彭水水电站大坝裂缝处理技术及成果

　　摘要：乌江彭水水电站位于乌江干流下游，重庆市彭水县城上游11km处，下距河口涪陵市约147km。彭水水电站大坝工程裂缝共计54条，裂缝分布范围广泛、处理难度大，且呈现一定规律性。根据裂缝的产状采取不同处理办法，在确保工期及质量的前提下，取得了较好的效果，为大坝裂缝成因及处理技术提供了宝贵的经验。
　　关键词：大坝，裂缝处理，成果
　　0概述
　　乌江彭水水电站大坝为碾压混凝土重力坝，自2006年11月27日发现10#坝段左侧面裂缝以来，至2007年12月20日4#～13#坝段坝体及闸墩发现各类裂缝共计54条。裂缝处理严格按照乌江彭水水电站混凝土质量检查及缺陷处理技术要求进行。业主单位组织召开了多次专题会议，并组织了3次专家组来工地了解、分析裂缝成因，共同商讨裂缝处理方案。经讨论：大坝闸墩所有C40砼（除锚块、油缸支座外）全部变更为C30砼，并决定在各坝段EL274层面布置双层限裂钢筋网（主筋Ф28，次筋Ф14），各收仓层面以下20cm布置一层防裂钢筋网（主筋Ф25，次筋Ф14）。溢流面缝宽小于0.1mm的裂缝采取将裂缝两侧各4cm范围打磨1～2mm后涂刮环氧胶泥封闭缝面，缝宽大于0.1mm的裂缝采取贴嘴或打骑缝孔（φ14mm）化灌，化灌完成后按上述方法封闭缝面。经处理后检查，裂缝处理质量合格，未留下任何质量隐患。
　　1大坝裂缝分布情况
　　彭水水电站大坝工程于2006年11月27日监理检查7#～9#坝段EL223～244mRCC时，发现10#坝段左侧面出现裂缝，监理相继组织施工单位共同对大坝已浇砼进行了裂缝普查，截止2007年12月20日4#～13#坝段坝体及闸墩共发现各类裂缝共计54条，具体为：4#坝段4条、5#坝段4条、6#坝段6条、7#坝段5条、8#坝段6条、9#坝段3条、10#坝段15条，11#坝段3条，12#坝段6条，13#坝段2条。其中危害性Ⅲ、Ⅳ类裂缝共7条，其余均为Ⅰ、Ⅱ类浅层裂缝。
　　2大坝裂缝形成阶段：
　　1）基础垫层阶段：该阶段在4#、12#坝段各发现1条裂缝。
　　2）低温季节阶段：该阶段指2006年11月～2007年3月，这期间共发现各类裂缝12条，主要分布在10#坝段和13#坝下闸墩（1条），裂缝产生主要原因是由于高温季节浇筑碾压混凝土冷却水管损坏、堵塞较多，畅通率低，初期和中期通水效果差，导致大坝内部温度长期居高不下，进入低温季节后保温不及时、不到位，混凝土内外温差过大，从而形成温度裂缝。
　　3）高温季节阶段：该阶段指2007年3月、4月、5月、6月，这期间共发现裂缝41条，且呈一定规律性，主要集中出现在闸墩中部顺水流方向，长度均在10m以上，其中6条裂缝已超过检修门槽几乎发展成劈头缝，部分闸墩每一浇筑升层均出现类似层面裂缝。譬如6#坝段上闸墩在EL260.5、EL265、EL269.5、EL274连续四个升层出现了产状相似、位置相近的裂缝，4#、8#等坝段闸墩也存在该情况。各闸墩层面裂缝的检查深度均在0.3～1.2m之间。
　　3裂缝产生原因分析
　　1)基础垫层砼裂缝
　　12#坝段0.3m厚垫层砼采用的是泵送混凝土，水泥用量大，水化热快，加之保温工作不到位，故形成了较集中的表层龟裂。4#坝段基础垫层裂缝成因主要是在基础强约束区处理地质缺陷砼厚度不均所引起。
　　2)低温季节阶段砼裂缝
