某碾压混凝土重力坝坝体裂缝处理研究

2021-12-14丁建新

水力发电 2021年9期

张雄，周华，丁建新

(1.水电水利规划设计总院，北京 100120；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010)

0 引言

某碾压混凝土重力坝最大坝高159 m，2014年10月下闸蓄水。蓄水后，2014年12月在11号、14号坝段基础廊道发现裂缝并有少量渗水；2015年4月发现16号坝段廊道裂缝缝面和排水孔突然有大量渗水；2017年4月发现14号坝段1 005.0～1 063.0 m高程各层廊道出现大量渗水，呈有压喷射状，且下游坝面裂缝也出现渗水。在对裂缝进行钻孔探测、水下机器人检查、灌浆处理、分析评价等工作基础上，经过两期处理，坝体裂缝渗水量由处理前的700 m3/h，减少到目前基本无渗水。如何评价该坝段的安全，处理措施是否合适，裂缝处理后是否再次张开尤为关键。只有正确认识裂缝产生的原因，采取针对性的措施，才能长治久安。

国内外学者对这类问题进行了长期的研究与追踪[1-5]，工程案例表明，对于气温骤降频繁或者环境恶劣的区域浇筑混凝土易产生裂缝，而这些裂缝在水库蓄水后往往又易发展成劈头缝，从上游向下游拓展进一步发展为深层长大裂缝直至贯穿全坝段，产生大量的渗水，危害工程安全。加拿大的雷威尔斯托克重力坝[1]是非常典型的案例，该坝最大坝高175 m，虽采取了预冷骨料、通水冷却、贴保温板等温控措施，冬季气温低类似于我国东北采取停工措施，经历3个冬季，拆除保温层后在层面上发现不少裂缝，蓄水前对裂缝作了防渗处理，蓄水后裂缝不断拓展，坝内渗漏量达174 L/s。一些工程案例显示，即使施工期温控措施得当，一些隐微裂缝在库水冷击的作用下可能持续发展。美国的德沃歇克重力坝，最大坝高219 m，施工过程中采取了严格的温控措施，施工期间未发生严重的结构缝，运行数年后，在9个坝段出现了劈头缝，渗漏量达483 L/s。可见当外界环境恶劣，不利于混凝土温控，易产生劈头缝，而且劈头缝的发展还带有时间性，运行数年往往还会再度发展，这些问题值得深入研究并长期关注。

该碾压混凝土坝在蓄水后发现渗水，采用水下遥控潜器(ROV)携带高清摄像头、水深计、红色示踪剂等进行水下视频、图像检查等先进手段查清裂缝分布状况，在处理这些问题过程中，积累了丰富的经验，有必要对其进行全面地回顾与总结，并对有关问题进行深入讨论，以更好地指导实践。

1 裂缝基本情况

1.1 裂缝出现的时间

2014年12月8日，该碾压混凝土重力坝左岸大坝11号坝段1 025.0 m高程上游帷幕灌浆廊道、1 022.0 m高程主排水廊道，14号坝段1 005.0 m高程上游帷幕灌浆廊道内出现裂缝、少量渗水；2015年4月24日，16号坝段上游1 005.0 m高程廊道、1 021.5 m高程廊道、1 063.0 m高程廊道裂缝缝面和排水孔突然有大量渗水，总渗水量约370 m3/h。2017年4月1日，14号坝段1 005.0～1 063.0 m高程区间各层廊道均突然出现不同程度的渗水增大，裂缝渗水呈有压线状，各层廊道总渗水量约700 m3/h，裂缝发展明显。

2017年5月～6月，采用水下无人潜航器(ROV)对2号～34号坝段上游坝面裂缝及结构缝、诱导缝进行了检查。经钻孔探测和无人潜航器水下检查，结果表明，左岸11号、14号、16号坝段上游面裂缝为基本竖直的劈头缝。图1为11号～17号坝段立面布置。图2为11号～17号坝段平面布置。

图1 11号～17号坝段立面布置(单位：m)

图2 11号～17号坝段平面布置

1.2 11号坝段裂缝分布情况

11号坝段上游坝面可见裂缝顶端至1 053.0 m高程，底端至1 038.6.0 m高程，以下因泥沙淤积阻挡未能定位，可见裂缝长度大于14 m。坝段裂缝在1 045.0 m高程以下垂直，1 045.0 m高程以上略向右岸倾斜。上游坝面裂缝缝面和缝周边有红色泥沙填充或附着，缝宽约1～1.5 mm。

