SETH水利枢纽工程裂缝处理措施分析

2022-08-22王立成李跃强

海河水利 2022年4期

翟政，王立成，李跃强

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

1 工程概况

SETH 工程位于新疆阿勒泰地区青河县乌伦古河上游河段，是乌伦古河流域规划确定的唯一具有多年调节能力的水库。拦河坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高75.5 m，坝顶高程1 032.0 m。工程所在地多年平均气温3.6 ℃，极端最高气温40.9 ℃，极端最低气温-42.0 ℃。多年平均蒸发量为1 571.8 mm；最大年蒸发量为2 073.5 mm（1965 年），最小年蒸发量为1 247.7 mm（1987 年）；夏半年4—9 月水面蒸发量为1 312.9 mm，占年蒸发量的83.5%，冬半年10—3 月水面蒸发量为258.9 mm，占年蒸发量的16.5%。基于当地气候特点，大坝在施工过程中应特别关注混凝土的保温保湿养护，以防止产生裂缝。

2 施工期温控预防措施

每年4—10 月为碾压混凝土坝主要建设期，而在冬季停止混凝土浇筑。这种间歇式的浇筑方式和严酷的天气条件，在碾压混凝土坝内部产生了特殊的温度应力时空分布规律，提高了温控和抗裂的难度。根据温控仿真计算成果、坝体施工进度安排及坝址区气候条件，采用如下温控措施。

在满足混凝土设计强度前提下，优化混凝土配合比，以减少发热量，从而降低混凝土的绝热温升。

混凝土施工期一般在每年的4—10 月，冬季停止施工。为节省温控费用，需合理安排施工进度。施工面积较大的混凝土尽量安排在一天的低温时段施工，在高温季节浇筑混凝土时采取以下措施降低混凝土温升：①混凝土骨料约占每方混凝土比重的90%，其温控对于降低混凝土的出机口温度至关重要。可在骨料场料堆顶上搭设凉棚，挡住直射阳光，减少阳光直射引起的骨料温升。②增加堆料高度，各料场应尽量多储备骨料以加大成品堆料高度，要求堆料有适当的高度。建立制冷场，使用在储料仓内风冷粗骨料的方法，有效降低混凝土浇筑温度。③对散装水泥、粉煤灰使用储存罐储存，水泥、粉煤灰罐表面涂刷白色漆并用白色帆布外包，以反射阳光，降低储存罐的吸热率。在自卸汽车混凝土运输过程中采取加盖保温措施，由专人负责保温设施覆盖，并减少运转次数。加强混凝土运输的施工组织与管理，加快混凝土入仓及覆盖速度，缩短混凝土暴露时间。④在混凝土内埋设冷却水管，在上覆混凝土浇筑3 d后，开始通水进行冷却降温，连续通水20 d为1 个时段。尽量避开中午阳光直射的施工时段，利用早晚和夜间低温时段浇筑混凝土。提高混凝土入仓强度，及时摊铺及时碾压及时保温，并尽量缩短上下层结合间隔时间。

对于温度较高超过规范约束区容许温差要求，在该区域应采取如预冷混凝土骨料、对碾压混凝土进行仓面喷雾及加强保温等其他温控措施将最高温度控制在允许范围内。

大坝越冬保护措施如下：碾压混凝土由于大量掺加粉煤灰，水化热散发延迟，且通仓浇筑，层面短间歇，散热不多，造成坝体达到稳定温度常需数十年之久。在漫长的降温过程中遇到冬季长间歇混凝土停浇，会造成混凝土内外温差过大，其上下游面会出现较大的拉应力。本工程施工期为每年4—10 月，11 月进入停工期，此时混凝土浇筑龄期短、强度低，而内部水化热温升导致坝体内外温差很大[1]。坝体上游、下游面采取喷涂10、8 cm 厚聚氨酯泡沫作为永久保温措施[2]。2018 年11 月—2019 年3 月，在坝面高程984.5 m 铺设5 层2 cm 厚聚氨酯泡沫作为临时保温措施，具体做法如下：首先在越冬层面上铺设防水彩条布，在其上喷涂厚2 cm 的聚氨酯泡沫；待聚氨酯泡沫成形硬化后，在其上铺设1 层防水彩条布，再喷涂2 cm 厚的聚氨酯泡沫，重复上述步骤，直至铺设5 层为止。2019 年11 月—2020 年3 月，在坝面高程1 023.5 m 铺设5 层2 cm 厚聚氨酯泡沫作为临时保温措施。上游面配置温度钢筋。

