某電站廠房底板混凝土裂縫成因及處理分析

張 坤

(新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

某一級電站工程為動能回收電站，主要承擔調入區動能回收及水量調節任務，由攔河壩、泄洪洞、排沙洞、進水塔、發電引水洞、電站廠房、過魚建筑物、生態放水建筑物組成。水庫總庫容740萬m3，裝機容量320 MW，工程規模屬大(2)型，工程等別為Ⅱ等[1]。

電站廠區建筑物主要包括主廠房、副廠房、主變壓器場、GIS開關站、出線平臺、尾水渠及廠區附屬建筑物等。主廠房水輪機組基礎混凝土底板長26.00 m，寬71.75 m，由四臺機組構成，1#～4#機組段混凝土底板寬度分別為18.20 m、16.00 m、16.00 m和21.55 m。

廠房地基由兩種地層組成，以f1斷層為界，東側為泥盆系汗吉尕組第二段(D2h2)凝灰質泥質粉砂巖，西側為第三系上新統(N2)泥質砂巖、砂質泥巖。第三系砂質泥巖為弱～中等膠結，巖石強度低，具有遇水軟化、失水崩解的特性。廠房地基范圍內發育的f1、f1-1斷層為非活動性斷層。對廠房跨越的f1斷層及其分支斷層f1-1做回填混凝土塞處理，施工過程中對地基承載力<450 kPa的部位進行了刻挖回填混凝土處理。

2 裂縫發生時間及分布

2020年5月27日，在廠房3#、4#機組段底板混凝土發現1條深層裂縫(未貫通)。已澆筑底板倉面尺寸為4#機組段26.00 m×21.55 m，3#機組段26.00 m×16.00 m,厚度為1.0～2.0 m(進口段為2.0 m，出口段為1.0 m)，裂縫位于1.0 m厚底板中部位置，裂縫兩側沒有明顯的錯臺。裂縫自4#機組下游側墻邊緣沿縱向延伸至2#機組邊緣，裂縫寬度0.6～3.6 mm不等，最大裂縫寬度發生在4#機組段右邊墻位置，裂縫總長度約38.20 m。裂縫有關信息統計見表1。

表1 裂縫寬、長度測量成果統計

3 裂縫調查

3.1 混凝土施工及冬季蓄水保溫情況調查

廠房3#、4#主機間基礎在驗收后采用C30F150素混凝土墊層(厚100 mm)及時進行封閉，分別于2019年10月11日和10月8日澆筑完成；3#、4#主機間底板結構鋼筋混凝土(C30W6F200，底板厚1.0～2.0 m，縱橫向鋼筋Φ28@200)分別于2019年10月23日和10月18日澆筑完成，澆筑底板頂面EL856.3；4#主機間右邊墻混凝土EL856.3～EL858.3倉塊于2019年10月30日澆筑完成。查閱氣象資料得知2019年10月16—31日的平均氣溫為7.03 ℃，最低氣溫為-1.4 ℃，適宜澆筑混凝土。開挖基礎面按設計圖要求做到及時驗收、封閉，澆筑后混凝土按28 d進行養護。通過檢查混凝土配合比、混凝土試塊抗壓強度和現場采用回彈儀回彈強度均滿足設計要求等相關資料，現場混凝土外觀質量均符合要求。

2019年11月26日開始進行廠房混凝土冬季蓄水保溫，儲水水位至EL874.0。2020年3月22日開始基坑降排水，至4月5日抽水15 d出露主機間底板EL856.3。底板清淤完成后安排人員對底板是否有沉降和裂縫進行巡查，未發現異常情況。

通過數值模擬分析表明，在已澆筑1.0～2.0 m 厚底板的情況下，荷載不大，總體沉降較小，底板中間沉降最大為4.2 mm，底板下游側沉降最大為3.0 mm，底板最大位移差僅為1.2 mm，最大拉應力2.95 MPa發生于1.0 m厚底板底部、中部靠上游位置，底板頂面均為受壓區，底板配筋滿足結構要求[2]。

3.2 固結灌漿施工調查

2020年5月11日進行固結灌漿試驗準備工作，試驗區布置在4#主機段，固結灌漿鉆孔單孔長為5.0 m，共9個試驗孔，分兩序進行。此時，距離混凝土澆筑完成195 d，根據4#主機間底板混凝土強度報告，4組混凝土抗壓強度平均為39.50 MPa，1組劈拉強度為3.75 MPa。經歷冬歇期蓄水保溫后以及在固結灌漿前對混凝土面進行了詳細的檢查，均未發現裂縫。5月12日第一個Ⅰ序孔開鉆，5月13日開始進行固結灌漿試驗，共分3段進行灌漿，于5月15日該孔灌漿結束，5月17日完成全部9個試驗孔的灌漿，歷時6 d。Ⅰ序孔灌漿壓力為0.3～0.6 MPa，壓水試驗透水率最大為362 Lu，持漿量最大為1658 kg/m；Ⅱ序孔灌漿壓力為0.6～0.8 MPa，壓水試驗透水率最大為41.3Lu，持漿量最大為219.5 kg/m。灌漿水灰比為3.0∶1.0、2.0∶1.0、1.0∶1.0、0.5∶1.0共四個比級，按照由稀到濃逐級變換的原則。在灌漿施工過程中進行抬動監測，使用千分表量測，抬動變形值不超過200 μm。

