双河二级水电站混凝土坝裂缝处理设计

王晓丽

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

1 工程概况

白山市双河二级水电站位于吉林省白山市所辖临江市与抚松县境内，为跨市（县）区、跨流域、引水式梯级开发的第二级电站。由拦河坝、引水隧洞和发电厂房三部分组成。水库正常蓄水位为715.00 m，总库容为0.153×108m3，总装机容量为12 MW。

白山市双河二级水电站大坝由混凝土重力坝和粘土心墙土石坝组成，坝顶高程717.00 m，大坝全长为256.0m，其中混凝土重力坝长度为173.0 m，最大坝高为31 m，坝顶宽度为10 m，上游铅直，下游坡比为1∶0.66。混凝土坝共11个坝段，其中3～4号坝段为溢流坝段，上游坡比在694.00 m高程以上为3∶1，694.00 m高程以下铅直，下游坡比为1∶0.7，溢流坝堰顶高程为709.50 m，弧形闸门挡水，泄洪消能方式为挑流消能，挑流鼻坎高程为694.78 m。

2 混凝土坝现状分析

白山市双河二级水电站混凝土坝2003年建成，至2012年10月间始终未蓄水，坝体多处存有裂缝。2012年3月至5月间，先后对混凝土坝裂缝的分布情况包括裂缝的数量、分布与走向进行了调查，对坝体混凝土内部缺陷进行了检测，对混凝土芯样进行了室内试验。

2.1 裂缝情况

裂缝调查与检测结果显示：11个混凝土坝段表面现存裂缝539条，其中上游面400条，下游面139条。需要处理的裂缝共517条（上游面398条，下游面119），其中A类裂缝92条，B类裂缝129条，C类裂缝174条，D类裂缝122条。需处理裂缝总长度约为1851.75 m，其中A类裂缝约为136.13 m，B类裂缝约为 237.01 m，C类裂缝约为601.03 m，D类裂缝约为881.70 m。溢流坝闸墩上游侧共有3条相对细小裂缝裂缝，而两个边闸墩下游侧却各有1条贯穿裂缝。坝顶上游侧防浪墙共有30条贯穿性裂缝。

其中溢流坝段（3号坝段）堰体上游侧中部F3-1，F3-30，F3-46等3条裂缝沿坝顶与下游侧裂缝F3-52相接，深度不小于1 m，为上下游贯通缝。

2.2 混凝土钻芯检测试验情况

2012年3月，现场选取1～11号坝段代表性部位钻取芯样进行室内试验，包括芯样容重、抗压强度、静压弹性模量、抗冻、抗渗等性能试验。11个混凝土坝段现场取芯试验结果如下：①容重与抗压强度试验结果：芯样试件容重介于 2210～2450 kg/m3之间，平均容重为 2324 kg/m3；抗压强度介于18.5～40.2 MPa之间，平均强度为26.8 MPa，芯样试件的抗压强度均值不低于20.0 MPa。②弹性模量测试结果：1～11号坝段芯样试件的弹性模量介于（1.69～4.38）×104MPa之间，弹性模量平均值为2.73×104MPa，不同位置、不同孔深芯样试件间的弹性模量试验结果存在一定差异。③抗冻性能测试结果：芯样试件抗冻试验结果存在较大差异，最大冻融次数级最低为25次，最高为225次；深层芯样试件抗冻性能略高于表层芯样试件。④抗渗性能试验结果均满足W8的抗渗等级。

混凝土强度和抗渗性能满足设计要求，但坝体混凝土的抗冻指标不能满足现行规范要求。

3 混凝土坝裂缝处理必要性

通过计算可知，溢流坝和挡水坝的坝体裂缝不仅仅发生在冬季，甚至是秋季寒潮来临时，坝体表面拉应力也大面积超标，导致裂缝产生。可见温度应力是引起白山市双河二级水电站混凝土坝坝体裂缝生成和发展的主要原因。

坝体裂缝的存在，不仅改变了坝体的应力分布，出现应力集中，坝体蓄水情况下，容易导致渗水现象发生，尤其是水位较高时，裂隙水的劈裂作用有可能引起裂缝逐渐扩展，影响混凝土坝应力及稳定，冬季时，缝隙水结冰冻胀会使裂缝继续扩展等。可见，裂缝的存在，会加速坝体老化，钢筋锈蚀，降低混凝土坝耐久性，影响坝体应力和稳定等，严重威胁大坝安全，为保证双河大坝的运行安全，对白山市双河二级水电站混凝土坝裂缝进行处理是非常必要和紧迫的。