　　主要由于高温季节浇筑碾压混凝土冷却水管损坏、堵塞较多，畅通率低，初期和中期通水效果差，导致大坝内部温度长期居高不下，进入低温季节后保温不及时、不到位，混凝土内外温差过大从而形成温度裂缝。
　　3)上闸墩砼裂缝
　　据分析，裂缝产生的原因之一是闸墩混凝土全部变更为C40（溢流面~EL274）后胶凝材料用量增大，二、三级配、泵送砼水泥用量分别为316、288、355kg，水泥水化热温升达到30~36℃，导致闸墩内部温度过高，根据温度监测成果最高达61.3℃，与外界温差达30～40℃，由此产生的拉应力超过了混凝土的早期强度。与2007年6月7日和6月16～19日两次专家组观点基本一致。
　　4)溢流面表层裂缝
　　据分析，裂缝产生的主要原因一是溢流面中段底部砼已有近一年的龄期，属强约束区，二是混凝土标号高（C40），水泥用量大，水化热温升快，加之部分表孔为高温季节浇筑，入仓温度较高，三是溢流面基础面为台阶状，尖角处易形成
　　应力集中，加之溢流面砼厚薄相差较大，受到约束程度不同，易产生裂缝。三种因素叠加后导致溢流面出现裂缝。
　　4裂缝检查处理措施
　　发现裂缝后首先由施工单位技术人员会同监理人员进行产状描述，缝深采用钻斜孔压气或取芯（φ219mm）检查。所有裂缝类型判定和裂缝处理均严格按照《乌江彭水水电站混凝土质量检查及缺陷处理技术要求》及相应设计文件进行。Ⅳ类裂缝化学灌浆效果均通过灌后钻孔（φ219mm）取芯，并进行芯样力学试验检查。
　　大坝大体积砼裂缝处理措施一览表
　　裂缝类型 处理措施 备注
　　Ⅰ类 凿槽嵌缝 凿槽：8×5cmU型槽
　　嵌缝：回填预缩砂浆
　　铺设骑缝限裂钢筋：主筋L＝4.5mΦ28或Φ36、分布筋Ф20
　　化学灌浆：化灌材料为HK-G-2和LPL,灌浆压力0.3MPa
　　Ⅱ类 凿槽嵌缝+铺设骑缝限裂钢筋或止缝孔+铺设骑缝限裂钢筋 
　　Ⅲ类 化学灌浆或预埋后期灌浆管+凿槽嵌缝+铺设骑缝限裂钢筋 
　　Ⅳ类 按设计文件处理（化学灌浆+凿槽嵌缝+铺设骑缝限裂钢筋） 
　　经监理工程师多次仔细检查，发现布置了锚索支架已浇筑的EL274~280m闸墩均未出现裂缝，受此启发，为防止EL274m以上闸墩继续产生裂缝，决定在EL274层面锚索支架范围以外布置双层限裂钢筋，在收仓面布置一层防裂钢筋。并于2007年6月13日选取6＃坝段上闸墩EL274～277m作为实验仓，浇筑过程施工、监理、业主派专人盯仓，全过程监控，记录混凝土出机口温度、入仓温度、浇筑温度、坍落度、下料、振捣、冷却通水、养护等。通过上述措施，该仓在6月29日上层覆盖前未出现裂缝。
　　根据2007年6月16～19日以谭靖夷院士为组长的专家组意见，首先将大坝闸墩所有C40砼（除锚块、油缸支座外）全部变更为C30砼，并决定在各坝段EL274层面布置双层限裂钢筋网（主筋Ф28，次筋Ф14），各收仓层面以下20cm布置一层防裂钢筋网（主筋Ф25，次筋Ф14），闸墩单层冷却水管由两排改为3排。
　　5大坝裂缝化灌处理
　　大坝有7条裂缝进行了化学灌浆处理，具体见下表5-1
　　表5-1化学灌浆处理的裂缝统计表
　　序号 坝段 桩号（m） 高程（m） 砼种类 缝数 裂缝类型 处理方式
　　1 8# X+24.3~42.3 EL260.5 C25C40 1 Ⅲ类 预埋化学灌浆管+铺骑缝钢筋
　　2 13# X+61.32 EL242.5 C25 1 Ⅳ类 深孔化学灌浆+嵌缝+铺骑缝钢筋
　　3 10# X+35.23 EL251 C40C30 1 Ⅱ类 化学灌浆+嵌缝+铺骑缝钢筋
