某水電站引水洞襯砌混凝土裂縫成因分析

張宏山

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第三工程有限公司，西安 710000）

混凝土裂縫是混凝土質(zhì)量控制中的通病，但裂縫的影響因工程性質(zhì)和建筑部位重要性的不同而不同。尤其在水電站引水洞工程中，隧洞襯砌混凝土裂縫對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性以及對(duì)混凝土內(nèi)部的鋼筋侵蝕，都有很大影響。同時(shí)，在隧洞長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)期間，因裂縫問(wèn)題帶來(lái)的泥沙滲漏、混凝土掉塊、鋼筋剝離甚至局部垮塌等，也增加了運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。因此，在施工期間，如何盡可能地減少混凝土裂縫，是工程質(zhì)量管控的重點(diǎn)。本文以某水電站引水洞襯砌混凝土裂縫為例，進(jìn)行了相關(guān)的研究分析。

1 工程概況

某水電站項(xiàng)目為長(zhǎng)隧洞引水式發(fā)電站，最大靜水頭922.72 m，總裝機(jī)容量約為884 MW。引水隧洞全線長(zhǎng)度為23.156 km，根據(jù)地形條件，中間設(shè)有7 條施工支洞。引水洞全洞段采用鋼筋混凝土襯砌，洞襯砌斷面為馬蹄形斷面，襯砌后的斷面尺寸B×H=6.3 m×6.05 m，底板寬度為5.5 m。根據(jù)圍巖類型不同，引水洞襯砌厚度范圍為300～600 mm，襯砌鋼筋型號(hào)為φ13～φ32 不等。

2 襯砌施工方法

根據(jù)斷面尺寸、進(jìn)度目標(biāo)、襯砌設(shè)備以及工機(jī)具配置規(guī)格，該項(xiàng)目制定了底板襯砌采用鋼管樣架加人工抹面施工方法，邊頂拱襯砌采用門架式襯砌臺(tái)車跳倉(cāng)澆筑施工方法。

2.1 底板襯砌施工

1）襯砌方法。從引水洞各控制段（2 條施工支洞之間的主洞部分）中心點(diǎn)采用端退法完成底板襯砌施工。針對(duì)雙臺(tái)車邊頂拱襯砌，在臺(tái)車就位前，需完成控制段中心點(diǎn)往支洞口方向至少10 倉(cāng)的底板襯砌施工。

2）倉(cāng)位設(shè)計(jì)。底板襯砌范圍為底板及兩側(cè)50 cm高矮邊墻。襯砌倉(cāng)位長(zhǎng)度分別為12 m/倉(cāng)和18 m/倉(cāng)。

3）鋼筋和模板安裝。底板鋼筋安裝前需搭設(shè)架立筋，架立筋為φ22 的鋼筋，采用插筋固定，插筋采用φ22 的鋼筋，插筋長(zhǎng)度0.8～1.2 m，入巖0.5 m。底板襯砌模板主要包括50 cm 的矮邊墻模板和80 cm 的底板封頭模板。底板襯砌模板主要采用散裝鋼模板，矮邊墻轉(zhuǎn)角處采用自制異形鋼模板，異形模板采用3 mm 厚鋼板焊接制作，每塊長(zhǎng)度1.5 m，開(kāi)孔位置與采購(gòu)的散裝模板一致。模板采用巖壁預(yù)埋φ22 插筋，焊接φ12 的拉條配合鋼管圍檁固定，插筋長(zhǎng)度為1.5 m，入巖1.2 m，縱向間距為1.0 m。底板收倉(cāng)面采用鋼管樣架控制，樣架頂面高程通過(guò)φ16 螺桿螺母微調(diào)控制。螺桿螺母與φ22 的插筋（即固定架立筋的插筋）焊接。

4）混凝土澆筑。混凝土泵機(jī)布置在壁龕中，攪拌車在此區(qū)域下料和等待下料，攪拌車靠一側(cè)停靠，另一側(cè)可滿足攪拌車等車輛通過(guò)。底板及矮邊墻混凝土采用φ50 軟軸式插入振搗器振搗。

