壩段連接處壩基蓋重混凝土的裂縫檢測及其處理

黃文吉

（甘肅大禹節(jié)水集團水利水電工程有限責任公司，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

水利工程的建設關系到地方的經濟發(fā)展，影響周邊地區(qū)經濟的增長，水庫作為水利工程的重要組成部分，在資源的可持續(xù)應用中起到至關重要的作用[1]。混凝土裂縫一直是工程領域影響混凝土質量且難以解決的一個問題，裂縫影響結構的整體穩(wěn)定性、剛度以及耐久性，處理混凝土裂縫首要任務是分析判斷和驗證發(fā)生混凝土裂縫的原因，結合工程實際對混凝土裂縫成因分析，提出合理的解決措施。

對于水利工程壩體裂縫的研究眾多學者已結合實際情況展開了研究，成果較多。葉祥君[2]通過分析壩體混凝土裂縫的類型和形成原因，研究了防止壩體混凝土出現裂縫的處理措施，并提出了在施工階段能夠有效控制裂縫的形成。劉新秀[3]從物理因素和外部因素分析了水庫混凝土裂縫產生的原因，并根據不同狀態(tài)的裂縫提出了相應的處理方法。陳文輝[4]通過檢測壩體縱橫向的表面、內部裂縫，分析了壩體裂縫的發(fā)育及形成原因，提出在大壩防滲軸線設混凝土防滲墻的方法解決了壩體的危害問題，并比較了不同的處理措施對大壩穩(wěn)定性的影響。陳厚霖[5]通過物探、探井等有效手段，確定了裂縫發(fā)育情況，分別對縱向縫和水平縫的形成原因進行分析，結合實際情況對裂縫做了處理，對加固水庫的穩(wěn)定性起著重大的作用。陳孝銀[6]通過壩體測壓管鉆孔試驗數據等方法，確定了壩體裂縫為溫度裂縫，分析得到溫度應力是導致裂縫產生的主要原因，對大壩的防滲做了加固處理，保證了大壩的安全運行。劉健全等[7]針對壩頂常態(tài)混凝土入倉施工困難等原因，提出了泵送混凝土的溫度控制和抗裂縫形成為目的，解決了防止和控制混凝土裂縫的形成。鄭偉雄[8]通過分析水庫大壩自密實混凝土裂縫的形成，以裂縫的分類作為切入點，確定為失水造成的干縮裂縫，針對裂縫的形成原因做了合理的處理，有效預防措施來預防裂縫的出現和發(fā)展。熊鷺和沈鑫[9]針對大壩在施工時未設置橫縫，導致壩體產生裂縫的情況，提出了將裂縫作為永久裂縫的處理措施，大壩的滲水問題得到有效的控制，說明該處理措施是行之有效的。Gao等[10]利用三維有限元分析方法研究了混凝土面板因溫度應力、收縮應力、壩體變形等原因引起的大量裂縫和擠壓破碎問題，研究結果驗證了塊體等效連續(xù)體方法的準確性和可靠性，此外，該方法簡化了有限元模型，顯著提高了滲流計算效率。Majid等[11]考慮壩-地基-水庫之間的相互作用，利用彌散裂紋模型和擴展有限元法研究混凝土重力壩裂縫的發(fā)生和擴展。

綜合以上所述，為了有效地控制和預防壩體混凝土裂縫的形成，需要在施工、養(yǎng)護等不同時期進行多方位的預防。研究采用不跨縫檢測與跨縫檢測的方法檢測水庫連接壩段壩基蓋重混凝土裂縫的發(fā)育情況，結合施工流程、工程特性及工程地質等因素，對裂縫形成的原因進行分析，并提出對裂縫的處理措施。結果表明，裂縫形成的主要原因是壩址基巖單軸抗壓強度低，遇水易軟化膨脹崩解，產生一定的膨脹壓力，針對其主要原因對裂縫進行了有效的修補，工程效果良好，提高了水庫的穩(wěn)定性和安全性。

2 裂縫檢測原理與方法

2.1 檢測原理

超聲脈沖檢測混凝土裂縫深度方法。利用脈沖波在混凝土中的傳播速度、波幅和接收信號主頻率等聲學參數，根據這些參數確定混凝土裂縫的情況。

檢測人員通常使用不跨裂縫的聲時測線與跨裂縫的聲時測線檢測方法，通過比較2種檢測方法的結果確定混凝土構件內部裂縫深度和位置信息，根據不跨縫檢測和跨縫檢測聲時值變化時相對應的超聲波在混凝土內部傳播距離的不同，計算出裂縫的長度及深度值[12]。

