水口水电站溢流面裂缝检测及分析

王绍斯，陈泽钦，刘 枨

(1.福建亿力集团有限公司， 福建 福州 350001；2.国网福建省电力有限公司电力科学研究院， 福建 福州 350007；3.福建水口发电集团有限公司， 福建 福州 350001)

水口水电站位于福建省闽江干流上，枢纽工程包括挡水坝、发电厂房、溢流坝、通航建筑物等，电站装机容量1 400 MW，坝型为混凝土重力坝，最大坝高101 m。大坝一共分为42个坝段。其中，23#至35#坝段为泄水坝段，溢洪道消能形式为挑流消能，挑流鼻坎为连续式鼻坎，总长243 m，共设12孔溢洪道，堰顶高程43 m，单孔宽度15 m，采用沥青井、橡胶、止水铜片等防渗型式。大坝溢洪道为分期分层浇捣，存在层面缝，运行期由于多种原因又形成了不规则裂缝，且在层面缝和裂缝间出现不同程度的渗漏，对溢洪道运行产生一定的影响。

本文简要介绍大坝溢流面历次检查和修补情况、裂缝扩展情况和修补效果，通过此次定期的现场裂缝调查，详细了解挑流鼻坎表面裂缝性状(长度、宽度、走向等)。选取较宽较长裂缝，采用钻孔超声波对测法[1]进行深度检测，对挑流鼻坎进行混凝土强度、碳化和钢筋锈蚀检测以及耐久性进行评价，为挑流鼻坎的下一步加固补强提供技术支持。

1 大坝溢流面裂缝历次调查情况

1996年至1997年，水口电建公司对挑流鼻坎表面2#—12#孔范围内的挑流鼻坎表面结构缝、层面缝、裂缝，采用HK-G型低黏度、高强度环氧树脂及水溶性聚氨酯LW、HW化学灌浆方式进行防渗处理，共计修补结构缝86.5 m，层面缝422.3 m，裂缝650.8 m。

2000年1月水口水电厂对溢洪道1#—6#孔挑流鼻坎表面反弧段混凝土表面进行防护处理，采用HK-96系列增厚环氧涂料。挑流鼻坎表面裂缝、施工缝处理采用骑缝凿“V”型槽，力顿快干水泥封缝，用拔管法制作小空腔，在表面涂刷HK-96系列增厚环氧，最后采用HK-G-2型低粘度环氧灌浆方式，共计893.4 m，表面防护处理3 940 m2。2000年11月对溢洪道7#—12#孔挑流鼻坎表面反弧段混凝土表面进行防护处理，挑流鼻坎表面裂缝、施工缝采取相同施工工艺处理342.3 m，表面防护处理3 940 m2。

通过历次的大坝溢流面裂缝调查分析及处理结果，水口大坝能够平稳安全泄洪，保证坝体的安全。在水口大坝第二轮定期检查中，发现溢流表孔直线段及反弧段均有两道纵向裂缝，为了较为全面分析判断当前溢流坝段的裂缝发展状况，对水口电站挑流鼻坎补强加固工作更加有针对性，能够较好地处理当前所存在的裂缝病害，文中按以下几方面开展裂缝检测。

2 溢流面混凝土裂缝检测及分析

2.1 裂缝特征检测

裂缝特征检测使用的设备有强光灯、卷尺、读数显微镜、DJCK-2型裂缝测宽仪、RS-ST01C智能型声波检测仪、40 kHz高频平面换能器、数码相机等。裂缝特征检测分为以下三部分内容：

(1) 裂缝长度测量。借助设备细致检查大坝挑流鼻坎表面裂缝，并对裂缝进行编号，用数码相机拍照，用卷尺测定裂缝的起、止位置，量测裂缝长度。并绘制在展示图上，统计裂缝的长度。

(2) 裂缝宽度检测。在每条裂缝上布置2～3个测点进行量测(较长裂缝布置4～6个测点)，取每条裂缝的平均宽度作为该裂缝的宽度。

(3) 裂缝深度检测。根据裂缝调查情况，抽取4个坝段(分别为25#、26#、31#、33#坝段)中的12条典型裂缝采用钻孔超声波对测法进行深度检测。

方便统计，大坝溢流坝段下游侧溢流面统一按照坝段来划分，由北向南依次为23#—35#坝段，其中部分典型坝段溢流面裂缝示意图，如图1所示。规定与坝轴线方向平行的裂缝为纵向裂缝，横向裂缝为与坝轴线垂直方向。基于溢流坝面裂缝表面长期受水流冲刷、气蚀，采用光学仪器所测得裂缝表面宽度不能真实反应裂缝实际宽度，现场采用塞规对裂缝测量宽度，测量前选择裂缝较完整段，剔除表面防护层并将裂缝吹洗干净进行测量，现场已经修补过的裂缝按表面是否重新开裂划分为未开展或重新开展两类。