2.2 邊頂拱襯砌施工

1）施工方法。邊頂拱襯砌采用可通行門架式邊頂拱鋼模臺(tái)車，隧洞貫通后，將臺(tái)車大件運(yùn)進(jìn)洞內(nèi)組裝，然后從各控制段中心點(diǎn)采用端退法完成全部邊頂拱襯砌施工（臺(tái)車布置參如圖1 所示）。襯砌過(guò)程中，2 部臺(tái)車襯砌時(shí)需保持4 倉(cāng)的間隔距離，能有效避免先澆塊頂拱強(qiáng)度不足導(dǎo)致砼受損的問(wèn)題。

2）鋼筋制安。在臺(tái)車就位前，采用人工搭設(shè)鋼管腳手架平臺(tái)的方式進(jìn)行鋼筋綁扎施工；臺(tái)車就位后，施工人員在自制的移動(dòng)式鋼筋臺(tái)車上進(jìn)行鋼筋綁扎。為保證此厚度，采用在模板與鋼筋之間加墊預(yù)制混凝土塊，預(yù)制混凝土塊厚度與鋼筋保護(hù)層厚度一致，強(qiáng)度不得低于結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度；對(duì)鋼筋與噴混凝土之間的保護(hù)層，則在固定鋼筋的插筋上標(biāo)示出保護(hù)層位置，在此位置上綁扎鋼筋。

3）預(yù)埋件施工。邊頂拱止水帶采用臺(tái)車自帶的止水卡扣固定。灌漿孔、排水孔需預(yù)埋φ50 的PVC 管，采用扎絲與鋼筋捆緊綁牢，外側(cè)管口綁扎8 cm×8 cm×2 cm（長(zhǎng)×寬×厚）泡沫板，泡沫板貼緊模板，方便后期鉆孔時(shí)快速精確找準(zhǔn)孔位，同時(shí)泡沫板作為后期灌漿完成后的標(biāo)準(zhǔn)孔口修補(bǔ)面。

4）混凝土澆筑。邊墻倉(cāng)：邊頂拱鋼模臺(tái)車設(shè)計(jì)時(shí)增設(shè)分窗進(jìn)料系統(tǒng)，通過(guò)主料管、三通分流槽、分流串筒以及入窗溜槽結(jié)合的方式，并配置簡(jiǎn)單易操作的插板閥門，從而實(shí)現(xiàn)混凝土流向各工作窗口，最終達(dá)到不拆接主泵管，混凝土可逐窗分層對(duì)稱下料。倉(cāng)位上升速度不得大于1.0 m/h，兩側(cè)對(duì)稱下料高度差不得大于0.5 m。

頂拱倉(cāng)：頂拱倉(cāng)應(yīng)從高程低的一端向高程高的一端澆筑。通過(guò)頂拱部位的觀察窗口對(duì)混凝土的上升進(jìn)行觀察，當(dāng)混凝土接近觀察窗口時(shí)，將泵管改接到頂拱中心部位的封拱器上，由封拱器繼續(xù)向頂拱范圍打料。在每倉(cāng)高程高的一端頂拱處安裝出漿管，出漿管出漿便可停止打料，確保頂拱澆筑密實(shí)無(wú)空腔。

混凝土均采用平倉(cāng)法澆筑，分層下料，分層厚度不超過(guò)40～50 cm，人工平倉(cāng)，嚴(yán)禁以振搗代替平倉(cāng)。邊墻振搗主要采用φ50 插入式軟軸振搗器，邊角部位采用φ30 插入式軟軸振搗器振搗，頂拱采用臺(tái)車自帶的附著式振搗器輔助振搗。

5）其他方面。混凝土澆筑必須保持連續(xù)性，避免出現(xiàn)冷縫，如因故中斷超過(guò)30 min 后，必須按施工縫處理。

3 裂縫檢查

現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格上述施工方法進(jìn)行襯砌施工，在完成引水洞底板襯砌1 200 m，邊頂拱襯砌700 m 左右時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)檢人員對(duì)襯砌混凝土裂縫情況進(jìn)行系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)，情況如下。

A 控制段（12 m 長(zhǎng)倉(cāng)位）45%的倉(cāng)位出現(xiàn)裂縫，裂縫基本上出現(xiàn)在邊頂拱，最大裂縫寬度0.6 mm，大多為縱向裂縫，局部有環(huán)向裂縫和冷縫。