2.2 不跨縫檢測

將T和R換能器置于裂縫表面的同一側，依據T和R換能器內邊緣間距l(xiāng)′等于100、150、200 mm等分別確定ti，采用回歸分析法確定回歸直線方程為式（1），如圖1表示“時-距”[13]。

圖1 “時-距”圖

每個測點聲波實際傳播距離li計算公式為：

不跨縫檢測的混凝土超聲速度值為：

以上分別計算的是不跨裂縫的聲時測線法中所設置的2個換能器內距，和在特定時間點下經過多次均勻時間間隔檢測后，獲得的超聲波通過檢測結構內部過程中實際傳播的真實距離。其中a為線性回歸直線方程中換能器內距值在直線坐標系下的截距，同時也代表了超聲波檢測聲時距離計算方程中的常數項內容。

2.3 跨縫檢測

將T和R換能器分別放置于以裂縫為軸心的對稱兩側，以100、150、200 mm等分別取時值ti0，該超聲時值是為繞過末端傳播的時間，檢測方法如圖2所示。

圖2 跨縫測量示意圖

利用式（1）、（2）計算得到的換能器內距值和實測傳播距離以及公式（3）提供的聲速值，利用式（4）和（5）計算得到混凝土裂縫深度。

式中：li為不跨縫檢測時第i的超聲波實際傳播距離，hci為第i計算的裂縫深度值，mhc為各測點計算裂縫深度的平均值。

3 壩基蓋重混凝土裂縫成因

3.1 工程概況

該水壩位于甘肅省靈臺縣境內，屬于冷溫帶半濕潤區(qū)，氣候溫和濕潤，上游地帶則稍顯寒冷。根據氣象站近幾年資料統(tǒng)計，多年平均氣溫9.4 ℃，平均最高氣溫13.9 ℃，平均最低氣溫4.2 ℃，極端最高氣溫38.8 ℃，極端最低氣溫－23.1 ℃，年降水量586.3 mm，降水量主要集中在7～9月，占全年的53.7%，蒸發(fā)量1 397.2 mm，年日照時數2 254.5 h，平均相對濕度68%，平均最大風速9.2 m/s，最大凍土深度60 cm。水庫總庫容205萬m3，其中興利調節(jié)庫容87.8萬m3，死庫容78.9萬m3，為Ⅳ等小（1）型水庫，主要建筑物級別為4級。大壩總長度325.08 m，最大壩高19.3 m，大壩從左向右依次布置187 m均質土壩段，44.06 m連接壩段，18.2 m兩孔泄洪沖砂閘段，9.0 m表孔溢流壩段、66.82 m混凝土重力壩擋水壩段。工程區(qū)出露地層主要有白堊系下統(tǒng)基巖（K1）及第四系（Q）各種成因堆積層，工程特性良好。

3.2 裂縫現場狀況

連接壩段③號塊壩橫樁號0+215.06～0+231.06，壩縱樁號0-008.79～0+017.475，高程1 017.5～1 019 m，蓋重混凝土于2021年5月19日澆筑完畢。在2021年5月25日-27日，現場施工人員發(fā)現出現2條沿壩軸線方向的裂縫。連接壩段②號塊壩橫樁號0+199.03～0+215.03、壩縱樁號0-008.79～0+017.475，高程1 017.5～1 019.0 m，蓋重混凝土于2021年5月29日澆筑完畢，6月24日在質量檢查中發(fā)現②號塊出現沿壩軸線方向的1條裂縫。