3.3 安全監測儀器數據調查

安裝的測縫計J2及測縫計J8的監測數據表明，在固結灌漿試驗期間，監測數據發生了明顯的變化，詳細情況如下：

(1)橫向安裝在3#與4#機組基礎之間的測縫計J2于2019年10月23日取得基準值，2020年5月16日前測值未見明顯異常，2020年5月21日測值較2020年5月16日測值對比突變4.9 mm，測縫計累計張開6.0 mm，至2020年5月27日測縫計累計張開8.2 mm。由于測縫計J2安裝在3#與4#機組基礎之間，橫向安裝用于監測相鄰基礎部位的縫隙開合情況，測縫計張開表明3#與4#機組基礎之間可能有裂縫產生。測縫計J2開合度過程線見圖1。

圖1 測縫計J2縫監測數據

(2)豎向安裝于3#機組段底板下部的測縫計J8于2019年10月24日取得基準值，2020年5月16日前測值未見明顯異常，2020年5月21日測值與2020年5月16日測值對比突變11.2 mm，測縫計累計張開13.5 mm，至2020年5月27日測縫計累計張開13.7 mm。測縫計J8開合度過程線見圖2。

圖2 測縫計J8縫監測數據

3.4 地基承載力調查

在廠房4#機組擋墻裂縫附近布置探坑，通過探坑開挖了解到如下情況：

(1)廠房邊墻的裂縫未發育至底板下方，距離底板約0.5 m，建基面附近無脫空，無水溢出。

(2)底板以下建基面為f1-1斷層帶附近，發育斷層碎裂巖，巖塊粒度0.5～2.0 m，夾有泥質；靠近山里的一側為含礫砂質泥巖，礫石塊徑最大可達8 cm，地基含水率較建基面開挖時有明顯提高，地基承載力試驗貫入10 cm錘擊數7～10擊，相當于承載力280～400 kPa。

通過復核，經處理后的地基承載力有一定安全裕度(修正后最小值為570 kPa，大于基底最大應力470 kPa，后期蓄水后考慮浮托力影響裕度更大)，即便考慮砂質泥巖的弱化影響，也可滿足承載力要求。

3.5 地質情況調查

對底板裂縫附近采用潛孔鉆機布置鉆孔，在3#、4#機組裂縫及裂縫兩側各布置3個鉆孔；在1#機組布置1個鉆孔，通過鉆孔了解到如下情況：

(1)鉆孔取樣除位于4#機組段的鉆孔2取出的巖樣為砂質泥巖外，其他大部分樣品以泥質砂巖為主，局部夾礫，呈潮濕狀，巖石致密。孔內錄像表明基礎與建基面巖體結合緊密，無脫空，無明顯縫隙。

(2)對鉆孔取樣進行了含水率及簡單顆分試驗，鉆孔取樣的樣品含水率值為7.6%～9.0%，與前期相同地層鉆孔取樣的天然含水率相近。

(3)鉆孔的水位與鉆孔造孔時間具有一定的滯后性，鉆孔1、鉆孔2在造孔后2～3 h內均未見水，其他鉆孔的地下水滲出時間存在差異，一般情況下鉆孔水位1 h上升5～6 cm，最終鉆孔水位為855.129～856.185 m，水位也具有隨周邊基坑水位變化而變化的特點。根據鉆孔內均存在地下水和測壓計的監測成果，可以判斷建基面附近均存在地下水，由鉆孔取芯巖芯含水率情況及鉆孔錄像成果分析，地下水主要由基礎周邊的積水沿混凝土與墊層接觸面或墊層與建基巖體接觸面入滲形成。

建基面砂質泥巖透水率低(8%～10%)，根據現場鉆孔取樣分析，其軟化程度不高，僅淺表層有輕微弱化(不超過10 cm)，其對地基的承載力、沉降等的影響很小。

4 裂縫成因分析

(1)永久變形縫的間距設計偏大。根據水電站廠房設計規范，廠房機組段永久變形縫的間距建議為20～30 m。本廠房采用一機一縫布置，4#主機間底板結構長度26.00 m，寬度21.55 m，3#主機間底板結構長度26.00 m，寬度16.00 m，且建基面因軟巖或斷層破碎帶影響均有斷層回填混凝土塞處理、刻槽換填混凝土處理，基礎較復雜。

(2)結構的不均勻性。此工程坐落在凝灰質粉砂巖和泥巖上，已經完成澆筑的3#、4#主機間進口段底板混凝土結構厚度為2.0 m，出口段為1.0 m，在裂縫下方(1.0 m澆筑區)對分支斷層f1-1進行了刻槽換填混凝土處理[3]。