3 施工期裂缝

在施工过程中，受自然条件、原材料、施工条件等因素影响，坝体个别坝段可能会出现不同程度的裂缝[3]。在施工期采取一系列温控措施之后，仍发现部分坝段出现裂缝。

在施工备仓过程中发现4#—6#坝段、高程984.5 m仓面有12 条裂缝，在6#坝段越冬层面高程978.50 m、桩号0+90.00—0+108.00 存在水平裂缝，缝宽0.1～0.3 mm，展开深度从目前取芯及坝内廊道观察来看，约为10～13 m。

各部位裂缝可分为以下3 种：①上、下游坝面的劈头缝；②强约束区（越冬层面）上部新浇混凝土的纵向裂缝；③越冬层面（或相邻）上、下游侧的水平缝开裂。

4 裂缝成因分析

4.1 劈头缝与强约束区上部新浇混凝土的纵向裂缝成因

水泥水化热使坝体温度上升。根据现场观测，开裂部位基本为变态混凝土区及富胶凝混凝土区，上述两区每方混凝土水泥用量分别比碾压混凝土高出约60～70 kg，造成该部混凝土绝热温升为26～27、24～25 ℃。而短间歇连续升程的通仓浇筑施工使坝体温度升高，散热速度放缓，温控控制不到位。

本工程越冬期长（11月—翌年3月），气温低，持续时间长，虽经越冬期的坝体上、下游侧及仓面保温，混凝土表面温度仍较低，内部温度较高，使其与上层新浇混凝土产生较大的温差。据监测，坝内混凝土最高温度为45 ℃，而下层越冬层面的混凝土温度为20 ℃，上、下层温差达到25 ℃，超过温控要求允许值，导致下层老混凝土对上层新浇混凝土的约束强烈，从而产生裂缝。

混凝土模板拆除时正赶上低温时段，混凝土内外温差过大，产生裂缝。

人工砂石骨料中石粉含量为21.3%，接近上限22%，且石粉中微粒含量（粒径≤0.007 5 mm）超标约4%，致使混凝土中微粒含量超标，加大了混凝土的收缩，收缩应力增大最终导致了裂缝的产生。

人工砂石骨料中接近针片状的大石较多且有部分超径大石，使混凝土中砂浆包裹不充分，混凝土的抗裂性能降低，在各种应力作用下，导致裂缝产生。

9#坝段下桩号0+013.00—0+025.00 范围在高程983.0 m 设置了入仓卸料通道，四周垂直布置，造成局部应力集中，引起裂缝。

4.2 水平裂缝成因

水平方向裂缝形成除上述纵向裂缝成因外，还可能有以下原因。

越冬混凝土弹模、强度、极限拉伸值等都与上层新浇混凝土差别较大，在温度荷载作用下，二者难以产生变形协调，导致沿越冬层面水平开裂[4]。

越冬层面上，经冲毛处理后，浇筑时铺1.0～1.5 cm厚的水泥浆或水泥砂浆，后浇筑上层混凝土。①浇筑时，工序衔接上有问题，再加上日照强、风大，浆铺好后很快失水泛白，再摊铺上层混凝土时，影响层间结合质量。②施工时浆泛白、失水，再进行补水时，补充水分过多，造成浆液中灰浆变稀、流失，影响层间结合质量。

越冬层面温度低，而上部混凝土内部最高温度很高，形成了较大的上、下层温差以及内外温差，由于上述两种温差作用，在越冬面上、下游附近产生较大的竖向拉应力，这是造成水平缝的主要原因。

综上所述，内、外温差产生的拉应力大于层间结合抗拉强度，故形成水平裂缝。

5 裂缝处理措施

5.1 上部新浇混凝土纵向裂缝及上、下游坝面劈头缝处理措施

在裂缝端头采用风钻钻应力释放孔，孔深至越冬层面。钻孔直径≥5 cm，防止裂缝向坝内发展。

在距上游坝面0.5 m 裂缝处垂直套打3 个直径100 mm 孔，孔深入越冬层200～500 mm，孔内灌注环氧砂浆。

沿裂缝走向开“V”形槽，槽中心线与裂缝中心线重合，槽深3 cm，槽顶宽度6 cm，槽内清理干净后，用聚氨酯砂浆填槽并抹平。在“V”形槽中心线两侧平行裂缝呈梅花状钻注浆孔，然后进行灌浆，化学灌浆材料根据补强加固及防渗要求选用相应的灌浆材料，灌浆方法可参照《水工建筑物化学灌浆施工规范》（DLT 5406-2010）执行。

灌浆完成后，在裂缝上出露位置倒扣半圆钢管，管内填沥青砂浆，半圆钢管直径≥150 mm，壁厚≥3 mm；半圆钢管上部布置φ28三级钢、间距200 mm的钢筋网片，覆盖裂缝，网片宽度4.5 m，具体布置如图1—2所示。