拱坝温度裂缝分析与处理技术

马永畅 罗继明

拱坝大体积混凝土受低温影响出现深层裂缝，影响坝体防渗，采用化学灌浆进行深层裂缝处理具有快速、便捷、安全等优点。本文综合分析拱坝裂缝产生的原因，通过采用环氧树脂材料进行灌浆，有效地完成了裂缝防渗补强，在不耽误进度的情况下有效保证了工程质量。

低温季节，拱坝大体积混凝土在浇筑完成初期温升较大，遭遇大幅降温极易出现温度裂缝，针对单层坝块贯通性裂缝采用化学灌浆方法可有效处理裂缝带来的防渗问题，通过对开裂原因进行深入分析，对裂缝处理技术进行研究，保证工程质量和进度，希望通过该文能为相关工程建设提供参考信息。

一、概述

某水库单曲重力拱坝设计坝高55m，坝底最大厚度23m，坝顶厚4m。拱坝拱分10个坝段，4#～6#坝段为溢流坝段，最大坝段弧长24m。坝体内部采用90d龄期二级配C20埋石混凝土浇筑，上下游面2m范围内为28d龄期二级配C20面板混凝土。

该拱坝于2018年11月初开始坝体施工，次年1月25日，5#坝段283.5～285.25m高程坝块浇筑完成，相邻左岸4#坝段施工至282m高程，6#坝段施工至283.5m高程，坝体施工立面见图1。2月14日春节过后，在5#坝段285.25m高程施工缝上发现裂缝1（AB曲线）、裂缝2（CD曲线），裂缝分布及走向见图2。

图1 坝体施工立面图（单位：cm）

图2 仓面裂缝分布及走向（单位：cm）

二、裂缝分布、产生原因分析

1. 裂缝分布分析

裂缝1在5#坝块285.25m高程横向分布，表面基本连通且在A、B处沿两侧横缝向下延伸1.75m至本浇筑层底部，未向下一浇筑层开裂，采用塞尺测量，裂缝宽度0～0.6mm；裂缝2呈顺水流向分布，表面间断不连续，在D点沿上游坝面向下延伸约1.1m，未至本浇筑层底部。初步分析裂缝1为单层坝块开裂且开裂较深、端部成通缝，裂缝2开裂较浅。

为验证分析准确性，采用地质钻机在裂缝1的AC段中部、BC段中部向下进行钻试验孔取芯，钻孔直径75mm，深1.5m，经观察AC段中部芯样裂缝深70cm，CB段中部芯样裂缝深90cm，且裂缝底部均偏出取芯范围。对裂缝2的CD段中部钻孔取芯1处，芯样完整，未见裂缝。

对裂缝钻芯取样后判断裂缝1为深度不小于1m的深层裂缝，两侧面竖向贯穿1.75m高浇筑块；裂缝2为深度小于4cm的表层裂缝，上游坝面竖向开裂较深。

2. 裂缝产生原因分析

1月25日10：20，该坝块混凝土浇筑施工完成，浇筑高度1.75m，C20埋石混凝土浇筑总量867m3。混凝土采用胎带机输料入仓，台阶式自上游向下游浇筑。表面覆盖一层棉被、一层塑料布进行覆盖养护。过节期间未进行该坝块模板拆除。

（1）混凝土拌和用料

混凝土采用P.O 42.5水泥，Ⅱ级粉煤灰，花岗岩机制砂、碎石，外掺减水剂等材料拌和，设计配合比见表1，塌落度80～100mm，其中水胶比0.43，砂率35%。

表1 混凝土设计配合比

水泥属于中热水泥，根据混凝土配合比及水泥水化热情况计算，混凝土3天绝热温升为33.3℃。

（2）混凝土温度监测

当地1 2月至2月为低温季节，平均月低温为1～2℃，平均月高温10～12℃。混凝土浇筑期间，白天气温4～12.3℃，混凝土平均浇筑温度10.8℃；夜间气温0.8～4℃，混凝土平均浇筑温度5.6℃。

坝内温度采用TM-902C测温计人工监测，空气温度采用RC-4自动测温。混凝土浇筑完成后7天内连续测温数据见表2，低温期测温记录见表3。

表2 混凝土7天测温记录表

表3 混凝土低温期测温记录表

根据RC-4自动测温计对温度连续记录，1月26日夜间至27日凌晨气温骤降至0℃以下，夜间气温监测记录见表4。

表4 气温监测记录表

（3）裂缝产生原因分析

①根据表2分析，混凝土浇筑完成后第3天，即1月27日达到最高温度39.6℃，在此期间混凝土水化热反应剧烈，内部迅速升温；1月26日夜间至27日凌晨，空气温度降至最低-4.3℃，混凝土表面温度在23～25℃之间，两者温差长时间超过20℃规范要求，坝块内热外冷，内部膨胀高于表面，表面结构受到拉应力超过混凝土早期抗拉强度，因而出现温度应力裂缝。

②1月28日至2月14日，春节期间暂停施工。1月31日至2月1日，当地降雪夜间最低温度-0.7℃，2月7日晚至2月13日，连续6日为雨夹雪天气，气温在0.5～4.5℃之间波动，混凝土内部最高温度由29.2℃降至27℃，受低温雨雪天气及混凝土内外温差影响，温度应力裂缝进一步扩大。

③该坝块施工完成后周围坝体混凝土未施工，且相邻坝段施工高程均低于283.5m高程，5#坝段开裂坝块只受底部坝体约束，后期混凝土温度逐渐下降，结构收缩产生的应力大于约束力时导致裂缝。

