雙江口大壩心墻蓋板裂縫原因分析與處理措施探討

曹 優 蘭, 何 軍

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

雙江口水電站為一等大(1)型工程,位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康市、金川縣境內的大渡河上源河流——足木足河與綽斯甲河匯合口以下約2 km處。樞紐工程由礫石土心墻堆石壩、右岸洞式溢洪道、深孔泄洪洞、放空洞和左岸豎井泄洪洞以及地下引水發電系統等建筑物組成。大壩為礫石土心墻堆石壩,壩頂高程2 510 m,最大壩高315 m。

該大壩心墻高程2 265 m以下河床的部分基礎于2018年10月29日開挖至基巖面高程,2018年11月18日壩基開挖完畢,2019年3月25日進行了首倉混凝土澆筑施工(河床段第19號塊)。2019年5月16日,河床段心墻基礎固結灌漿生產性試驗啟動,并于2019年7月29日完成生產性試驗。截至2022年6月,河床段蓋板、廊道全部澆筑完成(共23個單元);左壩肩蓋板已澆筑61個單元,廊道已澆筑8個單元;右壩肩蓋板已澆筑51個單元,廊道已澆筑8個單元。

該大壩自2019年7月6日發現首條裂縫以來,截至2022年6月,工程建設管理單位高度重視心墻蓋板出現的裂縫問題,先后多次組織專家組和參建單位人員查勘現場,召開專題會議分析裂縫形成的原因,研究并制定了相應的處理及預防措施。

筆者從雙江口水電站大壩心墻蓋板施工中遇到的實際問題入手,對大壩蓋板裂縫的分布情況、產生原因分析、處理方案及預防措施的制定等進行了詳細的分析與探討,收集、整理并總結出復雜情況下心墻蓋板裂縫的處理方案,以供類似工程項目參考。

2 大壩心墻蓋板及廊道設計參數與初期蓋板裂縫產生的原因分析及處理

2.1 大壩心墻蓋板及廊道設計參數

左岸壩肩蓋板壩底寬度為150.27 m,壩頂寬度為14.02 m,蓋板混凝土共分為92個單元;右岸壩肩蓋板壩底寬度為150.27 m,壩頂寬度為8 m,蓋板混凝土共分為76個單元。

設計單位根據實際情況將左、右岸心墻蓋板混凝土厚度調整為65 cm,標準分倉尺寸為16 m(寬)×20 m(高),倉間均設置結構縫,倉內設置:C14單層鋼筋網。左、右岸壩肩蓋板混凝土為C25W10F50混凝土(二級配)。

左、右岸壩肩心墻基礎廊道凈空尺寸為3 m(寬)×3.5 m(高),城門洞型,底板混凝土厚100 cm,頂拱混凝土厚150 cm。心墻基礎廊道混凝土為C30W10F50混凝土(二級配)。左、右岸廊道混凝土共分為31個單元。

2.2 初期蓋板裂縫情況

前期施工的蓋板中有5塊出現了裂縫,其主要為河床水平段蓋板和廊道底板;裂縫大致為順水流方向,從蓋板長邊開裂沿短邊發展;裂縫寬度大于0.3 mm,主要為深層裂縫或貫穿性裂縫;其相關塊混凝土于2019年3～6月澆筑,裂縫在相關塊或相鄰塊固結灌漿期間發生;縫寬隨時間總體變化不大或呈臺階狀發展,分析其可能為一次或多次抬動造成;鉆孔發現裂縫呈豎直向發育。具體施工及裂縫發育情況如下:

(1)河床蓋板11號塊于2019年4月26～27日澆筑,5月30～7月15日進行固結灌漿。2019年8月30日發現了1條長3.1 m、縫寬0.1～0.15 mm、順水流方向的裂縫,發現裂縫時其相鄰的14號塊正在進行固結灌漿。蓋板建基面埋設的變位計監測成果表明:固結灌漿期間蓋板抬升了23.26 mm,后期裂縫未見發展。

(2)河床蓋板14號塊于2019年3月26～27日澆筑,8月6～9月9日進行固結灌漿。2019年7月6日發現了3條縫寬0.1～1.6 mm、順水流方向的裂縫,發現裂縫時其相鄰的14號塊正在進行固結灌漿?，F場施工無法進行裂縫的詳細測量,目測裂縫未見發展。

