堆石混凝土大壩淺層裂縫成因分析

楊 松，王 峰，閉忠明，向 智，劉利強

（1.南充市水利基本建設工程質量監督站,四川 南充 637000；2.中國水利水電第十二工程局有限公司,浙江杭州 311321；3.北京華石納固科技有限公司,北京 100085）

1 工程概況

某水庫位于貴州省鳳岡縣,大壩為堆石混凝土重力壩,設計方量約19 萬m3,設計壩高53 m,為中型水庫。在2021年9月3日,已澆筑堆石混凝土壩體陸續出現裂縫,位置信息見圖1。

裂縫①～④出現在壩段中游區域且均為貫穿,其中裂縫①延伸到縫0+135,從頂層往下1.9 m；裂縫④延伸到縫0+105,從頂層往下1.3 m。裂縫⑤為橫向裂縫,延伸到廊道側墻部位后中斷；第⑥條裂縫貫穿至上游防滲面板,鑿開發現深度在18 cm～20 cm范圍。裂縫⑥、⑦所在倉面前期被堆石料、泥土渣覆蓋,待倉面清理后才發現裂縫,所以尚不清楚裂縫⑥、⑦具體出現時間。

裂縫的平面分布及統計信息見圖1、表1。

圖1 裂縫平面分布示意圖

表1 裂縫信息統計表

2 裂縫成因分析

2.1 混凝土原材料分析

混凝土原材料信息見表2。

表2 原材料信息統計表

由表2可知,除了石粉性能有波動外,其余原材料性能基本滿足設計要求。

2.2 混凝土配合比及生產澆筑過程分析

本工程項目主要采用雙摻2 配合比（水泥單方用量170 kg）進行混凝土生產,見表3。

表3 本工程項目高自密實性能混凝土配合比 單位：kg/m3

車拗口水庫距離本工程項目所在地60 km,同樣采用相同廠家的石粉、水泥、粉煤灰,配合比情況見表4。車拗口水庫自2020年12月開始首倉堆石混凝土澆筑,累計已完成澆筑堆石混凝土2 萬m3,目前壩體沒有出現溫度裂縫跡象。

表4 車拗口水庫HSCC 雙摻配合比 單位：kg/m3

以該水庫澆筑倉（樁號：0+135～0+161）為例,其上下游方向長32 m,層高2 m,倉澆筑量為1660 方,在2021年7月23日早上7 點開始澆筑,每小時生產自密實混凝土50 m3～60 m3,累計生產780 m3,于當日晚上22 點完成澆筑。

澆筑當日氣溫20℃～32℃,天氣晴,澆筑完成后倉面及時安排沖毛。澆筑當日的混凝土生產配合比見表5,混凝土澆筑狀態良好,其中性能檢測照片見圖2、圖3。

圖2 混凝土擴展度檢測（700mm）

圖3 混凝土V 漏斗檢測（11s）

表5 澆筑倉樁號0+135～0+161m 生產配合比 單位：kg/m3

澆筑時未出現用水量、外加劑用量激增現象,其中外加劑用量一度降至4.5 kg,經驗判斷砂石骨料含泥量控制比較理想,因此砂、石粉的含泥對壩體裂縫的影響范圍有限,基本可以排除。

2.3 HSCC 抗壓強度檢測數據分析（見表6）

表6 本工程HSCC 立方體試塊90 天抗壓強度評定統計（試驗日期截至2021.7.13）

由表6可知,采用統計法（樣本數量≥30）,離差系數＜0.18；最小強度≥90%設計強度；強度保證率＞80%,強度可評定為優良；檢測平均值16.8 MPa,強度分布總體合理。