B 控制段（18 m 長(zhǎng)倉(cāng)位）55%的倉(cāng)位出現(xiàn)裂縫，裂縫基本分部在底板，最大裂縫寬度0.2 mm。大多為環(huán)向裂縫。

另外，對(duì)某底板混凝土裂縫位置進(jìn)行了取芯，檢查底板環(huán)向裂縫深度，取芯長(zhǎng)度23 cm，裂縫呈貫穿狀，裂縫寬度0.2 mm，可以判斷為貫穿性裂縫。

4 成因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裂縫統(tǒng)計(jì)情況，項(xiàng)目部組織設(shè)計(jì)、技術(shù)、施工、質(zhì)量、試驗(yàn)以及其他相關(guān)人員對(duì)裂縫成因進(jìn)行了分析，認(rèn)為以下6 個(gè)方面可能是產(chǎn)生裂縫的原因。

4.1 溫度

1）環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)。引水洞A 控制段，襯砌施工環(huán)境平均溫度為19.1 ℃，襯砌混凝土出機(jī)口溫度為18.6 ℃，入倉(cāng)溫度為20.8 ℃。引水洞B 控制段，襯砌施工環(huán)境平均溫度19.6 ℃，襯砌混凝土出機(jī)口溫度為19.1 ℃，入倉(cāng)溫度為21.1 ℃。

2）混凝土內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在A控制段混凝土澆筑完成后3 d，內(nèi)部溫度達(dá)到峰值61 ℃，與環(huán)境溫度（19.1 ℃）相差41.9 ℃。B 控制段混凝土在3 d 后內(nèi)部溫度就達(dá)到峰值56.6 ℃，與環(huán)境溫度（19.1 ℃）相差37.5 ℃。2 個(gè)部位混凝土內(nèi)外溫差都大于規(guī)范要求。

4.2 配合比

本工程引水洞襯砌混凝土配合比和同地區(qū)其他幾個(gè)工程配合比主要參數(shù)，對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比對(duì)比表

通過(guò)上述比較可以看出，本工程引水洞襯砌混凝土配合比中水泥用量較其他工程偏大。

4.3 施工工藝

1）滲水處理效果不佳。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察，混凝土裂縫基本上都存在滲水，存在混凝土澆筑前的倉(cāng)位內(nèi)滲水引排不到位的情況。隧洞襯砌時(shí)為封閉斷面澆筑，當(dāng)澆筑倉(cāng)位有地下滲水時(shí)，受混凝土的阻擋，將形成較高的水壓力，或?qū)е滤鲙ё呋炷翝{液，或擊穿新澆筑的混凝土，形成流水通道，從而形成裂縫。

2）鋼筋保護(hù)層。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察，部分表層鋼筋保護(hù)層厚度大于設(shè)計(jì)要求。混凝土澆筑后初期水化熱大量釋放，造成混凝土中心溫度上升較大，引起的體積變化較大，而混凝土表面因環(huán)境溫度較低，散熱較快，溫度上升較小，引起的體積變化也較小，這樣中心混凝土膨脹變形受表面混凝土約束，于是中心混凝土受壓，表面混凝土受拉，而因鋼筋保護(hù)層過(guò)大，導(dǎo)致表面混凝土抗拉能力下降，混凝土更易產(chǎn)生裂縫。

3）混凝土振搗。根據(jù)規(guī)范要求，插入式振搗器振搗時(shí)間30 s 為宜，而附著式振搗器應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)時(shí)間，在50 s 為宜。現(xiàn)場(chǎng)可能存在振搗時(shí)間不滿足要求的情況。

混凝土振搗不足，導(dǎo)致混凝土密實(shí)度差，結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度降低，自身收縮抵抗約束力能力下降，更易產(chǎn)生裂縫。

4）混凝土養(yǎng)護(hù)。根據(jù)施工方案要求，混凝土澆筑后及時(shí)灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d。但經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)生邊頂拱倉(cāng)養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，因養(yǎng)護(hù)用水水壓不夠，部分頂拱部位的養(yǎng)護(hù)時(shí)長(zhǎng)和養(yǎng)護(hù)覆蓋面不夠，導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。同時(shí)，底板倉(cāng)位養(yǎng)護(hù)方法也不規(guī)范。部分底板倉(cāng)位因處于下游側(cè)，澆筑完成后倉(cāng)位長(zhǎng)期處于施工廢水（來(lái)自上游側(cè)倉(cāng)位的養(yǎng)護(hù)用水）覆蓋下，加上隧洞貫通后，洞內(nèi)溫度低，水溫也低，以致于底板倉(cāng)內(nèi)外溫差巨大，從而導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。