　　4 10# X+15.62 EL251 RccC15
　　C20 1 Ⅳ类 化学灌浆+嵌缝+铺骑缝钢筋
　　5 10# X+58.61 EL247.9 RccC15
　　C20 1 Ⅳ类 深孔化学灌浆+嵌缝+铺骑缝钢筋
　　6 12# X+33.53~X+42.2 EL245 C40C30 1 Ⅲ类 化学灌浆+嵌缝+铺骑缝钢筋
　　7 12# X+8.38~47.7 EL265 C40C25 1 Ⅱ、Ⅲ类 预埋化学灌浆管+铺骑缝钢筋
　　以10#坝段裂缝处理为例
　　10#坝段有7条裂缝L1~L7，依据补充设计文件“（2006）长彭设枢坝字第07-006号”要求，分别对L2、L7裂缝及x+58.61m、EL247.9m层面裂缝进行了处理。具体处理如下：
　　1）L2（左侧面）和L7裂缝位于x+15.62m、Y+17.79m~Y+38.19m，L7裂缝长20.4m，左侧面L2裂缝延伸2.76m。裂缝产状及化学灌浆孔、检查孔、声波测试孔布置情况见图5-1。EL251.0m层面布置声波测试孔2组共4个（1组2个），孔径Φ76，单个孔深5.0m，从波速在混凝土块体的分布变化情况判定两个受测部位处裂缝深度为1.4m，波速分布曲线见图5-2、图5-3。
　　图5-1X+15.62m、Y+17.79m~Y+38.19m裂缝产状及化学灌浆孔、检查孔、声波测试孔布置图
　　图5-210#坝段X+15.62m、Y+31.21m、EL251m层面混凝土裂缝声波检测波速分布曲线图
　　图5-310#坝段X+15.62m、Y+21.79m、EL251m层面混凝土裂缝声波检测波速分布曲线图
　　裂缝检查孔2个，孔径Φ60，孔深分别为4.5m和5.0m，布置化学灌浆孔20个，孔径Φ60，孔深分别为1.0m和3.3m，倾角45度；布置排气孔54个，孔径Φ20，孔深0.4m，倾角45度。左侧面EL248.14m~EL251.0m、x+15.62m布置灌浆孔10个，孔径Φ20，孔深0.4m。对缝面凿槽7cm×5cm（宽×深），采用预缩砂浆嵌缝，预缩砂浆配合比见表5-2。
　　表5-2预缩砂浆配合比（单位：kg）
　　中热水泥42.5 砂（砂率100%） 减水剂（Tm-ⅢC） 水 水胶比 备注
　　40.0 88 0.24 15.2 0.38:1 用水量
　　242Kg/m3
　　40.0 88.0 1.701 14.0  
　　排气管、灌浆管采用Φ20橡胶管埋设，灌浆孔堵塞段、声波孔均采用预缩砂浆回填，灌浆孔孔口采用堵漏王密封。
　　通气检查，灌浆孔和排气孔采用0.2Mpa风压进行试气检查。
　　灌浆材料为LPL和HK-G-2，灌浆设备为手摇泵，灌浆压力为0.3Mpa~0.4Mpa，灌浆结束标准以不吸浆为原则，在吸浆率小于0.01L/min，再继续灌注20分钟。
　　灌浆情况，①左侧面EL248.14m~EL251m、x+15.62m布置10个灌浆孔，孔与孔之间的串通性较好，纯灌时间为7:22(h:min)，共耗浆材LPL量为46.42Kg，纯灌量为45.77Kg。②EL251m层面布置孔深1.0m、孔径Φ60的灌浆孔10个，倾角45度；布置孔深3.3m、孔径Φ60的灌浆孔10个，倾角45度；布置裂缝检查孔2个，孔径Φ60，孔深分别为4.5m和5.0m；布置排气孔54个，孔径Φ20，孔深0.4m。灌浆孔与排气孔串通情况较好，54个排气孔中有39个与灌浆孔串通，纯灌时间为44:52(h:min)，共耗浆材HK-G-2量为698.92Kg，纯灌量为645.35Kg。具体灌浆成果统计见下表5-3。
