1.5MPa;

③根據溢洪道固結灌漿導致底板混凝土多處出現(xiàn)抬動變形、裂縫，經以上計算分析認為：第1段壓力為1.0MPa或1.5MPa的壓力明顯偏大，是造成底板抬動變形、裂縫的直接原因。

7.2 處理措施

經設計變更，對溢洪道洞室段固結灌漿設計參數(shù)作如下調整。

①K0+277～0+460，孔深8m段，第1段壓力由1.0MPa調整為0.5MPa，段長由4m調整為3m;第2段壓力不變，仍為1.5MPa，段長由4m調整為5m。

②K0+460～0+813，孔深6m段，由原來只有1段、壓力1.5MPa灌漿，調整分為2段，第1段入基巖2m，壓力為0.5MPa，第2段入基巖4m，壓力為1.5MPa。

8 ?結束語

通過調整溢洪道固結灌漿設計參數(shù)，減小了第1段的灌漿壓力，按0.5MPa施工（第2段灌漿壓力仍為1.5 MPa）;第1段的灌漿施工止?jié){塞必須設置在孔內混凝土面以下≥0.5m處，在之后的固結灌漿施工中，有效的防止了新裂縫的產生。

在以后的水工隧洞設計中，建議洞身襯砌結構與圍巖接觸面，不要設置盲材排水系統(tǒng)，避免在灌漿施工中易成為灌漿漿液路徑，對結構產生壓力破壞，且盲材堵塞失效，失去排水功能。

參考文獻：

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作者簡介：羅康勇（1967-），男，貴州天柱人，高級工程師，學士，從事鐵路、高速公路橋梁、隧道專業(yè)及水工建筑物地下洞室施工技術研究工作。