(3)河床蓋板19號塊于2019年3月25～26日澆筑,8月19～9月17日進行固結灌漿。2019年8月24日發現了4條、縫寬0.1～1.25 mm、大致順水流方向發育的裂縫,左側兩條呈“Y”型分布。布置在蓋板下游附近的基巖變位計監測結果表明:蓋板于9月初～9月中旬抬動了16.37 mm。

(4)左岸上游岸坡蓋板64號塊于2019年6月23～25日澆筑,此時岸坡尚未進行固結灌漿,8月30日發現了3條近似豎直向發育、縫寬0.3～0.5 mm的裂縫。截至2019年9月15日,3條裂縫的寬度均呈現出逐漸增大的趨勢。

(5)河床基礎廊道底板3號塊于2019年6月25～27日澆筑,尚未進行固結灌漿,7月6日發現了1條順水流方向發育、縫寬0.15～2.25 mm的裂縫,此時相鄰的11號塊正在進行固結灌漿。廊道底板中間部位新出現了1條分支裂縫,且原裂縫寬度有所增大。

2.3 蓋板裂縫產生原因初步分析

鑒于大壩蓋板結構設計、混凝土強度等級及施工技術要求等滿足相關規程規范要求且與已有工程經驗相近,其導致蓋板混凝土產生裂縫的可能性不大。大壩蓋板及廊道混凝土分別為C25W10F50和C30W10F50二級配混凝土,采用常態及溜槽施工。該工程使用的低熱硅酸鹽水泥、粉煤灰、花崗巖人工骨料、外加劑等原材料檢測結果總體滿足設計要求?；炷猎牧嫌欣谏w板和廊道混凝土的防裂抗裂。經初步分析,得出蓋板產生裂縫的原因如下:

(1)高地應力影響[2]。大壩心墻河床部位的基礎高程為2 195～2 205 m,呈上游低、下游高的緩坡,該段河谷形態為上游狹窄、下游較寬的喇叭狀。區域構造應力作用方向表現為近EW向的擠壓,應力相對集中而導致地應力高,因此而在高地應力環境下的河床巖體開挖完成后產生了大量的回彈、松弛變形和裂縫,且巖體裂縫大體呈順河向分布。分析認為:固結灌漿開始施工后產生的混凝土裂縫方向與巖體裂縫大體一致,河床巖體進一步回彈、松弛變形及開裂是導致蓋板混凝土產生隱微裂隙的一個重要因素。河床基巖裂縫與蓋板混凝土裂縫對照情況見圖1。

河床基巖裂縫 河床蓋板裂縫

(2)溫度應力影響[3]。 蓋板及廊道混凝土膠材用量一般為303～349 kg/m3,局部混凝土膠材用量偏高;受施工條件制約,單倉混凝土施工的最大時長超過24 h,跨過了中午高溫時段;廊道底板及附近厚度大的部位其混凝土內部最高溫度測值超標6.8～16.2 ℃。

蓋板及廊道混凝土的澆筑時間為2019年3～6月,發現裂縫的時間主要集中在2019年8月,部分塊體發現裂縫時的混凝土內部溫度在15～20 d內已下降了20～30 ℃,降溫速率偏大。因此,混凝土內部最高溫度大、日降溫幅度過大、晝夜溫差大等引起的的溫度應力增大了混凝土開裂風險。

分析認為:蓋板及廊道底板混凝土的基礎約束強,壩址區晝夜溫差大、夜間低溫寒冷、午間日照溫高、混凝土水化過程中造成其內部溫度高等引起的溫度應力可能是混凝土發生表面裂縫的內在原因之一。

(3)固結灌漿抬動[4]。2019年5月16日,河床段心墻基礎固結灌漿生產性試驗啟動,并于7月29日完成?；炷辽w板固結灌漿開始前未發現裂縫。自2019年8月4日開始實施河床段常規固結灌漿施工,固結灌漿時蓋板和廊道底板抬動時有發生。根據現有的監測及物探成果:河床巖體的回彈松弛仍在持續發展,但固結灌漿前其變形量值較小。相應的基巖變位計監測成果表明:灌漿過程中其抬動變形明顯加劇。已完工程固結灌漿的單位注入量顯示:河床段各塊的單位注灰量均超過100 kg/m。在高壓力作用下,單位注入量大的固結灌漿易造成蓋板混凝土抬動。