2.4 施工組織工序分析

通過對各倉澆筑間隔時長進行劃分,見圖4。

圖4 裂縫倉上下層澆筑間隔時長統計示意圖

由圖4可知,出現裂縫的壩段,上下兩層混凝土澆筑均出現了45～90 天不等的時間間隔,形成了薄層長間歇澆筑的不利工況。

2.5 關鍵施工質量控制點分析

關鍵施工質量控制點分析見表7。

表7 施工質量控制因素分析表

關于堆石料與裂縫延伸走向的關系,統計數據見表8。

表8 裂縫遇石延伸走向信息統計

由表8可知,裂縫遇石繞開（中斷）比例約占88%,石頭裂開約占12%；大多數裂縫為淺層裂縫且繞開堆石延伸,這表明了堆石混凝土相較于常態混凝土所具備的卓越抗裂能力。

2.6 極端天氣分析

在2021年5月13日及同年8月13日,本工程項目經歷兩次洪水沖擊。

澆筑倉0+135.0～ 0+161.0、EL825～827m 在2021.4.22 澆筑完成,然后5月13日經歷第一次洪水冷激,后續發現表層裂縫（圖1的藍線）；導流明渠一側壩段出現裂縫②、③。

同樣8月13日經歷第二次洪水冷擊后,過流壩的左右兩側壩段均出現了貫通裂縫①、④,及橫向裂縫⑤。

裂縫⑥、⑦所在倉面前期被堆石料、泥土渣覆蓋,待倉面清理后才發現裂縫,所以尚不清楚裂縫⑥、⑦具體出現時間,見圖5。

圖5 洪水過壩及裂縫分布示意圖

3 裂縫原因分析及處理建議

本次裂縫發生的原因較大可能性為溫度裂縫：

（1）因為大壩上下兩層堆石混凝土的澆筑間隔時間較長（45 天～90 天）,上一倉已澆筑混凝土水化放熱接近結束,形成大壩強約束區,下一倉后澆筑混凝土正常開始水化放熱時正碰上洪水沖擊約10 小時,洪水冷激效應導致新老混凝土存在明顯溫度差,形成溫度應力,作為變形協調從而導致壩體出現溫度裂縫。因此判斷裂縫形成的主要原因為混凝土薄層長間歇和洪水冷激。

（2）堆石率不足55%、堆石外露不足、養護不到位是導致混凝土出現裂縫的次要原因。

（3）通過對混凝土原材料、生產配合比、抗壓強度檢測等分析,尤其是車拗口水庫配合比進行對比,此三項應該不是導致溫度裂縫的主要原因。

（4）通過對裂縫鑿槽觀察,大多數裂縫為淺層裂縫,深度20 cm～30 cm 之間,且繞開堆石延伸,這表明了堆石混凝土相較于常態混凝土所具備的卓越抗裂能力。

溫度裂縫一般的處理方式為：

1）表層裂縫采取表面鑿梯形槽處理,槽底寬10 cm,槽壁坡度不陡于1∶0.5,深度根據裂縫實際深度確定（至裂縫尖滅）.

2）貫穿裂縫需要封閉灌漿和布置騎縫鋼筋處理：需布置騎縫鋼筋一層,鋼筋長 1 m,垂直于裂縫布置；用高強混凝土封閉裂縫后應留置排氣孔,之后進行灌漿處理。

3）類似于裂縫⑥這樣的貫穿上下游的橫向劈頭縫,處理方式為：上游面鑿開形成燕尾槽,采用環氧砂漿封閉再進行灌漿處理；另外需要在上游面貼高分子 SR 板,此類裂縫需進行化學灌漿。

4 結論

薄層長間歇裂縫在溪洛渡水電站和白鶴灘水電站都曾出現,都是采用封閉灌漿和布置騎縫筋處理,處理之后未再發現問題。薄層長間歇混凝土開裂對于混凝土壩基本都存在,之前福建溪源水庫澆筑常態混凝土墊層就出現裂縫 20 多條,后經處理澆筑堆石混凝土僅出現3 條裂縫,已經說明堆石混凝土相對于常態混凝土的抗裂能力更強。

本工程項目出現的裂縫為偶然因素出現,后期減少薄層長間歇等問題可避免該類裂縫產生,處理方案按照一般裂縫的處理方式即可,處理完成后可正常施工。