淺析碾壓混凝土拱壩裂縫處理與防裂控制

李 磊

(中國水電建設集團十五工程局有限公司第三工程公司，陜西 咸陽 712000)

1 工程概況

漢陰洞河水庫是國家大中型水庫規劃內項目，是陜西省首個PPP水源項目、“十二五規劃”“雙十雙網”重點水利工程的骨干工程，位于漢江北岸月河一級支流洞河下游，庫容為4361萬m3。攔河壩設計為同層變厚的變曲率中心對稱的拋物線型雙曲薄拱壩，壩頂高程397.50 m，最大壩高65.50 m，壩底寬15.751 m，壩頂寬6.5 m，厚高比0.24。碾壓混凝土設計方量為12萬m3。為確保汛前攔洪高程的順利實現，2016年6月3日至6月15日項目完成了高程347 m～351.2m混凝土澆筑。汛期后，在左壩段高程351.2 m巡查中發現一條混凝土裂縫。該裂縫走向為順水流方向(東西斜向)，平面位置在左3#誘導縫左側約13 m，縫寬1.0 mm以內，深度0.5 m左右，縫長度約5.5 m，裂縫情況描述見圖1。

圖1 351.2 m 3#誘導縫左側13 m處裂縫情況描述

2 裂縫成因

與普通混凝土相比，碾壓混凝土添加了大量的粉煤灰，水泥用量相對減少，因此水泥水化過程中絕熱溫升幅度降低。但在實際工程施工中，高溫季節混凝土施工，原材料溫度高、混凝土出機口及入倉溫度高，加之碾壓混凝土的層間間歇時間較短，施工速度快，澆筑熱量若不能及時散失，則會使混凝土結構產生危害性裂縫[1]。

3 裂縫處理

3.1 總體處理方案

處理的目的是恢復壩體結構完整性及防滲功能，根據裂縫的走向及貫穿情況，取縫面安裝閉縫筋、縫內化學灌漿綜合治理加固方案。縫處理施工示意圖見圖2。

圖2 裂縫處理施工示意圖

3.1.1 施工工序

裂縫普查—鉆孔—預埋灌漿管—清縫—縫面封閉—縫內灌漿—質量檢查—封閉筋安裝

3.1.2 施工技術

(1)裂縫普查

根據上述裂縫位置，清理縫面的雜物，弄清裂縫的走向、寬度、深度便于孔位的確認及材料定性。

(2)鉆孔施工

手風鉆鉆孔50 mm孔徑，灌漿孔選用20 mm孔徑，孔、縫相交在縫深1/2～1/3處，孔深130 cm～180 cm，孔距2.0 m。排氣孔采用騎縫孔，孔深15 cm。

(3)安裝并預埋灌漿管

在鉆孔內安裝內徑不小于20 mm灌漿管。灌漿完成后另行掃孔預埋鍍鋅鋼管，將管口引至壩面下游側。保證后期二次補灌。

(4)清縫

采用風水聯動措施清理裂縫，利用灌漿孔壓水清理縫內的雜物，待縫內出清水后，采用有壓風將縫內水吹干凈。

(5)縫面封閉

待縫內無積水后，縫面封閉。沿縫切割正“T”型槽，槽體底寬3 cm、頂寬5 cm、深度3 cm，由兩側向頂面順序采用環氧砂漿修補封閉。上下游縫面打磨并修補平整，粘貼高強一級碳纖維布封閉縫面。

(6)縫內灌漿

灌漿前縫內植入直徑14 mm螺紋鋼筋，增強其裂縫處理后的整體性。灌漿塞選用自膨脹、逆止原理的灌漿塞，灌漿泵選用無極調速電動隔膜泵，灌漿壓力不超過0.6 MPa，灌漿液采用改性環氧樹脂灌漿液性能指標如下：灌漿液選用環氧樹脂灌漿液。該材料粘度較小，可灌性好，可以灌入0.05 mm寬度的裂縫；固結體強度可達80 MPa以上，粘結力強，耐油蝕等優點，適用于寬度較小的裂縫和施工縫的灌漿施工。材料及相應指標見表1。