綜上所述,蓋板及廊道底板混凝土裂縫是在高地應力條件下河床巖體回彈松弛變形、固結灌漿抬動及溫度應力較大等綜合因素作用下產生的。

2.4 初期處理建議

鑒于后續固結灌漿施工的其他蓋板和廊道底板混凝土存在類似的地質條件、混凝土施工工藝以及嚴峻的氣候條件,其蓋板和廊道底板混凝土新發裂縫的可能性較大。專家組建議:在深入分析研究的基礎上,做好裂縫防控的技術準備。

(1)做好蓋板混凝土溫度控制是溫控防裂的根本措施。加強混凝土的溫度控制,控制其最高溫度不大于允許最高溫度,確?；炷两禍厮俾拭刻觳淮笥? ℃;加強混凝土的保護工作,將保溫覆蓋措施持續至壩體填筑時;先澆筑因超挖形成的填塘混凝土或地質缺陷處理的混凝土,并采取降溫措施使其冷卻到一定溫度。

(3)控制固結灌漿引起的蓋板和廊道底板混凝土抬動影響是防控裂縫的主動措施。需要改進固結灌漿施工工藝,在施工中控制灌漿壓力以滿足混凝土或巖石面不抬動為原則進行低壓慢灌,確保淺層固結灌漿不發生或少發生抬動;研究利用灌漿孔或采取局部增設鉆孔等方法以減小灌漿時蓋板及廊道底板下巖體承壓水產生的浮力影響。

(4)混凝土蓋板的抬動對“T”型止水結構的受力影響大,建議研究改善“T”型止水結構受力的工程措施,必要時在蓋板結構縫間增設跨縫鋼筋。

(5)初期發生的蓋板裂縫屬結構性裂縫,對其除采取化學灌漿處理外,尚需研究對縫面采取覆蓋封閉處理的工程措施。

(6)針對兩岸岸坡巖體卸荷松弛較強烈的部位研究適當加強錨固的必要性和可能性。

(7)在后續施工過程中合理安排帷幕灌漿和壩體填筑的施工時序,以滿足帷幕灌漿時蓋板及廊道上部有一定高度的壩體壓重,盡量減小蓋板及廊道帷幕灌漿時可能產生的抬動。

2.5 初期實施的處理措施

為有效控制混凝土裂縫進一步擴展并做好河床基巖的灌漿工作,尤其是防滲線一帶的灌漿工作,考慮并采取了以下措施。

2.5.1 設計措施

檢索算法效果對比如圖3所示。由圖3可知，本文應用環境(查詢結果不多于5條)限制，lucene的排序算法查準率不高，使用本文設計的3種計算方法，查準率較高，檢索出的結果精確度較高。3種算法比較，結果表明，歸一化算法的查準率稍高于其他兩種算法。筆者認為，項目(湖南農業信息平臺)運行初期，歸一化算法在檢索上優勢明顯；但當數據量為海量時，向量空間模型的優勢將得到體現。本文在農業檢索方面只做了基礎的研究工作，隨著農業知識庫的不斷完善，算法需要不斷的改進。

(1)在河床廊道以及部分蓋板上布置長觀孔,中長期監測河床基巖部位的變化情況;對壩基監測措施進行進一步的優化調整,加強對基巖應力與變形的監測。通過這些措施為設計參數的優化調整、施工工藝的改進提供依據。其中河床廊道的長觀孔可長期使用,而對于布置在蓋板上的長觀孔則需在壩體開始填筑時予以封堵。