坝基1 025.0 m高程上游帷幕灌浆廊道内裂缝呈环状分布，距10号、11号坝段横缝约5.15 m，廊道底板上的裂缝穿过帷幕灌浆孔、缝宽约0.1～0.5 mm。坝基1 022.0 m高程主排水廊道内裂缝呈环状分布，距10号、11号坝段横缝约5.5 m，缝宽0.2～0.6 mm。

2015年3月～4月在坝内对裂缝进行了钻孔探测，2017年5月对上游坝面进行水下机器人探缝和坝内钻孔探测。第1次探测结果表明，裂缝延展范围主要分布在第一排水廊道下游侧附近以前、1 053.0 m高程以下的坝踵范围内；第2次探测裂缝范围相对第1次变大，向顶部、向下游继续发展。

1.3 14号坝段裂缝分布情况

14号坝段裂缝从上游面贯通至下游面。各部位出露情况具体为

(1)上游坝面裂缝顶端至1 082.7 m高程。与14号和15号坝段结构缝的距离约0.5 m，底端至高程1 031.7 m(淤积层顶面)，与14号和15号坝段结构缝的距离约6.7 m，裂缝长度大于51 m。裂缝缝宽从下至上逐步减小，1 031.7～1 056.0 m高程范围裂缝宽度为2～4 mm，裂缝顶端缝宽小于1 mm。上游坝面裂缝倾向多次变化，近似垂直略倾向右岸。

(2)1 005.0～1 002.0 m高程基础廊道。上游1 005.0 m高程帷幕灌浆廊道裂缝呈环向开裂，裂缝

上、下游距14号、15号坝段横缝分别约8.5、8.9 m，缝宽约0.6～1 mm。1 002.0 m高程的1号、2号、3号纵向排水廊道裂缝呈环向开裂，出露位置上、下游距14号、15号坝段横缝分别约为14.8 m和16.3 m、24.2 m和24.5 m、24.6 m和24.6 m，缝宽约0.1～0.5 mm。下游帷幕灌浆廊道(1 003.0 m高程)裂缝呈环向开裂(廊道底板未发现裂缝)，距离14号、15号坝段横缝均约13.25 m，缝宽约0.1 mm。

(3)1 021.5 m高程廊道。该廊道裂缝沿廊道呈环向开裂(包括廊道底板)，上、下游距14号、15号坝段横缝分别约为7.4、7.9 m，缝宽约2.5～3.2 mm。图3为14号坝段1 021.5 m高程廊道裂缝漏水情况。

图3 14号坝段1 021.5 m高程廊道裂缝漏水情况

(4)1 063.0 m高程廊道裂缝沿廊道呈环向开裂(包括廊道底板)，上、下游距14号、15号坝段横缝分别约为6.2、6.85 m。上游缝宽约4～5 mm、下游缝宽约2～3 mm。

(5)坝下游面出露的裂缝主要有3条，顶高程1 098 m，底部高程1 041.7 m，缝宽约0.4～0.6 mm，其中右侧1条与14号、15号坝段横缝面连通。

1.4 16号坝段裂缝分布情况

(1)上游坝面主裂缝稍倾向左岸发育，裂缝倾向、倾角多次变化，裂缝顶高程1 076.0 m，距15号和16号坝段结构缝约8.3 m，底高程1 032.3 m(淤积层顶面)，距15号和16号坝段结构缝约6.8 m，裂缝长度大于43 m。1 075.0 m高程以上缝宽逐渐减小，至1 076.0 m高程处消失；1 075.0～1 066.0 m高程范围内，缝宽为1～1.5 mm；1 049.3 m高程局部见化灌材料挂于坝面，缝宽约为3 mm；其余区段因缝面见化灌材料附着难以判断缝宽。

(2)从坝内钻孔可知，裂缝主要分布在坝踵1/3范围，1 000.0～1 075.0 m高程之间。

(3)1 005.0 m高程上游帷幕灌浆廊道出露环状裂缝，距15号、16号坝段分缝2 m，上游侧缝宽约1 mm，下游侧缝宽约0.4 mm。

(4)1 021.5 m高程检查排水廊道与横向通风廊道交接处裂缝，缝长约8 m，缝宽约1.5 mm；2号通风竖井顶拱及上、下游侧裂缝缝长约7.4 m，缝宽约0.4 mm。

(5)1 063.0 m高程检查排水廊道距15号、16号坝段分缝11.45 m处出露1条斜向的环向裂缝，上、下游侧缝宽分别约0.35、0.1 mm，底板缝宽约1 mm。

