三湾水利枢纽工程混凝土裂缝研究

舒 铁，李国栋，曹 刚

（辽宁省水利水电勘测设计研究院,辽宁 沈阳 110006）

1 混凝土裂缝

三湾水利枢纽工程位于辽宁省丹东市爱河干流下游，主要以承担丹东市城市供水为主，兼顾发电。三湾水利枢纽工程规模为大（2）型，水库总库容1.54亿m3，主要包括挡水坝段、取水坝段、泄洪闸、电站厂房和取水泵站等建筑物。工程于2009年初开工建设，预计2012年底竣工。

2009年汛期后，发现泄洪闸和挡水坝段出现混凝土裂缝。每孔泄洪闸、坝段由下部溢流堰和上部闸墩组成，溢流堰为开敞式平顶堰，上、下游方向长30.5 m，平行坝轴线方向宽18.6 m，溢流堰体最小厚度为2.8 m，已浇筑混凝土厚度2.0 m。每个挡水坝段平行坝轴线方向长16.0 m，上、下游方向底宽约15.0 m，最大坝高约25.0 m，已浇筑混凝土厚度10.0 m。其中13号、14号泄洪闸、坝段溢流堰体浇筑层水平面中部出现垂直坝轴线方向的贯穿性裂缝，缝长约30.5 m，缝深约1.0 m，缝宽小于1.0 mm。15～20号泄洪闸、坝段堰体距上游面约10.0 m处，浇筑层水平面各出现一条平行坝轴线方向的局部表面裂缝，裂缝长度约9.0 m，缝深约0.1 m，缝宽小于1.0 mm。28～30号挡水坝段各出现1～2条竖向、垂直坝轴线方向裂缝，裂缝均位于坝段上游面，缝长约4.0 m，缝深为1.0 m，缝宽小于1.0 mm。

2 裂缝成因分析

混凝土裂缝成因复杂，多种因素相互影响，对工程裂缝，从混凝土原材料、仓面浇筑质量、地基条件和温度应力等方面进行了分析。

1）原材料及施工质量。采用PO42.5级普通硅酸盐水泥，未掺加粉煤灰和抗裂剂，导致混凝土内部水化热温升过高。混凝土浇筑过程中以振捣代平仓，漏振；分段浇筑时，接头部位漏振；混凝土表面局部存在蜂窝、麻面，裂缝部位混凝土芯样存在骨料分离、胶结不良、气泡等，影响了混凝土质量，增加了混凝土开裂的可能性。

2）地基条件。13号、14号泄洪闸、坝段地基处于强风化囊区，强风化岩软化后易引起坝基不均匀变形。基础高低起伏很大及岩石有尖角，易引起应力集中。坝基开挖后，浅表层岩体可能出现卸荷松弛现象，建基面附近的不均匀残余变形对混凝土浇筑层产生顶托作用，混凝土开裂与卸荷松弛变形有一定关系。坝段基础进行了加密、加深固结灌浆处理，固结灌浆浆液对浅表基岩中水平裂隙产生压力充填作用，相对抬升岩面，沿片岩条带产生垂直向上的不均匀顶托力，在混凝土表面产生附加拉应力，固结灌浆是混凝土裂缝产生的诱发因素。其它坝段建基面以弱风化花岗岩为主，地基条件较好，裂缝多为局部表面裂缝，所以13号、14号泄洪闸、坝段的贯穿性裂缝和不良地基条件有很大关系。

3）温度作用。混凝土的温度变化，引起混凝土体积变形，如变形受到地基或内部约束便产生温度应力。当温度应力为拉应力并超过混凝土的抗拉强度时，就产生裂缝。浇筑层内部的温度应力主要受水化热温升控制，表面温度应力主要受内外温差控制，当表面被上层混凝土覆盖后，受之影响，拉应力迅速降低，并转化为压应力。

该工程出现裂缝的坝段浇筑时间在春、夏季，白天气温较高、昼夜温差大，施工过程中未采取有效措施降低浇筑温度、减少混凝土水化热温升，混凝土内部温度过高。浇筑后拆模时间过早，混凝土表面未进行保护，汛期停工没有继续向上浇筑新混凝土。泄洪闸溢流堰体初期浇筑层厚度为2 m，薄层混凝土受基岩约束也较大。所以由内外温差和基础温差共同作用引起的温度拉应力，是导致混凝土裂缝的主要原因。