(2)對于固結灌漿,采取降低第二段及后續段的卡塞位置、適當降低終孔壓力并通過試驗進行驗證和調整的措施。

(3)利用固結灌漿Ⅰ序孔補打部分深錨筋,適當加強蓋板的錨固效果。

(4)將蓋板及廊道裂縫的消缺處理安排在壩體即將填筑前進行。

(5)利用河床廊道(以及岸坡廊道),在壩體填筑到一定階段后根據監測或檢查情況進行必要的補充灌漿以加強防滲線一帶的灌漿效果。

(6)將河床的帷幕灌漿以及基坑范圍內低高程岸坡的帷幕灌漿安排在壩體填筑超出基坑范圍(2 245 m高程)并確認其基巖回彈變形終止后進行。

2.5.2 施工措施

(1)合理有序地安排灌漿孔位和時序,避免灌漿孔位過于集中。

(2)加強灌漿過程中的抬動監測并及時采取限壓限流措施。

(3)大壩填筑前進行蓋板裂縫消缺處理時,首先全面、系統地排查裂縫,然后編寫具體的施工方案并嚴格處理到位。

(4)持續觀察、監測蓋板及廊道施工縫、結構縫的變形情況。在壩體填筑到一定階段后根據監測或檢查情況進行必要的補充灌漿。

3 蓋板裂縫處理后的跟蹤檢查

(1)固結灌漿前的裂縫檢查情況。大壩河床段蓋板、左右岸岸坡心墻基礎混凝土蓋板及大壩基礎廊道固結灌漿前,項目部聯合現場監理工程師及基礎工區現場管理人員一道對已達到混凝土齡期的單元進行了混凝土裂縫情況檢查并進行了工作面移交。本次跟蹤統計內容為:2019年10月18～2021年5月3日對高程2 260 m以下的混凝土單元進行檢查的情況。

對于左岸岸坡心墻基礎混凝土蓋板、大壩基礎廊道及河床段混凝土蓋板共計檢查了 21個單元,其中16個單元混凝土表面出現了裂縫,共計39條。

針對右岸岸坡心墻基礎混凝土蓋板、大壩基礎廊道共計檢查了24個單元,其中13個單元混凝土表面出現了裂縫,共計26條。

(2)化學灌漿處理[5]后新增裂縫的普查。在高程2 240 m以下裂縫處理完成后,于2021年8月29日再次對(高程2 227～2 240 m)混凝土蓋板裂縫進行了普查,發現新增裂縫106條,裂縫總長度為722.2 m。2022年2～4月(填筑前)再次對(高程2 240～2 260 m)混凝土蓋板裂縫進行了普查,發現新增裂縫148條,裂縫總長度為723.5 m。高程2 260 m以下裂縫處理完成后,共新增裂縫254條。蓋板初期裂縫化學灌漿處理后發現的新增裂縫分布情況見圖2。

圖2 化灌處理后新增裂縫分布圖

(3)跟蹤檢查結果。通過對上述檢查數據進行匯總后發現:在無外力推動下,混凝土蓋板產生裂縫的比例較小,總占比為3.91%(固結灌漿前為65條/總體裂縫1 663條)?；炷辽w板第一次裂縫處理完成后,由于長時間未進行填筑料覆蓋,發現新增裂縫254條,總占比為15.27%。

4 蓋板裂縫產生原因的深入分析及處理

4.1 裂縫產生原因的分析

根據檢查發現的情況,專家組在初步分析裂縫成因的基礎上進一步對裂縫增加的原因進行分析如下:

(1)蓋板混凝土澆筑及灌漿完成后,由于原規劃河口石料場壁畫保護問題而導致重新選取備用飛水巖石料場的原因,導致大壩填筑未及時進行,最終導致蓋板施工完成后長時間外露。

(2)混凝土原材料質量不穩定,波動較大,部分指標未達到設計配合比要求,不利于蓋板和廊道混凝土的防裂抗裂。

(3)混凝土供應方面:鑒于從砂石骨料生產、混凝土拌制到混凝土澆筑系由多家施工單位完成,整個混凝土生產鏈過于復雜,進而造成混凝土質量控制難度大。

(4)固結灌漿方面:嚴格按照設計方案指定的初期處理措施要求進行固結灌漿施工。由于現場實施的固結灌漿壓力已經控制到最低,灌漿過程中采取了低壓(設計壓力下限)、濃漿、限流(20 L/min)、限壓等措施。灌漿過程受到了嚴格監控,過程透明。但在上述條件下蓋板抬動現象仍時有發生。