3.3 檢測結果

采用裂縫測試儀進行裂縫發(fā)育情況的檢測，檢測結果顯示混凝土蓋重裂縫集中在②、③號澆筑區(qū)域中間鍵槽位置（如圖3所示），具體裂縫分布如下：

圖3 混凝土裂縫分布示意圖（單位：m）

（1）裂縫1：裂縫位于③號區(qū)域，寬度約為0.27～0.36 mm，深度約為462 mm，判定為C類裂縫[14]（深層裂縫）。

（2）裂縫2：裂縫位于③號區(qū)域，寬度約為0.51～1.2 mm，深度約為1 400 mm，判定為D類裂縫（貫穿裂縫）[14]。

（3）裂縫3：裂縫位于②號區(qū)域，寬度約為0.95～2.52 mm，深度約為1 350 mm，判定為D類裂縫（貫穿裂縫）。

圖4 為壩基蓋重②號區(qū)域裂縫3部分示意圖。

圖4 壩基蓋重②號區(qū)域裂縫

3.4 裂縫成因分析

混凝土由于溫度變化、收縮、不均勻沉降等間接作用,使得壩體的變形受到約束而使壩體內部受力不均勻，當壩體內部的應力超過混凝土的抗裂強度時，會引起裂縫的產生，這種裂縫可根據結構耐久性、抗?jié)B等方面的要求采取修補措施。

由圖3所示，③號區(qū)域的2條裂縫沿壩軸線方向呈連續(xù)直線狀分布，②號區(qū)域的裂縫沿壩軸線方向呈不規(guī)則曲線分布，分析其產生的原因為：

（1）該水庫壩址基巖為白堊系砂質泥巖、泥質粉砂巖，這種“巖石”是介于巖石與土之間的過渡類型，往往含有親水性物質，其主要特點是巖質松軟，抗壓強度低，開挖后風化速度較快，遇水易軟化膨脹崩解，并產生一定的膨脹壓力。壩址基巖單軸抗壓強度低，壩體混凝土不均勻沉降是導致裂縫形成的主要因素。

（2）連接壩段混凝土分縫分塊較大，大體積混凝土在水泥水化熱作用下，將產生較高的水化熱溫升，形成不均勻非穩(wěn)定溫度場，產生非均勻的溫度變形。溫度變形在下部結構和自身的約束下將產生較大的溫度應力，極易導致混凝土開裂。溫度應力是裂縫形成的原因之一。

4 壩基裂縫的處理措施

為確保壩體結構的整體性和防滲要求，結合裂縫的形成原因，采用低壓灌漿法對裂縫進行處理。

4.1 鉆孔

（1）對施工簡圖所給布設點進行施工放樣，確定孔的間距及數量滿足要求。

（2）沿裂縫方向布設一排間距為2.0 m的灌漿孔，孔深為1.5 m，每條裂縫均按以上形式布設。

（3）灌漿孔在灌漿前應采用壓力水進行裂隙沖洗，沖洗壓力為灌漿壓力的80%。沖洗時間至回水澄清時止或不大于20 min，沖洗后孔底殘留物厚度應不大于20 cm。

4.2 壓水試驗

壓水試驗壓力值為最大灌漿壓力值的80%。在穩(wěn)定的壓力下，每3～5 min測讀一次壓入流量，連續(xù)4次讀數中最大值與最小值之差小于最終值的10%，或最大值與最小值之差小于1 L/min時，試驗即可結束，最終的流量值作為計算值，具體計算方式按照水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范[15]。

4.3 灌漿

（1）根據設計固結灌漿壓力（0.3 MPa），灌漿材料采用42.5級水泥拌制漿液，灌漿漿液的濃度應由稀到濃逐級變換，用超細水泥和BR高效外加劑加強裂縫灌漿效果。

（2）灌漿封堵完成后，沿裂縫對稱布置φ25騎縫筋和蓋重面上7 cm上下布設一層@25φ10鋼筋網片，最后使用A+B型新型環(huán)氧樹脂進行表層化學灌漿處理。

5 結論

為研究水庫連接壩段壩基蓋重混凝土裂縫的發(fā)育及處理措施，采用不跨縫檢測與跨縫檢測的方法對壩基蓋重混凝土裂縫進行檢測，對裂縫的形成原因進行分析和研究，確定裂縫形成的主要因素，并采用低壓灌漿法對裂縫進行修補處理。

（1）壩址基巖單軸抗壓強度低，壩體混凝土不均勻沉降是導致裂縫形成的主要因素。

（2）連接壩段混凝土分縫分塊較大，形成不均勻非穩(wěn)定溫度場，壩體內部的溫度應力為裂縫形成的原因之一。

（3）采用低壓灌漿法對裂縫進行修補處理，確保壩體結構的整體性和防滲透性。