2 主要监测成果

与裂缝发生位置较近的安装有监测仪器的有9号、14号、18号坝段。各坝段变形、渗流、应力应变和温度等监测仪器监测成果显示，截至到2018年1月29日，坝体及坝基工作性态总体正常。

14号坝段坝基岩体深部多点位移计测值在-4.89～0.93 mm(受压为负值)，坝基倒垂顺河向位移在2.04～2.64 mm(向下游变形为正值)，横河向位移在-1.61～0.51 mm(向左岸变形为正值)，变形总体较小。坝基实测开度值为-0.74～0.30 mm(压紧为负值)，量值较小。坝体正垂线顺河向位移在2.65～11.50 mm，横河向位移在-5.77～3.96 mm，2015年8月顺河向位移测值有5 mm的突减(突变原因初步了解是监测系统原因所致)，其他变形规律总体正常。9号、18号坝段与之类似，顺河向位移变化平顺无突变，总体正常。

各部位裂缝的开合度监测是在裂缝发生以后开始安装仪器并监测。11号、14号及16号坝段裂缝部位实测开度分别为0.12～1.90、-0.51～1.66、-2.82～1.23 mm。主要受温度影响波动变化。在14号坝段坝踵拉应力区监测可能出现的开裂情况，裂缝计测值为-1.04～0.06 mm，量值较小，总体较平稳。

各坝段前期均不同程度出现超出设计容许最高温度现象，部分降温速率偏大，实测混凝土温度在16.2～24.7 ℃，总体趋于稳定。

坝基帷幕后渗压水头在7.31～59.29 m之间，坝体排水廊道后渗压水头在0.00～26.21 m之间，变化主要发生在蓄水初期，蓄水后趋于稳定，最大值靠近上游。14号坝段主排水廊道测压管A14-UP-01测值在裂缝大量渗水前基本为0，之后突增为23 m。9号～18号坝基测压管水头在2.46～22.10 m之间。经过两期处理，坝体裂缝渗水量由处理前的700 m3/h，减少到目前基本无渗水。

3 水文地质条件分析

混凝土重力坝坝基地层岩性主要为砂岩，其次为砾岩、粉砂岩、泥质粉砂岩等，以微风化岩体为主。11号～16号坝段坝基分布7条宽1～4m的溶蚀砾岩带，间距一般在17～21 m，溶蚀带为Ⅳ类岩体，强度低。其他非溶蚀岩体质量总体较好，为Ⅲ类岩体，占建基面的80%以上。

对坝基F1、F2缓倾角断层的基础处理措施是，在11号～13号坝段F1缓倾角断层及15号～16号坝段F2缓倾角断层埋藏较浅的坝踵区域挖除断层上盘岩体，形成齿槽，并加强基础固结灌浆。建基面出露的溶蚀带采用刻槽置换处理，刻槽深度为1倍带宽。

11号、14号、16号坝段坝体裂缝的方向是上下游向，裂缝与坝基中的溶蚀带呈大角度相交，裂缝与3号、4号溶蚀条带的交角超过45°，推测坝基中的溶蚀条带不是造成坝体裂缝的主要原因。

通过有限元分析也可证实这一点，研究坝段位于陡坡且有折角与坝段位于水平基础情况下，在裂缝产生位置的应力差异，同时研究了基础均一材料与含软弱夹层材料对坝体应力影响。陡坡且有折角和平底面基础的计算模型对比如图4计算模型。

图4 计算模型示意

计算成果表明，对于结构性的区别，基础条件均一条件下，陡坡折角结构的靠近上游区域横河向应力较水平基础结构的应力大0.4～0.6 MPa，水平基础无折角结构压应力储备大；均一基础横河向应力较含软弱夹层基础条件的在上游面靠近基础部位相差1.0 MPa左右，靠近上游面基础附近内部横河向应力最大相差0.8 MPa左右，基础均一条件压应力储备较大。不考虑温度荷载，仅自重作用下，考虑结构和基础综合因素，可以在基础部位拐角处附近区域产生0.8 MPa的拉应力。考虑现场对基础的实际处理措施后，相对于均一基础，在基础部位拐角处产生约0.3 MPa的拉应力增量。可见复杂的地质条件对坝体裂缝产生的影响较小，不是主要原因。

4 成因分析

4.1 资料及经验分析

通过对坝体混凝土裂缝检测和监测情况、裂缝特征、环境监测资料、碾压混凝土力学性能指标、温控措施实施情况、坝体结构和基础情况等的综合分析，大坝混凝土裂缝主要受结构体型、环境、混凝土实际温控措施及混凝土早期强度较低等多种不利因素综合影响的结果。