通过对裂缝进行调查，溢流面斜直段和挑流鼻坎反弧段的13个坝段混凝土共发现裂缝423条，其中纵向裂缝211条，横向裂缝125条，斜向裂缝87条，裂缝总长度2 495.5 m；其中裂缝宽度小于0.2 mm的有304条，缝宽在0.2 mm～0.3 mm的裂缝87条，缝宽在0.3 mm～0.5 mm的裂缝32条，未测得缝宽大于0.5 mm的裂缝。

按文献[2]规定，对水工混凝土裂缝根据其宽度和深度分为A类、B类、C类，由于大多数裂缝无法进行深度检测，本次只对部分测试深度的裂缝进行裂缝归类，详见表1。

图1 部分典型坝段溢流面裂缝示意图

溢流坝下游挑流鼻坎外立面检测共发现9处渗水，渗水位置为分层施工时的施工缝处，渗水沿层面缝线状分布，并且伴随明显析钙，其中，坝段分缝对应的位置渗水量更大。溢流坝下游外立面裂缝54条，长度总计508.8 m，其中析钙长度总计188.5 m。

通过统计分析，裂缝走向性状：纵向缝约占总裂缝数量1/2；横向缝和不规则斜缝约占1/2，且横向缝多于不规则斜缝；斜直段上多为纵向缝且多连通整个坝段，反弧段的裂缝主要以纵向裂缝为主(宽度较大)，与不规则的斜向缝和横向裂缝组成网裂，大部分裂缝位于溢流面的斜直段末尾至反弧段边缘一带。裂缝内部走向大致分为三种情况：(1) 位于溢流面斜直段上的纵缝，内部走向为向上游侧延伸；(2) 位于反弧段上的纵缝，内部走向为向下游侧延伸；(3) 横缝和斜缝走向不规则，以竖直向下为主，徘徊向下发育。

2.2 专项检测及评价

2.2.1 钢筋锈蚀电位检测

钢筋锈蚀状况用钢筋锈蚀测定仪检测，采用半电池电位法对钢筋锈蚀情况进行测量。本次对12个溢洪道挑流鼻坎均进行了钢筋锈蚀电位检测，共计12个测区，并分别对2#孔、3#孔和9#孔进行了凿开观察，凿出钢筋直接测定钢筋的剩余直径，测区布置见图2。根据检测结果，按文献[2]的评判标准判断混凝土中钢筋锈蚀的概率或钢筋正在发生锈蚀的活动性详细成果见表2。

图2 钢筋锈蚀位置及现状

1#—12#孔处钢筋的锈蚀电位检测结果表明，各测区钢筋锈蚀情况均属于A类锈蚀，即轻度锈蚀(混凝土完好，但钢筋局部存在锈蚀)。通过对2#溢流孔、3#溢流孔和9#溢流孔混凝土凿除观察，发现以上3个孔内钢筋表面存在轻微锈迹，但均未出现顺筋开裂剥落。

2.2.2 混凝土强度检测

混凝土强度检测采用回弹法[3]。测区均匀分布，相邻两测点的间距为20 cm，测区避开钢筋密集区和预埋件，测试时选择构件表面平整、干燥，没有接缝并避开蜂窝、麻面部位，必要时采用砂轮将对表面磨平，并进行清洁。每个溢洪道各取2个断面进行强度检测，共计24组，测区断面分别位于溢洪道斜直段中间位置和反弧段，混凝土强度采用碳化回弹综合法。由现场测试数据可知，实测溢流面混凝土强度推定值为46.8 MPa～60 MPa，大于C40的设计强度，满足要求。

2.2.3 混凝土碳化状况检测

构件的碳化深度测量时每个被测构件选取3个测点，每个测点在不同位置量测3个测值，测试时用冲击钻在测区表面钻开直径为15 mm的孔洞，其深度应大于混凝土的碳化深度，清除洞中的粉末和碎屑后，立即用1%的酚酞酒精溶液滴在孔洞内壁的边缘处，碳化部分的混凝土不变颜色，而未碳化部分的混凝土会变成紫红色，然后用碳化深度测量仪测量已碳化与未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距离，每次读数应精确至0.25 mm，取3次测量的平均值作为检测结果，并精确至0.5 mm。