3 裂缝处理方案

贯穿性裂缝破坏结构的整体性和稳定性，造成漏水和渗透侵蚀破坏，危害性严重。上游坝面表面裂缝也会加剧渗漏，处于基础或老混凝土约束范围内的表面裂缝，在内部混凝土降温过程中，可能发展为贯穿性裂缝。处理裂缝的方法，应根据裂缝深度、部位、将来的受力条件及当时的施工条件来选定，本工程采用如下裂缝处理方案：

1）表面裂缝。对于15～20号泄洪闸、坝段溢流堰体的平行坝轴线方向裂缝，延裂缝方向凿断面为上宽下窄的梯形槽，上口宽10 cm，底部应有一定的宽度，避免出现新的应力集中点，槽深不小于缝深，缝上扣直径20 cm半圆钢管。在裂缝上方铺设两层限裂钢筋网，下层钢筋距混凝土面15 cm，层间距20 cm，主筋为Ф25的钢筋，水平间距15 cm，垂直裂缝布置，钢筋长度4.0 m（以裂缝为中心，缝两侧各2.0 m）；分布筋为Ф14的钢筋，间距20 cm，钢筋网需超过裂缝端部（裂缝发展方向一端）1.5 m。

对于28～30号挡水坝段垂直坝轴线方向的顶面裂缝（坝体上游面劈头缝），不凿槽扣管，直接在裂缝上方铺设两层限裂钢筋网。对于其它上游表面裂缝处理方法，首先作表面清理，用高压水枪进行冲洗；然后用水充分浸透基层混凝土，不得用酸洗；最后涂刷防水材料，裂缝两侧各0.25 m、缝两端各延伸0.5 m的范围，涂刷HK-962增厚环氧涂料。

2）贯穿性裂缝。对于13号、14号泄洪闸、坝段溢流堰体的垂直坝轴线方向裂缝，采用化学灌浆处理。灌浆材料选用水溶性聚氨脂（LW，HW两种），该材料具有良好的亲水性，遇水能均匀地分散乳化，进而凝胶固化。LW固结体为水胀性的弹性体，适应变形能力强、可遇水膨胀，具有弹性止水和以水止水双重功能；HW浆液可灌性好、强度高、对潮湿面的粘结力强；补强加固以HW为主，防水堵漏以LW为主。考虑到凝胶的固结体需具有一定的自胀性和强度，采用浆液重量配比为LW∶HW=4∶1。

化学灌浆采用斜向钻孔方法，钻孔间距为40～100 cm，具体尺寸可视现场实际渗漏情况调整。使用电锤等钻孔工具沿裂缝两侧进行钻孔，钻头直径为14 mm，孔位距裂缝13～15 cm，钻孔角度在450～600之间，钻孔穿透裂缝，一般超过10～20 cm。钻孔完成后采用0.2 MPa高压水清理表面裂缝，完毕将冲洗枪头与灌浆嘴连好，采用高压水灌注，孔内达到饱和状态。进行化学灌浆时，浆液温度的确定应有利于延长其凝结时间、降低浆液粘度，并不得高于20℃。灌浆压力对缝宽大于0.5 mm的较宽裂缝，采用0.5 MPa，缝宽小于0.5 mm细裂缝，宜采用较大压力高压灌浆（压力不大于1.0 MPa）。灌浆压力应逐级升级至设计压力值。灌浆顺序按“由里及表，自下而上，由一端至另一端”的原则有序进行，以单孔或多孔并灌的进浆方式进行，灌浆结束标准为孔内不吸浆后结束。化学灌浆结束7 d后，采用压水试验的方法进行灌浆质量检查，压水检查压力0.2 MPa，合格标准为透水率不大于0.01 L/（min·m·m）。化学灌浆应在固结及帷幕灌浆完成后进行，化学灌浆完成后仍延裂缝铺设两层限裂钢筋网。