　　表5-310#坝段EL251m层面化灌芯样试验成果表
　　检测部位 试验编号 抗压强度（MPa） 平均强度（MPa） 粘劈强度（MPa） 平均粘劈强度（MPa） 备注
　　L7裂缝 1 21.6 23.5 3.34 3.39 RccC15
　　C20
　　 2 25.3  3.40  
　　 3 23.7  3.42  
　　说明：灌浆材料分别为HK-G-2、HK-G-3低粘度环氧，施工配合比A:B=4:1、A:B=4:2。
　　试验依据：DL/T5111-2000、DL/T5150-2001报告日期：2007年4月6日
　　结论：L2（左侧面）裂缝和L7裂缝纯灌时间为52:14(h:min)，纯灌浆量为691.12Kg，排气孔返浆情况较好，灌浆后检查芯样可见裂缝被化学材料充填。经业主、设计及监理现场芯样分析确认灌浆效果较好，检查芯样抗压平均强度达23.5Mpa，平均粘劈强度达3.39Mpa，缝面胶结情况较好。经资料分析，芯样试验、裂缝处理符合要求，处理效果明显，达到了预期目的。灌浆检查结束后，现场沿裂缝铺设双向限裂钢筋Φ28＠200的1988.03Kg，Φ36＠200的3523.6Kg。
　　2）10#坝段X+35.23m、Y+26.05m~Y+31.55m、EL251m层面裂缝缝长6.93m，缝宽为0.1mm~0.3mm，根据A-H特征点布置了6个检查孔，孔径Φ42、孔深1.8m~4.2m，倾角50度，检查孔后期作为灌浆孔使用；布置了11个排气孔，孔径Φ20、孔深0.58m，倾角45度。排气管、灌浆管采用Φ20橡胶管埋设，灌浆孔堵塞段采用预缩砂浆回填，灌浆孔孔口采用堵漏王密封，灌浆前进行压风通气检查，检查方式为将孔冲洗干净后，采用0.2Mpa风压进行，灌浆采用LPL灌浆材料（质量比A:B=1.35:1），设备为手摇泵，控制压力在0.3Mpa~0.4Mpa，吸浆率小于0.01L/min，再继续灌注20分钟。
　　灌浆情况：布置的6个灌浆孔，孔与孔之间的串通性较好，纯灌时间为17:32(h:min)，共耗浆材LPL量为105.83Kg，纯灌量为103.95Kg。
　　灌浆成果分析及结论。
　　①从灌浆的灌入量来看，该裂缝已被化学灌浆材料充填。
　　②布置11个排气孔有8个孔口返浆，排气孔返浆率达72.7%，说明浆液扩散良好。该裂缝纯灌时间为17:32(h:min)，纯灌浆量为103.95Kg，排气孔返浆情况较好。
　　③灌浆检查结束后，现场沿裂缝中心铺设Φ28＠200、L=4.5的骑缝钢筋565.11Kg，Φ20＠200L=5.0m的分布钢筋284.05Kg。
　　图5-4X+35.23m、Y+26.05m~Y+31.55m裂缝产状及化学灌浆孔、检查孔、声波测试孔布置图
　　3）10#坝段x+59.18m~x+58.61m、Y+17.79m~Y+35.54m、EL247.9m层面裂缝缝长17.75m，该缝为Ⅳ类裂缝，布置A系列检查孔(深层灌浆孔)9个，孔径Φ60，孔深4.0m，倾角60度，布置B系列检查孔(浅层灌浆孔)9个，孔径Φ60，孔深2.0m，倾角45度；沿缝两侧布置排气孔18个，孔径Φ20，孔深0.6m，倾角60度，孔距80cm~100cm，排距40cm，两排孔错开100cm；裂缝产状、灌浆孔及排气孔布置情况见图5-5。