表1 灌漿用材料及相應技術指標

(7)質量檢查

質量檢查采用壓水的方式，壓水最大壓力不超過0.4 MPa。

(8)縫面封閉筋安裝

灌漿施工結束檢測合格后，上層碾壓砼施工前沿縫面安裝Ф20騎縫鋼筋，封閉鋼筋網寬度為縫兩側各150 cm，鋼筋間距20 cm×20 cm，鋼筋單根長L=3.00 m。

3.2 壩面水平縫處理方案

3.2.1 總體處理方案

壩面水平縫處理的目的是恢復壩體結構完整性及防滲功能，采用縫內化學灌漿、縫面粘貼30 cm～50 cm碳纖維布綜合治理的措施。

3.2.2 施工工序

工作平臺搭設—裂縫普查—鉆孔施工—縫內清理—縫面封閉—縫內灌漿—壓水檢查

3.2.3 施工技術

(1)工作平臺搭設

利用主體砼澆筑工作平臺，加強安全防護及安全監管。

(2)裂縫普查

裂縫普查的目的是確定孔位及孔深，確定灌漿液選用及縫面的封閉的寬度。

(3)鉆孔施工

由于裂縫的深度不確定，采用深淺相結合灌漿措施，孔徑20 mm、孔深30 cm～80 cm，沿縫的兩側交叉、斜孔布置，孔距30 cm～50 cm。

(4)縫內清理

采用水和丙酮相結合的辦法清理縫內積水和雜物，先期壓水清洗縫內雜物，24小時后壓入適量丙酮將縫內的積水排擠干凈，保證灌漿質量。

(5)縫內灌漿

孔內安裝自膨脹、逆止結構的灌漿塞，灌漿塞選用電動隔膜泵，灌漿壓力不超過0.3 MPa，灌漿液采用改性環氧樹脂灌漿液。由裂縫一端向另一端施灌，相鄰孔排漿，穩壓10 min，換至下一孔施灌，直至灌完為止。

(6)縫面封閉

灌漿結束后，打磨縫面并修補平整，粘貼高強一級碳纖維布，順向粘貼碳布，碳纖維性能指標見表2。

表2 碳纖維布技術指標

(7)質量檢查

采用相同的工藝壓水，確保縫面無滲水現象。

4 防裂措施

4.1 降低混凝土入倉溫度

降低混凝土出機口及入倉溫度。若混凝土出機口和現場澆筑溫度過大，將直接導致后期混凝土溫度過高。實際澆筑情況下混凝土澆筑溫度加之混凝土內部水化熱使壩體確實產生了較大的溫度。因此，在實際施工中，應盡可能采取適當的措施降低出機口及入倉溫度。

假設混凝土攪拌機內部環境及蓄水池內部環境為絕熱環境(即攪拌機內組成混凝土的各種原材料不與攪拌機筒壁及筒內空氣發生熱交換、蓄水池內拌合水不與池壁及空氣發生熱交換)，而且忽略水泥水化熱，則混凝土的出機溫度T0按以下公式計算。

4.1.1 拌合物的溫度

T0=[0.92(mce×Tce+msa×Tsa+mg×Tg)+4.2Tw(mw-ωsa

×msa-ωg×mg)+C1(ωsa×msa×Tsa+ωg×mg×Tg)-C2

(ωsa×msa+ωg×mg)]÷[4.2mw+0.9(mce+msa+mg)]

式中：T0為混凝土拌合物的溫度，℃；mw、mce、msa、mg為別為水、水泥、砂、石用量，kg；Tw、Tce、Tsa、Tg分別為水、水泥、砂、石的溫度，℃；ωsa、ωg分別為砂、石的含水率(%)；C1、C2分別為水的比熱容(kJ/(kg·K))及溶解熱(kJ/kg)；C1=4.2，C2=0。

4.1.2 砼入倉溫度計算

TB.P=T0+(Ta-T0)(θ1+θ2+…+θn)

式中：T0為砼出機口溫度；Ta為砼運輸時的氣溫；θi(i=1，2，3，…n)為溫度回升系數，混凝土裝、卸、轉運每次θ=0.032，混凝土運輸時，θ=At；A為混凝土運輸過程中溫度回升系數，見表3；t為運輸時間，min，t=30。

