混凝土拱壩裂縫成因分析及質量措施研究

張梓寒

（銅仁市碧江區水務局,貴州 銅仁 554300）

0 引言

在水利水電工程混凝土大壩中,裂縫的存在不僅影響結構的美觀和耐久性,而且容易引發結構的滲漏、病害,在不利工況條件下裂縫不斷貫穿引發結構失穩和坍塌,危及大壩安全,也給下游居民的生命財產安全造成嚴重威脅[1]。混凝土裂縫的產生受到內外多種因素共同作用影響,比如混凝土的施工工藝、原材料性質、溫度應力以及外荷載、配筋不足等,裂縫的產生和發展機理復雜,在施工過程中降低裂縫的開展是最為重要的研究內容之一,研究裂縫產生的原因和機理、提出科學合理的裂縫控制措施對于保證大壩工程質量,避免高昂的補裂措施費用等都具有十分重要的意義[2]。

1 工程概況

某水電站庫容量達5.2×105m3,總裝機容量約60000 kW,水庫流域面積約2660 m2,對于區域的用電調峰調幅都具有十分重要的意義。項目主要包括2 條導流洞、碾壓混凝土單曲拱壩、引水隧洞、壓力鋼管、調壓豎井、地面廠房及開關站、廊道（平洞）組成。大壩為碾壓混凝土中厚拱壩,高度為100 m,寬高比0.308,為拱形結構,最大底寬30.8 m,壩頂長273 m,整體碾壓混凝土方量為24.2 萬m3,為了充分發揮碾壓混凝土施工“快速”的優勢,控制施工過程中混凝土裂縫發展,根據項目大壩施工實踐,主要從入倉手段、誘導縫成縫、層間處理方式等方面進行快速化施工研究,旨在保證質量的前提下,加快施工進度,降低混凝土裂縫產生。

2 混凝土拱壩裂縫成因分析

混凝土材料在硬化的過程是一個相變過程,其混凝土的彈性模量增加迅速,而抗壓強度則較低,在固結成型后,混凝土骨料對漿液具有一定的約束作用,這種約束允許發生的收縮拉應力極小,當混凝土受到外荷載、溫度和濕度環境因素影響時,漿液收縮產生的拉應力超過其抗拉強度,使得混凝土內部的裂縫不斷擴張,形成宏觀的貫通裂縫。產生混凝土拱壩裂縫產生的原因,主要以下幾種：

（1）塑性沉降導致的裂縫。混凝土攪拌完成后骨料在漿液之中存在下沉的趨勢,當下沉過程中遇到鋼筋、模板等阻擋,骨料之間存在不同程度的沉降差,進行形成表面塑性沉降裂縫[3-5]。

（2）塑性收縮導致的裂縫。混凝土在硬化的過程中,水分從混凝土內部向表面遷移,不斷蒸發,混凝土表面產生約1%的塑性收縮,進而引發不規則的收縮裂縫。

（3）水化收縮和自生干縮裂縫。硅酸鹽水泥的水化反應過程中,固體顆粒之間的自由水分不斷減少,使得體積產生1%～2%的收縮,同時在水分不足的情況下,混凝土內部產生自干燥現象,這些綜合作用都會產生裂縫。

（4）硬化后干燥收縮導致的裂縫。在養護結束后,混凝土的水分蒸發仍持續發生,在約束條件下,內部原有的細微裂縫也隨著干縮率的增加而擴張[6]。

（5）溫度應力導致的裂縫。水泥和水混合后產生的水化熱是導致溫度裂縫的最主要因素,特別是對于大體積混凝土,混凝土內外部的溫度場分布不均,內部溫度高使得混凝土體積膨脹,而表面的相對低溫使得混凝土出現相對收縮,由此產生的拉應力超過極限抗拉強度,使得混凝土開裂。

（6）養護不當導致的裂縫。混凝土的養護可以有效改善其內外的溫度場,減緩水分的蒸發,有效抑制微裂縫的發生,但如果養護不及時或者養護不足則會使得混凝土產生塑性變形和干縮。

3 混凝土裂縫控制措施

結合該水電站混凝土拱壩基本情況,在層間結合部位采用水泥漿處理方式、采用倉外自卸汽車+滿管溜槽垂直運輸+倉內自卸車運輸的快速入倉手段、采用預制塊預埋進行誘導縫成縫、冷卻水管鋪設、RCC 攤鋪和碾壓等方面進行裂縫控制。

（1）層間結合部位采用水泥漿處理方式

凈漿配合比經過試驗室進行試驗確定,其配合比為袋裝低熱水泥（45%火山灰摻量）42.5 kg、水27.6 L、Megaflow 減水劑297.5 g；水灰比為0.65∶1,漿液比重為1.65 g/cm3,流動度馬氏漏斗檢測時間為40 s±5 s。碾壓混凝土加漿范圍為上游防滲區域為2 m,巖體接觸周邊為0.5 m,下游預制塊周邊為0.5 m,加漿量為該區域混凝土量的7%,其它冷縫處理區鋪0.5 cm 厚水泥漿,鋪設碾壓混凝土前30 min 將水泥凈漿灑滿將要鋪設區域,不可提前,防止水分蒸發,改變漿液性能。鋪灑漿液時,需要鋪灑均勻,避免漏灑,因此有必要對現場作業人員進行專門培訓,使其熟悉流程工藝,同時要安排質檢人員進行現場監督,確保層間處理過程滿足要求。