4 裂缝预防措施

今后施工期间，为防止和减少混凝土裂缝的发生，需从结构设计、原材料选用和施工温度控制等方面采取措施。

1）结构方面。泄洪闸、坝段溢流堰下游侧堰体厚度较薄，而堰体长度较大，承受外部荷载、基础约束和温度作用等，是裂缝易发生部位。为限制堰面混凝土裂缝，在下游侧堰面垂直坝轴线方向布置3层限裂钢筋，主筋为Ф25的钢筋，钢筋长度12 m，水平间距15 cm，层间距30 cm，分布筋为Ф20的钢筋，间距可适当放宽。另外，在堰体中间部位预留1.5 m宽槽，上下游侧的混凝土分别进行浇筑，待两侧混凝土温度稳定后，再采用微膨胀混凝土进行回填，同时将两侧预留的钢筋焊接在一起。

2）材料方面。合理选择原材料，优化混凝土配合比，可使混凝土具有较高的抗裂能力。

①泄洪闸、堰体选用水化热较低的PHM42.5级中热硅酸盐水泥，降低混凝土的水化热温升。

②混凝土配合比采用三级配，最大骨料粒径为80 mm，可有效降低混凝土的绝热温升。

③掺加粉煤灰可以降低水泥用量，从而有效降低水化热的峰值温度，推迟水化热温峰的出现时间。

④掺用抗裂（膨胀）剂不仅能补偿混凝土的收缩，而且能降低10%～15%左右的水化热，更重要的是能降低混凝土的综合温差，使混凝土内部温度与环境温度控制在25℃以内，避免混凝土由于温差过大而产生裂缝。泄洪闸、堰体混凝土中添加具有后期膨胀补偿作用的抗裂剂，具体掺量经配合比试验后择优确定，收缩混凝土技术指标要求：水中14 d限制膨胀率不小于1.5×10-4；空气中28 d限制干缩率不大于3.0×10-4。

3）温控方面。施工过程中合理进行温度控制，可有效减少由温度作用产生的混凝土裂缝。

①坝体约束区及上部混凝土的最高允许浇筑温度。泄洪闸、坝段基础允许温差取为23～26℃，基础区的稳定温度取为坝址区多年平均气温8℃，最高允许浇筑温度为基础温差和该部位稳定温度之和，即最高允许温度为31～34℃。

②上下层温差：根据规范的建议及其它工程经验，结合该工程的具体情况，确定上下层温差不得大于17℃。

③越冬混凝土表面保温。内外温差是引起混凝土表面裂缝的主要原因，必须对越冬混凝土进行表面保温防护。保温材料选用聚苯乙烯泡沫塑料板，材料厚度按照《混凝土重力坝设计规范》附录F.3公式计算，约为50 mm。根据计算结果看，所需保温材料较薄，但根据辽宁省已建的几座混凝土坝的施工经验看，按照计算结果所采用的保温材料厚度不能完全满足抗裂要求，所以，为确保大坝的越冬安全，参照其他工程经验，保温材料厚度取为100 mm。

④浇注层厚及层间间歇。在基础约束区部位泄洪闸、坝段控制浇筑层厚不超过1.5 m，其它部位不超过2.0 m，夏季泄洪闸、坝段应不超过1.0 m，其它部位不超过1.5 m；层间间歇控制在7 d以上，约束区以上部位可适当放宽。

⑤相邻坝块的高差及浇筑间隔。施工过程中各坝块应均匀上升，相邻坝块的高差不宜超过10 m，以减少混凝土侧面暴露时间，相邻坝块浇筑时间的间隔宜小于30 d。

⑥降低混凝土的浇筑温度，坝体内埋设冷却水管通水冷却，在新浇混凝土达到终凝后，对整个仓面进行薄层流水养生。

［1］中华人民共和国水利部，SL319-2005混凝土重力坝设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2005.

［2］朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京：中国电力出版社，1999.

［3］向弘.小湾拱坝浇筑初期裂缝分析［C］.昆明：水电国际研讨会论文集，2006.

［4］张玉美.对闸墩裂缝原因及修补防裂措施的探讨［J］.水利水电技术，1989.