表3 混凝土運輸過程中溫度回升系數A

由此可見，降低混凝土入倉口的溫度，不僅僅要考慮混凝土中膠凝材料的用量、原材料自身的溫度，還要考慮運輸過程中溫度損失。所以條件允許的話還應該對骨料進行預冷處理，考慮到混凝土在高溫季節澆筑，也可以對混凝土加冷水拌和，盡量選擇在早晨或晚上施工。

4.2 加強混凝土冷卻通水

混凝土澆筑后及時采取通水冷卻措施，可以有效降低混凝土的溫度，從而減小拉應力，避免結構產生貫穿性裂縫，因此建議后期施工中要對混凝土進行通水冷卻。

冷卻設施選擇及布置：大壩砼冷卻水采用固定式高位蓄水池洞河水(并對蓄水池搭設遮陽棚)，當冷卻水管上層砼覆蓋完成后開始通水，高位蓄水池上水管路必須考慮大壩全面冷卻通水容量。下水主管路在每個誘導縫分區內預留出水口接水包分支到每區層冷卻水管中。管路中水的流速可控制在0.6 m/s左右(對應通水流量為1.2 m3/h)。倉面內冷卻水管采用HDPE管或鍍鋅管，間排距宜為1.5 m×1.2 m，通水流量為1.2 m3/h，冷卻水管長度不大于250 m。當冷卻水管開始通水后上層砼開始覆蓋，管中水的流速控制在0.6 m/s左右(對應通水流量為1.2 m3/h)。管中水流方向應每24小時調換一次，控制砼每天降溫不超過1℃。在兩期通水冷卻中，通過混凝土重的埋設對應對每倉澆筑塊混凝土的溫度進行全過程的跟蹤，建立溫度～時間過程線，每周進行反饋復核，避免溫度降低過快，造成內部溫度拉應力。

碾壓混凝土澆筑溫度測量：

①在每倉新澆混凝土中埋設電阻式溫度計，并對成果進行對比分析。

②對混凝土澆筑溫度、混凝土內部溫度、每條冷卻水管的冷卻水流量、入口溫度、出口溫度進行記錄，每周進行一次溫度測量報告進行分析。

③在混凝土施工過程中，每2 h測量一次混凝土原材料溫度、出機口溫度以及澆筑溫度及氣溫。在混凝土冷卻過程中，應至少每4 h測量一次壩體冷卻水的溫度，有溫控小組現場溫控人員專門記錄整理。

④澆筑溫度測量，每1 h～2 h對新澆混凝土進行一次溫度測量記錄。

⑤每倉新澆混凝土澆筑后3天內應加密觀測溫度變化：外部混凝土每天應觀測最高、最低溫度；內部混凝土8小時觀測一次。3天后12 h觀測一次；并觀測7天、14天、28天、56天、90天、180天主要齡期測試及溫度情況。通冷卻水結束前，采用悶水測溫，悶水時間為3天。

4.3 倉面噴霧降溫

對倉面進行保溫及噴霧處理。考慮工程壩址所處位置受陽光直射情況，新澆筑混凝土可能會出現熱量倒灌現象，因此對混凝土倉面應采取保溫措施。夏季澆筑混凝土時，為減少陽光直射強度，可以對倉面進行噴霧降溫。

4.4 加快混凝土散熱

下層混凝土產生溫度會受到上層新澆混凝土溫度的影響，而澆筑層之間間歇時間越短，混凝土內部溫度下降越慢。因此，在以后的施工中可以適當延長澆筑層之間的間歇時間，加強散熱。在高溫季節應采取厚塊澆筑，防止因氣溫過高而出現熱量倒灌現象。

5 結語

造成壩體碾壓混凝土產生溫度裂縫的主要原因是溫度應力，壩體混凝土溫升過大，產生的拉應力超過了混凝土的抗拉強度，致使壩體出現貫穿性裂縫或表面裂縫。通過降低出機口溫度、在壩體埋設冷卻水管并及時通水降溫、減少運輸過程中的溫度損失、倉面噴霧形成隔熱小氣候等方式可以進一步降低混凝土溫度和溫度應力，有效控制貫穿性溫度裂縫的產生，減小裂縫的范圍和深度。