(3)固結灌漿試驗抬動。固結灌漿試驗于2020年5月12日開始，5月17日完成，安裝的測縫計J2及測縫計J8將2020年5月21日測值與5月16日測值對比發現發生突變，2020年5月27日發現裂縫，說明灌漿試驗對裂縫的產生有促進作用。

5 處理措施

5.1 基礎處理

(1)封閉灌漿。在4#機組段邊墻及3#、4#機組段靠近尾水一側，新增1排固結灌漿孔(孔距2.0 m，單排分序布置)，阻斷建基面滲漏通道，施工時根據現場灌漿實際情況優先采用低壓力、濃漿灌注，防止周邊存在滲漏通道發生耗灰量大等問題。

(2)固結灌漿。針對凝灰質粉砂巖地層、f1斷層、f1斷層與f1-1分支斷層之間的擠壓破碎帶區域新增固結灌漿孔(分段灌漿，孔徑50 mm，孔深為入巖5.0 m，間排距2.5 m，梅花形布置)，灌漿壓力Ⅰ序孔按0.05～0.30 MPa控制，Ⅱ序孔按0.2～0.4 MPa控制；對砂質泥巖地層區域新增泥巖弱化處理灌漿孔(孔口封閉灌漿，孔徑50 mm，孔深為入巖2.0 m，間排距2.5 m，梅花形布置)，灌漿壓力Ⅰ序、Ⅱ序孔均按0.05～0.30 MPa控制。

(3)灌漿順序。先進行周邊封閉灌漿，再對凝灰質粉砂巖地層、f1斷層、f1斷層與f1-1分支斷層之間的擠壓破碎帶部分灌漿孔由1#機組段逐漸向4#機組段位置進行固結灌漿，最后再對泥巖地層進行灌漿處理(由3#機組段向4#機組段方向)。

(4)灌漿控制標準。聲波檢測，要求檢查孔數量為固結灌漿孔孔數的5%，要求85%以上測段波速達到2800 m/s，<2300 m/s測段數不超過5%且不集中分布。

(5)注意事項。基礎處理固結灌漿時應分段、分級、分序進行，過程中嚴格控制灌漿壓力值及底板抬動監測值，每個灌漿區域至少布置2個抬動監測孔(孔深為固結灌漿孔入巖深度基礎上增加至少2.0 m)，混凝土結構表面抬動的允許值嚴格按照≤100 μm控制[4]。

5.2 裂縫處理

(1)化學灌漿。采用黏結力較強和自身粒徑較小的化學材料(如高滲透親水性環氧樹脂)進行灌漿處理，距離裂縫較近的Ⅰ序孔的灌漿壓力需控制在 0.3 MPa 內，Ⅱ序孔的灌漿壓力按≤0.5 MPa 進行控制，灌漿壓力從0.05 MPa開始，按每級0.05 MPa升壓。

(2)化學灌漿檢測。壓水試驗(要求<0.003 L/min)和聲波檢測(要求100%以上測段波速提升率>10%)，且在每個機組段對重要部位的深層裂縫進行鉆孔取芯檢查，觀察其封面漿液結石和充填情況，對芯樣做抗拉試驗檢測，測定其力學指標是否達到相應部位的混凝土設計要求。

(3)增設限裂鋼筋網。在上層混凝土澆筑前，延裂縫方向敷設DN100半圓鋼管，沿縫面上部布設2層限裂鋼筋網，垂直于縫方向布設HRB400級Φ28@200鋼筋，平行于縫方向布設HRB400級Φ25@200鋼筋，鋼筋網沿縫通長鋪設，縫兩側均≥2.0 m。

5.3 增設安全監測儀器

沿3#和4#機組底板頂部臨時施工面的裂縫布置3支測縫計和3支鋼筋計，在2#、3#機組底板結構縫之間布置2支測縫計，在3#和4#機組底板結構縫之間布置1支測縫計，并在3#、4#機組底板分別布置1套三點式位移計。

6 結 論

(1)根據現場地質情況調整結構分縫長度。若遇有基礎地質條件復雜，且存在同一倉混凝土澆筑厚度不一等情況，建議調整結構分縫長度或增設施工縫；在高程有突變的地基上澆筑的結構，建議在突變處分縫。

(2)重視灌漿試驗壓力控制。灌漿試驗時嚴格按照規范規定的灌漿壓力(有蓋重灌漿，蓋重<3 m時，Ⅰ序孔按0.25 MPa，Ⅱ序孔按0.4 MPa)進行施工，開灌時采用較小值，并逐級提升灌漿壓力，且需根據注入率大小對壓力進行調節，過程中做好數據收集，為確定最終灌漿壓力提供數據支撐。

(3)重視抬動監測及安全數據監測收集。進行灌漿試驗前，應在敏感部位安設抬動監測裝置，在灌漿過程中連續并加密抬動監測及安全監測頻次，抬動變形值應在設計允許范圍內，測值發生突變立即停止灌漿并上報參建各方分析原因。