(1)13号～14号坝段呈反拱布置，坝体体形复杂，坝体受力相对不利；同时个别坝段坝基面存在折坡尖角，有应力集中现象。类似反拱布置的黄登、向家坝、丹江口大坝都出现过类似的劈头缝。

(2)水电站工程处于干热河谷地区，昼夜温差大，最大昼夜温差超过30 ℃，平均为20 ℃；在坝体混凝土浇筑过程中气温骤降频发，多发于5月～7月。混凝土重力坝规范中对寒潮的定义为“日平均气温在2～6天内连续下降超过5 ℃者为气温骤降或寒潮”。现有温控相关要求和规范定义也大致如此，“2～3天日均温下降5～6 ℃”极为温度骤降或寒潮。从已有气温数据中统计得到，2009年6月8日至2014年7月31日一共出现了57次寒潮，其中11号、14号、16号坝段跳仓浇筑过程中，共出现19次较大寒潮。由于大坝碾压混凝土强度等级由原90 d龄期调整至180 d龄期设计强度，碾压混凝土早期强度较低，混凝土表面未覆盖保温材料，遭遇气温骤降时，混凝土表面易产生裂缝。

(3)每年11月至次年1月是河流水温最低的月份，平均水温为11.1℃。工程下闸蓄水初期为河流水温最低的时段，在水库水位上升过程中，库水对坝体上游面混凝土有冷击作用，坝体上游面混凝土易产生裂缝。2014年10月底水库下闸蓄水，坝前水位在3个月之内由1 040.0 m高程升至1 130.0 m高程，提高了近90 m。由坝面温度计的实测数据可见，秋冬季蓄水对上游表面的冷击温差约有15～18 ℃，会导致1 030.0～1 130.0 m高程范围内的大坝上游表面应力突然增加。

(4)部分混凝土最高温度超过设计值，超标平均在1.5～3.5 ℃，增大了坝体混凝土产生裂缝的风险。

(5)11号、14号和16号坝段坝体上游面在蓄水前可能已存在微裂缝，在库水冷击作用下，坝面产生裂缝或原有微裂缝继续发展，在水力劈裂和渗水的快速降温作用下，导致裂缝继续扩展，其中14号坝段裂缝贯通至大坝下游面。

4.2 数值仿真分析

为定量分析裂缝产生的原因，建立三维有限元计算模型，对出现裂缝的典型坝段(11号、16号坝段)通过仿真计算模拟大坝从开浇到蓄水阶段整个施工过程，模拟过程中充分考虑各种施工因素(包括浇筑温度、浇筑时间、冷却水管间距、通水冷却时间、冷却水温、冷却水流量、仓面保护、外界气温以及蓄水过程等)，根据混凝土热力学参数(包括弹性模量、线胀系数、徐变、自生体积变形、绝热温升以及导热系数等)，采用结构计算和温度计算相耦合的方法，分析关键部位、裂缝部位以及裂缝附近区域在多种荷载作用下坝体温度、应力以及变形分布，分析裂缝产生机理和原因。图5为16号坝段模型。

图5 16号坝段模型示意

主要的研究结论有：

(1)90 d内若遭遇昼夜温差20 ℃或若遭遇2 d降温12 ℃，混凝土表面最大应力值均大于容许拉应力，存在较大的开裂风险。

(2)温度规律。基础强约束区、上游碾压防渗层、1 020.0～1 040.0 m高程区域混凝土以及牛腿和孔口周边最高温度较高，牛腿高程以下部位混凝土最高达38℃。

(3)应力规律。内部最大应力主要出现在基础强约束区、1 020.0～1 040.0 m高程区域最高温度较高区域；表面最大应力主要出现在上游面基础附近、1 020.0～1 040.0 m高程附近、1 060.0 m高程附近，分别主要受基础强约束和基础结构引起的应力集中、内部温度较高外加寒潮等引起的内外温差过大等因素造成。应力过程主要有2个峰值，分别为第1年冬天和蓄水时刻，分别受长周期温降影响和蓄水冷击作用。

综上可知，内部温度应力最大值达到2.2 MPa左右，出现在基础强约束区；1 020.0～1 040.0 m高程附近内部应力最大1.7 MPa。内部温度应力水平较高，且到蓄水时，局部内部应力水平仍大于1 MPa，残余应力水平较高，也为裂缝的扩展带来隐患。通过资料及经验分析与数值仿真分析互为印证，可以看出，该电站产生裂缝的坝段处于转弯、起坡坝段，体形较为复杂，同时所处地区寒潮频发，易发生裂缝，未蓄水之前就有可能在坝体上游面存在隐微裂缝，蓄水后在库水冷击的作用下导致裂缝进一步拓展。