根据现行规范对裂缝的分类标准及处理原则，上游面需要处理的裂缝有398条，占上游面裂缝总数的99.5%，布满双河混凝土坝每个坝段的上游表面，接近坝顶部位裂缝较少；下游面需要处理的裂缝有118条，占下游面总裂缝总数的84.9%。因此，从裂缝分布情况看，混凝土坝上下游面均需进行裂缝处理。

另外，从坝体混凝土试验成果看，上下游面混凝土抗压、抗渗强度等级虽然满足设计要求，但其抗冻指标都不满足现行设计规范要求，所以上下游面都需要进行处理。

4 混凝土坝裂缝处理方案

4.1 上游面的处理方案设计

4.1.1 处理范围确定

在检测的539条裂缝中，上游面有400条，占坝面裂缝总数的74.2%，需要处理的裂缝有398条，占上游面裂缝总数的99.5%，布满双河混凝土坝每个坝段的上游表面，接近坝顶部位裂缝较少。

室内试验结果表明坝体混凝土的所有抗冻指标都不满足现行规范要求，同时由于冻融破坏，使得表面混凝土的容重、弹性模量质量差异较大，降低混凝土坝的使用寿命、影响混凝土坝防渗能力。

由于双河大坝建成后一直没有蓄水，上游面施工受环境影响不大，具备全坝面裂缝处理的施工条件。

开挖后置换新混凝土解决裂缝对坝体带来的不利影响，主要是用来提高坝体混凝土的强度等级，尤其是坝体混凝土的抗冻强度等级，因为现行规范对水上、水下混凝土的抗冻要求不同，水下混凝土满足F50即可，而东北严寒地区水上混凝土，特别是水位变化区的混凝土应满足F300的抗冻指标要求。尽管双河混凝土坝上游面混凝土的抗冻指标不满足现行规范的要求，但全面开挖处理的必要性不大，死水位以下混凝土经表面处理并蓄水后就不存在冻融问题，水上及水位变化区混凝土进行开挖置换是必要的，在提高混凝土抗冻强度等级的同时，解决了坝体混凝土的耐久性问题，提高了混凝土坝的使用寿命。

上部高程考虑到防浪墙和人行道建于混凝土坝上游侧1.5 m的悬挑板上，且接近坝顶部位裂缝分布较少，为保证坝顶结构的安全，挡水坝段悬挑板以下1.0 m范围内不进行开挖处理，即混凝土开挖顶高程不应超过715.40 m。因此，挡水坝段混凝土开挖顶高程定为715.40 m，河床部位开挖底高程为698.00 m，即死水位700.00 m以下2.0 m处；两岸坝段开挖底高程为地面以下1.5～2.0 m或建基面。对开挖范围以外的裂缝仍需根据规范要求采用其他方法进行处理，即上游面需要全坝面进行处理。

4.1.2 处理厚度确定

从裂缝深度检测结果看，在混凝土坝上游面400条裂缝中，坝体表面混凝土30 cm范围内共有裂缝235条，占坝体上游面面裂缝总数的58.8%；40 cm范围内共有裂缝309条，占坝体上游面裂缝总数的77.3%；50 cm范围内共有裂缝340条，占坝体上游面面裂缝总数的85.0%；深度超过50 cm的裂缝仅有60条。

从上游面混凝土在深度为65 cm范围钻孔所取芯样试验结果表明：坝面混凝土质量较差，坝体混凝土冻融的破坏程度非常严重。

考虑混凝土坝表面裂缝、坝体混凝土强度等多种因素，结合其它工程加固处理经验，确定混凝土开挖厚度60 cm，新浇筑的抗裂混凝土厚度为60 cm。

4.1.3 裂缝处理方案设计

从基础至698.00 m高程：该范围属于水下环境，对C类和D类裂缝化学灌浆后，采用手刮聚脲对坝面进行处理。

698.00～715.40 m高程：属于水位变化区，将坝面混凝土挖除60 cm后，对坝面存留的D类裂缝进行化学灌浆后，重新铺设钢筋网，打锚筋，喷混凝土界面粘结剂，再浇筑60 cm厚的抗裂混凝土。

715.40～716.40 m高程：该范围属于露天环境，在水库正常蓄水位以上，不是常挡水范围，与水下部分的处理方式相同，对C类和D类裂缝化学灌浆后，采用手刮聚脲对坝面进行处理。