根据检测目的，碳化检测对应回弹测区布置，每个溢流孔布置2个断面，共计24个测区，检测结果显示，溢流面混凝土和闸墩导墙混凝土碳化深度接近，均在1.5 mm范围以内，属于A类碳化[2]。这与溢流面混凝土密实性好并做过表面防护的实际情况相符。

3 裂缝产生的原因

根据水口电站溢流坝段裂缝特征检测结果和专项检测结果，存在于溢流面及挑流鼻坎的裂缝大致可以分为三类，第一类为斜直段的纵向贯通裂缝(以浅表裂缝为主)；第二类为反弧段的两条通长贯通裂缝(深层裂缝)；第三类为大量的无规律浅表裂缝。结合设计、施工资料和裂缝的分布位置及性状分析，以上三类裂缝产生的原因主要如下：

(1) 位于斜直段的裂缝主要与结构的受力有关，该段结构混凝土施工时采用了分台阶浇筑法，台阶的设置尺寸偏大，所以台阶的尖角影响突出，浇筑块体性差，相应地在台阶的尖角处产生了纵向的贯穿裂缝，其裂缝的规律性比较明显。

(2) 反弧段存在两条大的通长贯通纵缝(已经过注浆处理)，以这两条裂缝为主线，周边分布大量的细小裂缝，反弧段位置混凝土受温度影响较为敏感，该位置裂缝主要与温控措施不力有关，同时反弧段下游侧的通长贯通纵缝与26 m高程处台阶尖角正好对应，深度基本贯穿，所以其开裂受尖角的影响突出。

(3) 其余存在于溢流面上的裂缝，其分布规律性较差，宽度和和深度相对较小，除了受施工质量的影响外，混凝土本身的干缩和温度也是造成该类裂缝产生的重要因素。

4 裂缝危害及处理措施

溢流坝段存在较多裂缝，裂缝的过多或过宽，不仅会影响建筑的外观，也会影响坝体的安全，已有工程中采用了大坝混凝土裂缝监测系统实时监测[4]。

溢流面的混凝土产生裂缝后，溢流面结构的受力钢筋承担拉应力，若配筋率足够大，则浅层裂缝对整个结构的影响不太大；当混凝土裂缝过宽过深时，就要考虑其破坏作用，本次检测中发现存在一部分深度较深的裂缝，如果这些裂缝不及时处理，混凝土内的钢筋长期暴露在空气中，干湿交替会加速锈蚀，混凝土碳化等不利影响，降低结构安全度直至遭到破坏。

反弧段14#—31#裂缝基本与26 m高程处台阶贯穿，使裂缝与浇筑时留下的层面缝形成了渗水通道，长期的渗水并伴有析出物，会导致层面缝周围混凝土疏松，渗水通道也相应地会增大，削弱两层混凝土之间的粘结，加之挑流鼻坎表面本身裂缝纵横交错，不可避免的要分割出一些契形块体，这类病害发展到一定程度，会增加契形块体会被高速水流冲走的风险。因此，工程中应当尽量减少产生混凝土裂缝，预防或避免贯穿性、贯通性裂缝的发生，对于已形成的混凝土裂缝应当采取相应的措施。参考文献[5-6]，结合本工程的实际情况，本文建议如下：

(1) 对于溢流面浅层裂缝，建议对裂缝冲刷破损部分做燕尾槽处理。

(2) 对位于斜直段与反弧段比较大的裂缝，进行注浆处理，阻断其渗水通道，防止钢筋发生锈蚀破坏。

(3) 为防止细小裂缝的进一步扩展、延伸，导致结构物受力条件恶化，对A、B类裂缝进行表面封闭处理。

(4) 对已发现的混凝土裂缝应当加强日常的跟踪观测，建立跟踪观测资料。对宽度大于0.3 mm的裂缝观察其裂缝是否出现扩展、延伸的情况，注浆处理后是否出现再次开裂的情况，同时注意观察挑流鼻坎外立面渗漏的变化，以此做为鼻坎结构稳定性判断的重要依据。

(5) 挑流鼻坎的加固补强处理需制定详细的加固设计方案，请有资质的专业队伍进行施工，确保施工质量。

5 结 语

以上是对水口电站溢流坝段裂缝进行了统计和分析的结果，通过钢筋锈蚀、混凝土强度和碳化状况等专项检测结果表明，各项指标基本符合工程要求。混凝土裂缝的产生不仅影响建筑的外观，还可能引发其他不安全因素。在平时工作中，应当做好大坝检测工作，加强日常跟踪工作，重视坝体裂缝监测，采取合理有效的措施。