4.4 分倉(cāng)長(zhǎng)度

A 控制段襯砌倉(cāng)位長(zhǎng)度12 m，B 控制段襯砌倉(cāng)位長(zhǎng)度18 m，襯砌混凝土裂縫情況對(duì)比，18 m 襯砌混凝土產(chǎn)生的裂縫數(shù)量要多于12 m 襯砌倉(cāng)位。

混凝土倉(cāng)位長(zhǎng)度較大，一次澆筑的混凝土方量增加，產(chǎn)生的水化熱也會(huì)增加，體積變化更大，收縮后，因倉(cāng)位長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，約束力也會(huì)增加，導(dǎo)致在一倉(cāng)不同部位產(chǎn)生多條裂縫。尤其表現(xiàn)為在18 m 倉(cāng)位中間位置形成的貫徹性環(huán)向裂縫。

4.5 原材料質(zhì)量

工程所用水泥除了廠家合格證，還做了強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間和安定性試驗(yàn)，同時(shí)，對(duì)水泥的儲(chǔ)存和堆放也做了嚴(yán)格要求。砂石骨料由自有砂石系統(tǒng)破碎生產(chǎn)，期間做了篩分試驗(yàn)、含泥量試驗(yàn)、有機(jī)質(zhì)含量試驗(yàn)、針片狀含量試驗(yàn)以及含泥量試驗(yàn)等，各項(xiàng)參數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求。拌合用水來(lái)自當(dāng)?shù)匮┥饺谒缓泻﹄s質(zhì)。減水劑和引氣劑除了廠家自檢合格，現(xiàn)場(chǎng)也進(jìn)行摻配試驗(yàn)，并根據(jù)氣溫條件，在澆筑過(guò)程中，進(jìn)行動(dòng)態(tài)微調(diào)。粉煤灰摻合料存儲(chǔ)在專用倉(cāng)罐中，也做了防潮和防污染措施。因此混凝土原材料各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，不存在因原材料質(zhì)量不合格引起的裂縫。

4.6 地質(zhì)情況

經(jīng)過(guò)對(duì)前期開(kāi)挖期間的地質(zhì)素描對(duì)比分，引水洞A 控制段和B 控制段圍巖類別分布情況大致相當(dāng)。

A 控制段開(kāi)挖期間共安裝收斂變形監(jiān)測(cè)斷面25組，均無(wú)較大變形，最大累計(jì)變形量為-32.3 mm（監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)248 d）。B 控制段開(kāi)挖期間共安裝收斂變形監(jiān)測(cè)斷面28 組，均無(wú)較大變形，最大累計(jì)變形量為-24.3 mm（監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)358 d）。

通過(guò)上述地質(zhì)分析，裂縫洞段的圍巖有好有差，埋深高低不一，變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均無(wú)較大異常，說(shuō)明隧洞處于穩(wěn)定狀態(tài)，不存在大幅度收斂變形引發(fā)的襯砌裂縫情況。

綜合上述原因分析，項(xiàng)目部認(rèn)為除因施工工藝造成的冷縫及養(yǎng)護(hù)不及時(shí)造成的表面龜裂外，裂縫普遍出現(xiàn)的原因主要為水化熱過(guò)高，其次分倉(cāng)長(zhǎng)度及施工工藝也對(duì)裂縫的形成產(chǎn)生了一定的影響。

5 預(yù)防措施

盡管隧洞襯砌混凝土裂縫在其他工程普遍存在，是混凝土質(zhì)量缺陷的通病，不可能完全消除，但仍需采用積極措施，盡可能地減少裂縫對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)合成因分析，項(xiàng)目部制定了以下預(yù)防措施。

5.1 優(yōu)化混凝土配合比

參考本工程其他部位混凝土不同齡期的強(qiáng)度以及其他類似工程的配合比設(shè)計(jì)，對(duì)現(xiàn)有襯砌混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整水泥和粉煤灰摻量配比，在確保混凝土強(qiáng)度的前提下，降低混凝土水化熱，降低內(nèi)外溫差，從而減少裂縫的產(chǎn)生。