(5)兩岸邊坡開挖完成后長期裸露,巖石進一步風化、卸荷、松弛,裂隙串通性增強且開挖階段施工的錨桿拉拔力降效,將會進一步增加蓋板抬動的可能性。

(6)從孔內成像資料及現場巖層走向分析,兩岸岸坡巖層節理多為順坡走向(垂直于鉆孔方向),灌漿時漿液擴散范圍遠,受力面積大,雖然灌漿壓力已采取有效措施控制,但由于其受力面積大,從而亦導致壓強隨之而增大,也加大了產生蓋板抬動的可能性。

(7)兩岸蓋板混凝土坡面為高陡邊坡(其中右岸坡度約為55°～65°、左岸為45°～55°),且混凝土蓋板厚度僅為0.5 m/0.65 m,較類似工程明顯偏小,在高陡邊坡的情況下其蓋重分解為法向、順坡向兩個方向的分力,其坡度越陡,作為抗抬動法向上的蓋重分力越小,發生抬動的可能性越大。

(8)由于固結灌漿每段灌漿前的裂隙沖洗均為帶壓沖洗,而大面積頻繁的帶壓沖洗增加了發生劈裂破壞的可能性,且帶壓沖洗易形成瞬間壓力增大,從而導致蓋板發生破壞性抬動。

綜上判斷認為:蓋板裂縫依然是因高地應力、溫度應力、固結灌漿抬動等綜合因素導致,而蓋板長期未覆蓋則導致裂縫發展加劇。

4.2 后續處理建議及措施

(1)在控制原材料質量穩定的基礎上應進一步研究將混凝土設計齡期延長至90 d,優化混凝土配合比以降低水泥用量,控制混凝土溫升,進一步提高混凝土防裂抗裂的能力。

(2)鑒于該工程地處高原,晝夜溫差大,后續需進一步加強混凝土澆筑后的保溫保濕養護,適當提前或延長養護。

(3)加強對固結灌漿壓力的控制和抬動監測,一旦有抬動跡象即停灌待凝以有效降低固結灌漿對蓋板的損傷;研究并優化各孔序灌漿孔的施工順序,避免群孔效應的出現。

(4)在不降低裂縫處理要求的前提下研究取消縫面刻槽處理的措施,對縫面進行封閉處理;采用柔性蓋片或涂覆材料封閉的措施代替刻槽處理;采取試驗和調研結合的方式優選并確定縫面封閉材料和化學灌漿材料及工藝參數。

(5)岸坡蓋板混凝土澆筑前應加強對建基面的清理,對軟弱擠壓破碎帶等地質缺陷采取一定深度的清理、刻槽置換混凝土等處理措施。

(6)對于未澆筑部位,應采取錨桿加密、加深(深度應超過灌漿深度)的措施;加強現場錨桿的入巖深度及“L”型筋與混凝土鋼筋連接的有效性。

(7)對于岸坡心墻基礎蓋板區域,應根據現場實際情況在合適的位置布置隨機減壓排水孔。

4.3 后續裂縫處理的實施情況

對于后續裂縫的處理充分考慮了專家組提出的處理意見,結合現場心墻蓋板的施工進展情況,設計單位采取了優化混凝土齡期及配合比、加深加密未澆筑部位錨桿的數量、增設“L”型連接筋及破碎帶刻槽以及布置隨機減壓孔等措施;而施工單位則采取了在嚴格控制灌漿原材料的同時優選了裂縫處理材料、處理工藝和工序以及加強保溫、保濕養護等措施。目前大壩蓋板混凝土施工已過半。采取上述處理措施后大壩心墻蓋板裂縫情況已得到有效控制。

5 結 語

堆石壩心墻蓋板裂縫產生的原因多種多樣,與施工環境息息相關。雙江口水電站大壩心墻蓋板在排除設計和施工因素的情況下出現了高地應力、溫度應力、灌漿抬動、長期未填筑覆蓋等多種前所未遇的復雜情況,在大壩心墻蓋板施工的不同時段出現了不同狀況的裂縫。通過現場實踐和探索,裂縫的處理和預防措施已趨于完善,裂縫治理和控制效果尚可。筆者收集并整理了裂縫治理過程的實施經驗,對于堆石壩心墻蓋板施工裂縫預防具有重要的意義,亦為今后的類似工程建設提供了相關經驗,具有重要的參考價值。