5 坝体裂缝处理与效果分析

在11号、14号及16号坝段出现裂缝渗水情况后，对裂缝进行检查和堵漏处理，堵漏处理完成后进行裂缝补强灌浆处理。堵水材料采用聚氨酯，补强材料采用环氧材料。裂缝处理施工包含钻孔、下管、封孔、串漏裂缝、预制拱接缝开凿封堵、串漏漏水点开凿封堵、串漏排水孔封堵、串漏冷却水管封堵、灌注稀释剂、灌注HW及LW聚氨酯化学材料、灌注环氧化学材料等施工工序。

(1)11号、14号坝段裂缝。化学灌浆采用CW-低粘度改性环氧灌浆材料，浆液比例A∶B=5∶1，灌浆压力最大值0.80 MPa，最小值0.2 MPa，平均值0.5 MPa，11号坝段1 025.0 m高程上游帷幕廊道灌注6 530.91 kg，11号坝段第一纵向排水廊道灌注6 697.85 kg，14号坝段上游帷幕廊道灌注448.74 kg，共灌注净浆总量为13 677.5 kg。

(2)16号坝段裂缝。化学灌浆一期堵水采用HW和LW水溶性聚氨酯化学灌浆材料，浆液配比根据现场实际情况调整配合比，灌浆压力最大值1.2 MPa，最小值0.2 MPa，平均值0.48 MPa，堵水灌浆共灌注HW和LW水溶性聚氨酯化学灌浆材料48 550 kg；二期补强采用MS-3B环氧浆材，灌浆压力最大值0.20 MPa，最小值0.10 MPa，平均值0.156 MPa，共灌注MS-3B环氧浆材39 625 kg。

(3)11号坝段裂缝检查及补充处理。化学灌浆一期堵水采用HW和LW水溶性聚氨酯化学灌浆材料，浆液配比根据现场实际情况调整配合比，灌浆最大灌浆压力>孔口涌水压力0.2～0.3 MPa，堵水灌浆共灌注HW和LW水溶性聚氨酯化学灌浆材料399 kg；灌浆稀释剂1 719.65 kg；二期补强采用MS-3B环氧浆材，灌浆压力最大值0.40 MPa，最小值0.15 MPa，平均值0.28 MPa，共灌注MS-3B环氧化学灌浆材料9 228.206 kg。

(4)14号坝段新增发展裂缝。一期堵水采用HW和LW水溶性聚氨酯化学灌浆材料，浆液配比根据现场实际情况调整配合比，灌浆最大灌浆压力>孔口涌水压力0.2～0.3 MPa，堵水灌浆共灌注HW和LW水溶性聚氨酯化学灌浆材料64 586.5 kg，二次补充堵水灌浆灌注聚氨酯1 229.60 kg；二期补强采用了HK-G-2环氧浆材，灌浆压力最大值0.30 MPa，最小值0.1 MPa，平均值0.2 MPa，共灌注HK-G-2环氧化学灌浆材料45 390.89 kg。

大坝先后进行了4次较大规模的坝体裂缝化学灌浆处理，处理完毕后，廊道内无明显渗水，防渗效果显著。共布置了28个φ75检查孔对灌浆质量进行检查。检查成果表明：检查孔压水透水率0.001 7～0.394 Lu，小于0.5 Lu的设计要求；芯样在裂缝位置单块劈拉强度1.61～3.58 MPa，芯样单块抗压强度35.5～40.1 MPa。

采取工程处理措施后，竣工安全鉴定时(截至2019年6月30日)，大部分裂缝已基本趋于平稳。11号坝段裂缝开合度介于-0.49～1.41 mm之间；14号坝段裂缝开合度介于0.13～0.19 mm，测值基本趋于平稳；16号坝段裂缝开合度介于-2.96～1.49 mm，变化总体稳定。

坝体坝基总渗流量为43.87 L/s。坝体总渗流量为11.46 L/s；坝基总渗流量为32.41 L/s，其中左岸坝基总渗流量为11.44 L/s，右岸坝基总渗流量为5.27 L/s；河床中部坝基总渗流量为15.7 L/s。左右岸高程985.0 m帷幕灌浆洞渗流总量为30.03 L/s，混凝土重力坝总渗流量小于设计计算值72.2 L/s，满足设计要求。