5.2 倉(cāng)內(nèi)設(shè)置誘導(dǎo)縫

根據(jù)對(duì)12 m 和18 m 襯砌倉(cāng)位混凝土裂縫統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，18 m 襯砌倉(cāng)位混凝土產(chǎn)生的裂縫較12 m 襯砌倉(cāng)位裂縫的多，而且裂縫大多出現(xiàn)在倉(cāng)位總長(zhǎng)的1/3和2/3 處。經(jīng)與設(shè)計(jì)單位溝通，分析認(rèn)為襯砌分倉(cāng)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)是混凝土環(huán)向裂縫增加的主要原因，但考慮到引水洞襯砌工期緊張，同時(shí)，部分底板倉(cāng)位已按18 m 長(zhǎng)度提前實(shí)施，最終制定了在18 m 倉(cāng)位內(nèi)按每隔6 m 設(shè)置誘導(dǎo)縫的措施。

5.3 加強(qiáng)原材料管理

加強(qiáng)對(duì)原材料的重視，材料入場(chǎng)前需做好必要的質(zhì)量驗(yàn)收工作，對(duì)已入場(chǎng)的材料，加強(qiáng)存放管理，使用前還需進(jìn)行抽檢，看其存放過(guò)程中是否存在變質(zhì)問(wèn)題，性能指標(biāo)能否滿足要求，質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的原材料不得使用。還要重視對(duì)原材料的溫度把控，避免因原材料溫度過(guò)高，導(dǎo)致混凝土入倉(cāng)溫度過(guò)高。

另外，骨料存放需設(shè)置遮陽(yáng)棚和水洗系統(tǒng)，骨料在太陽(yáng)暴曬下導(dǎo)致表面和骨料內(nèi)部失水，在混凝土拌制后骨料吸水率高，容易造成混凝土自身收縮增大，誘導(dǎo)裂縫產(chǎn)生。

5.4 提高施工工藝

1）加強(qiáng)澆筑倉(cāng)備倉(cāng)前的施工排水。在混凝土備倉(cāng)前，嚴(yán)格按照已批復(fù)的施工方案進(jìn)行倉(cāng)內(nèi)滲水處理。尤其對(duì)邊頂拱，集中滲水采用PVC 管插管引排，對(duì)大面積點(diǎn)狀滲水，則需按PVC 花管+土工布+隔水板的方式進(jìn)行引排。

2）嚴(yán)格按照施工方案控制鋼筋制保護(hù)層厚度。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙對(duì)鋼筋放樣，確保鋼筋位置準(zhǔn)確，鋼筋保護(hù)層厚度需滿足設(shè)計(jì)要求。

3）嚴(yán)格控制混凝土下料高度。嚴(yán)格控制混凝土下料高度及澆筑速度，充分利用臺(tái)車配置的三層下料窗口及頂拱封拱器進(jìn)行下料，澆筑過(guò)程中對(duì)稱下料。

4）加強(qiáng)混凝土振搗。混凝土澆筑過(guò)程中充分振搗，除頂拱外，其余部分均應(yīng)采用軟軸式振搗棒配合附著式振搗器進(jìn)行振搗，提高混凝土的密實(shí)度和均質(zhì)性，減少內(nèi)部微裂縫和氣孔，提高混凝土抗裂性。嚴(yán)禁私下切割鋼筋。

5）對(duì)入倉(cāng)混凝土取樣，進(jìn)行同條件養(yǎng)護(hù)對(duì)比，確定最佳的拆模時(shí)間，避免因拆模過(guò)早，邊頂拱混凝土強(qiáng)度不足，提前承擔(dān)圍巖壓力和自身重力，從而引起的裂縫。

6 結(jié)束語(yǔ)

該水電站項(xiàng)目引水洞施工工期緊，制約條件多，但在采用相應(yīng)的預(yù)防措施后，后續(xù)襯砌混凝土質(zhì)量得到了顯著改善，裂縫數(shù)量大幅度減少，最終實(shí)現(xiàn)了工期提前、質(zhì)量達(dá)標(biāo)的控制目標(biāo)。其中的施工方法、裂縫成因及預(yù)防措施可供類似工程參考和借鑒。