（2）采用倉外自卸汽車+滿管溜槽垂直運輸+倉內自卸車運輸的快速入倉

管溜槽直徑為0.8 m 高強錳鋼管,厚度為0.5 cm,考慮到滿管溜槽坡度太小會導致卸料困難而坡度太大混凝土對倉號內自卸車的沖擊力過大,采用滿管溜槽最佳坡比為51°,不能低于45°,此情況下滿管溜槽設計強度達140 m3/h。

根據計算,高峰期碾壓混凝土單層最大方量為1000 m3,按照規定的單層攤鋪時間不超過12 小時考慮,則滿管溜槽12 小時卸料量為140 m3/h×12 h=1680 m3＞1000 m3,滿足施工要求。拌合站為2 臺120 m3/h 的強制式攪拌機,每小時混凝土生產量為2×120 m3/h×0.6=144 m3/h,12 小時生產總量為144 m3/h×12 h=1728 m3＞1000 m3,拌合站生產能力滿足要求。自卸汽車額定載重為25 t,每趟運輸混凝土7.5 m3,每趟來回1 h,安排14 輛自卸車,則12 h 可運輸7.5 m3×14×12 h=1260 m3＞1000 m3,所以14 輛自卸車滿足碾壓混凝土運輸要求。

施工期間要隨時監測碾壓混凝土VC 值,保證滿管溜槽順利卸料。倉外自卸汽車要搭設防曬棚,減少運輸途中的VC值損失和溫度回升。倉號內自卸車嚴格按照規定路線運輸,避免破壞碾壓成型的碾壓混凝土。由于倉面原因不能接料時,應及時將溜管中的混凝土放空,碾壓混凝土在溜管中的存放時間應控制在1 h 以內。收倉后及時用水對溜管進行清洗,以防下次澆筑時堵料。每次開倉前,應對滿管溜槽進行維護檢查,變形的螺栓以及磨損部件要及時更換,料斗及槽身磨損超過5 mm 時,應及時進行修補、調換。汽車卸料和倉內接料應設置專人進行指揮,盡量保證出料量與進料量平衡,從而保證混凝土不出現骨料分離現象。

（3）采用預制塊預埋進行誘導縫成縫

如圖1 所示,誘導預制塊的主要參數：長1 m,寬0.3 m,高0.25 m,高度較傳統0.3 m 調整為0.25 m,低于單層碾壓鋪料厚度33 cm～34 cm,可保證誘導縫按照設計位置開裂,同時保證碾壓混凝土通倉澆筑且預制塊不被振動碾破壞。在碾壓混凝土澆筑過程中,待每倉奇數層碾壓完畢后下層鋪料前,在偶數層中壩縫位置拉線擺設成對的誘導縫預制塊,同時中間穿插接縫灌漿管,待該層碾壓混凝土鋪設覆蓋完后,可直接進行碾壓作業。

圖1 誘導縫預制塊

（4）冷卻水管鋪設

如圖2 所示,冷卻水管采用HDPE 管,為確保冷卻水管在受到混凝土澆筑過程中產生的沖擊力和混凝土流動力作用后不會出現位移,在混凝土倉面鋪設完成冷卻水管后,采取預先制作的“U”型鋼筋將其進行固定,固定間距控制在1.5 m左右,“U”型鋼筋的材質為A3 圓形鋼筋,直徑為10 mm,單根長度為23 cm,彎頭內半徑為2 cm。在冷卻水管彎管段,需要采用不少于3 個“U”型鋼筋進行固定。為了保證HDPE管的密閉性,以發揮其降溫防裂的功效,在混凝土澆筑前或者在澆筑第1 層混凝土時,應進行閉水試驗,以防止其漏水和堵塞,否則應采取措施保證水管的暢通。

圖2 冷卻水管鋪設

（5）RCC 攤鋪、碾壓

倉面澆筑時配置專人指揮卸車,指揮人員根據倉面分區要求,將運輸入倉的混凝土分區卸料。自卸汽車卸料后及時采用推土機或反鏟配合人工平倉,對于卸料后骨料分離情況,在平倉期間人工均勻撒布于倉面。嚴格控制上游變態混凝土防滲層和碾壓混凝土的分界線,保證防滲層厚度。

攤鋪完成后,在垂直水流方向采用14 t 振動碾對混凝土進行碾壓施工,碾壓邊數按照試驗段確定的碾壓參數進行,對剛鋪平的碾壓混凝土先無振碾壓2 遍后使其初步平整,然后有振碾壓6 遍,碾壓搭接寬度≥20 cm,端頭部位的搭接寬度≥100 cm。振動碾行走速度控制在1 km/h～1.5 km/h 左右,碾壓完成后對壓實度進行測定,滿足要求后方可進行下一工序。

4 結論

以某碾壓式混凝土拱壩施工為研究對象,在分析混凝土裂縫產生的原因基礎上,開展大壩的裂縫控制措施。結果表明在層間結合部位采用水泥凈漿處理方式、采用倉外自卸汽車+滿管溜槽垂直運輸+倉內自卸車運輸的快速入倉、采用預制塊預埋進行誘導縫成縫、冷卻水管鋪設、RCC 攤鋪和碾壓等措施對混凝土裂縫進行控制,可有效減少混凝土裂縫的產生。