坝面裂缝选用高分散性环氧类化学灌浆材料。 一般裂缝的化学灌浆钻孔采用水钻沿混凝土裂缝两侧钻跨缝斜孔，孔深为30～60 cm（根据裂缝宽度和深度调整）单侧孔间距60～80 cm，在混凝土表面沿裂缝采用结构胶封缝，封缝厚度5～8 mm，封缝宽度40 mm。对个别贯穿性坝体横缝需采用地质钻机钻孔，专门化灌处理。

开挖范围内新浇筑的混凝土采用抗裂混凝土，同时在混凝土中掺加网状聚丙烯纤维及高效外加剂等以提高坝面混凝土的限裂和抗渗能力；混凝土用锚筋挂钢筋网及混凝土界面粘结剂与坝体老混凝土牢固连接，以增加坝的整体性，由于老混凝土有新混凝土保护，提高了混凝土坝表面抗冻抗老化的能力。钢筋网采用直径16 mm的螺纹钢，纵向和水平向间距均为20 cm。锚筋采用直径22 mm的螺纹钢，其长度为L=3.0 m，间排距为1.5 m，梅花型布置，外露端部与钢筋网焊接牢固。锚筋的锚固长度为2.25 m。

双河二级水电站坝区冬季严寒，坝体混凝土抗冻要求很突出，裂缝处理混凝土应采用较高的抗冻标号，根据规范要求，新混凝土采用C25F300W6，二级配抗裂混凝土。

混凝土坝上游面手刮聚脲施工，化学灌浆完成后，将混凝土坝表面打磨3 mm，清洗干净，晾干后涂刷界面剂，待界面剂表干后直接刮涂手刮聚脲一遍。1 h内在裂缝部位15 cm范围内铺盖胎基布，再涂刷2～3遍手刮聚脲。一次刮涂厚度1 mm左右，保证裂缝部位聚脲厚度大于3 mm。

4.2 下游面的处理方案设计

双河混凝土坝下游面裂缝与上游面比相对较少，在检测的539条裂缝中下游面有139条，占坝面裂缝总数的25.8%。根据DL/T 5251-2010《水工混凝土建筑物缺陷检测和评估技术规程》中裂缝的分类标准及处理原则，需要处理的裂缝有118条，占下游面裂缝总数的84.9%。混凝土室内试验结果与上游面基本相同。

下游面裂缝分布相对较少，虽然混凝土强度和弹性模量不均，抗冻指标较低，但规范对混凝土坝下游面混凝土的强度等级要求也较低，因此，设计不考虑对下游坝面进行开挖处理。

挡水坝段下游面的处理措施是只对裂缝进行化学灌浆。考虑溢流面对混凝土的抗渗、抗冲磨要求较高，在溢流面化学灌浆完成后，对溢流坝表面进行手刮聚脲处理。

4.3 溢流坝闸墩的处理方案设计

溢流坝段两个边墩均在接近闸墩尾部的变坡点处各存在1条贯穿裂缝，裂缝自703 m高程开裂向闸墩下部延伸，左边墩裂缝与竖直面成45°左右的夹角，右边墩裂缝接近铅直，裂缝长度约6.5 m。

对溢流坝闸墩裂缝的处理方法仍是化学灌浆，化学灌浆材料和封缝材料与混凝土坝上游面相同。因边墩裂缝为贯穿性裂缝，且边墩厚度为1.75 m，为保证化学灌浆质量，应对闸墩左右两侧裂缝同时封缝、同时灌浆，每侧孔深为50～60 cm，单侧孔间距60～80 cm，在混凝土表面沿裂缝采用结构胶封缝，封缝厚度5～8 mm，封缝宽度40 mm。

化学灌浆完成后，沿裂缝18 cm宽度范围内将闸墩混凝土打磨3 mm，清洗干净，晾干后涂刷BE14界面剂，待界面剂表干后直接刮涂手刮聚脲一遍。1 h内在裂缝部位15 cm范围内铺盖胎基布，再涂刷2～3遍手刮聚脲。一次刮涂厚度1 mm左右，保证裂缝部位聚脲厚度大于3 mm。

5 结语

当混凝土坝表面存在少数裂缝时，化学灌浆是最常用的方法之一，也是最有效的裂缝处理措施，但是，当混凝土坝表面存在大面积的深层裂缝时，开挖后置换抗裂混凝土，既提高了坝体混凝土的强度等级，也提高了混凝土的耐久性，从而彻底解决坝体混凝土的抗裂、抗冻问题。