　　布置声波测试孔4个，孔径Φ76，单个孔深5.0m，从测试结果看，两组测孔的最小波速均在4540m/s以上，判断为表层裂缝。
　　图5-5X+59.18m~X+58.61m、Y+17.79m~Y+35.54m处裂缝产状、灌浆孔、排气孔布置图
　　对缝面凿槽7cm×5cm（宽×深），采用预缩砂浆嵌缝回填，灌浆孔和排气孔采用0.2Mpa风压进行检查。为保证灌浆效果深层灌浆孔堵塞段长在2m~2.5m，浅层灌浆孔堵塞段在0.8m~1.2m，灌浆孔堵塞段、声波孔及其他废孔均采用预缩砂浆回填，孔口采用堵漏王密封，灌浆材料为HK-G-2环氧材料，灌浆设备为手摇泵。控制压力在0.3Mpa~0.4Mpa，吸浆率小于0.01L/min，再继续灌注20分钟。
　　灌浆情况，布置A系列、B系列灌浆孔共计18个，孔与孔之间的串通性较好，纯灌时间为41:25(h:min)，共耗浆材量为645.22Kg，纯灌量为597.19Kg。
　　灌浆成果分析及结论：①从灌浆的灌入量来看，该裂缝已被化学灌浆材料充填。②布置18个排气孔有14个孔口返浆，排气孔返浆率达77.8%，说明浆液扩散良好。该裂缝纯灌时间为41:25(h:min)，纯灌浆量为597.19Kg，排气孔返浆情况较好。③布置骑缝检查孔1个，孔深2.8m，孔径Φ219，从芯样外观来看，浆液从孔口延伸止孔底，缝面全部被化学材料充填密实（裂缝芯样外观描述情况见表5-4），经资料分析，裂缝处理符合要求，处理效果明显，达到了预期目的。④灌浆检查结束后，现场沿裂缝中心铺设Φ32＠200L=4.5m的骑缝钢筋3128.09Kg，Φ20＠300L=17.2m的分布钢筋594.78Kg。
　　表5-410#坝段混凝土裂缝化学灌浆芯样描述记录表
　　回次 孔径(mm) 孔段高程 孔深（m） 进尺（m） 芯样总长（m） 获得率（％） 芯样描述
　　  起 止     表面光滑程度 表面致密程度 骨料分布均匀性
　　1 220 247.9 245.1 2.8 2.8 2.42 86 光滑 致密 均匀
　　孔口高程：EL247.9m孔口桩号：x+58.61m，Y+17.79m~Y+35.54m钻孔日期：2007年5月21日。
　　6未进行化学灌浆的裂缝处理
　　按照混凝土裂缝处理的原则，Ⅰ类裂缝一般凿槽嵌缝处理，Ⅱ类裂缝凿槽嵌缝+沿裂缝铺设骑缝钢筋（Φ28-Φ36，L=4.5m-6.0m）限裂处理。根据现场实际情况一般凿槽深度3cm~5cm，宽度6cm~8cm，冲洗干净后，用干净棉纱将水吸干，再采用预缩砂浆分层铺料夯实、逐层填补。
　　截止2007年8月10日，大坝混凝土Ⅰ类裂缝、Ⅱ类裂缝共计47条，现场进行“打止浆孔+铺设骑缝钢筋”处理的有29条，铺设的限裂钢筋用量达117t，凿槽嵌缝处理的有8条。
　　8结语
　　彭水水电站大坝工程裂缝处理通过采取试验仓、优化混凝土配合比、改进大坝闸墩冷却通水措施、各收仓层面以下20cm布置一层防裂钢筋网（主筋Ф25，次筋Ф14）、减少泵送料的使用，有效遏制了裂缝的产生。并对已有裂缝严格按照技术文件要求及程序处理，取得了较好的效果。试验结果证明大坝裂缝处理措施得力，效果显著。为其它水电站及相关混凝土工程裂缝处理提供了宝贵的经验。

《彭水水电站大坝裂缝处理技术及成果》

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