从裂缝分布情况观察，两条裂缝均通至坝块中心部位。大体积混凝土中部，是温度应力与收缩应力最集中地方，两种应力叠加，造成混凝土开裂。即混凝土温度应力和结构收缩应力，是该坝块产生裂缝的主要原因。

三、裂缝处理技术

1. 处理方法

根据裂缝1、2宽度、深度、长度及走向数据，对裂缝1采用钻孔化学灌浆处理，对裂缝2进行刻槽封堵，裂缝1及裂缝2端部竖向裂缝采用化学灌浆处理。施工期为3月初，平均气温12℃，裂缝张开度相对较大，适宜灌浆。

裂缝处理完成后沿裂缝走向水平布置3层4m宽加强钢筋网片，防止裂缝发展影响上部结构。

2. 灌浆材料及设备

（1）灌浆材料

拱坝裂缝化学灌浆需满足防渗及补强加固作用，选择双组分改性环氧灌浆材料，产品固结体环保无毒，浆液参考质量配比为：A组分（改性树脂）8～10份，B组分（固化剂）1份，可操作时间6～12h。

（2）灌浆设备

裂缝1采用无极变速灌浆机，通过齿轮油泵加压后进行灌浆，控制灌浆压力0.3～0.4MPa，最大输出流量4.5L/min，压力及流量可自动调节。裂缝2上游竖向浅表裂缝选择小型高压化学灌浆机，设备最高工作压力700kg/cm2，最大输出流量0.7L/min。

因环氧树脂灌浆材料不溶于水，设备使用完毕后，采用稀释剂进行设备、管路清洗。

3. 灌浆方法

随着水工混凝土裂缝处理技术的不断发展，浅层裂缝化学灌浆工艺比较成熟，不再赘述，仅对裂缝1深层及贯通裂缝处理方法进行介绍。

（1）刻槽、钻孔

①压水试验

裂缝1采用钻孔灌浆法进行防渗加固，队伍进场后再次按裂缝长度3～5m分段在裂缝一侧钻斜孔进行压水试验，判断裂缝深度，确定钻孔最优布置角度、位置及排数，利于浆液扩散。

②刻槽、封缝

沿裂缝走向进行刻槽并冲洗干净，刻槽面呈“V”形，表面宽8cm，深不小于5cm。槽面稍干后，拌和堵漏网进行封缝，采用抹子刮平、压实。同时沿缝间隔50cm安装一根20cm长Φ10⋆6.5mmPU排气管，进入刻槽部分采用22#扎丝绑扎数匝增加与填充剂的结合性。

③钻孔

压水试验后拟定在285.25m高程裂缝1表面两侧各钻1排斜孔，钻孔起点距结构侧边不小于50cm，单排间隔1.5m布置1孔，两排孔交叉布置，钻孔平面布置见图3。

图3 钻孔平面布置图（单位：cm）

灌浆孔采用手风钻钻孔，孔径Φ32。裂缝一侧钻孔位置距离裂缝50cm，钻孔角度45°，长1m；另一侧钻孔位置距离裂缝75cm，钻孔角度59°，长1.75m，为保证钻孔穿过裂缝，预设钻孔末端穿过裂缝不小于30cm。钻孔布置断面见图4。

图4 钻孔断面布置图（单位：mm）

④洗孔

钻孔完成后，采用灌浆机连通灌浆管进行钻孔冲洗，控制水压不大于0.1MPa，直至孔口回水清净，防止堵塞裂缝，影响灌浆质量。

（2）灌浆管安装

①灌浆管安装

灌浆管采用DN15钢管，外露端安装球阀。在灌浆管上部45cm长度范围内安装1根Φ10⋆6.5mmPU排气管，常温耐压强度不小于1MPa，混凝土内部排气管绑扎固定在灌浆管上，外露端不小于15cm。灌浆管安装前在混凝土面以下25cm位置包裹土工布并固定，保证灌浆管顺利进入钻孔内，又可有效屏蔽封孔浆液。

灌浆管安装后采用堵漏王稀浆对混凝土面以下20cm长钻孔进行封堵密实。灌浆管道安装见图5。

图5 灌浆管道安装图（单位：mm）

②压风试验

灌浆管道安装完成后，采用空压机进行压风，控制通风压力不大于0.1MPa，通过压风将积水、浮尘从排气管内吹出，并检查灌浆管路安装的畅通性、密闭性及牢固性。

（3）灌浆

①配浆

灌浆前调试灌浆机性能稳定后现场配置灌浆材料，根据操作时间、结合使用说明按8︰1～10︰1比例准备环氧树脂A、B组分，慢速搅拌均匀。

②灌浆

平面裂缝选择吃浆量较大灌浆孔进行灌浆，控制灌浆压力0.3～0.4MPa，沿左右侧灌浆孔交替向两端进行作业，操作人员配带护目镜、防护口罩等保护用品。

逐级提升灌浆压力，防止结构变形。灌浆孔周围排气管、灌浆管均全部打开，待排气管口返出化学浆液后及时绑扎牢固。当灌浆机达到最大压力、灌浆孔不再吃浆后停止该孔灌浆并关闭灌浆管球阀。

（4）质量检测

为保证工程进度，灌浆完成后对裂缝走向进行测量后，采用地质钻机在裂缝1上均匀钻2个1.5m深压水试验孔，在孔口表面安装DN80镀锌管竖直上引，管口底部与混凝土面接触处采用堵漏灵密封，60天后通过镀锌管进行压水试验，透水率满足q≤0.2Lu要求。请专业试验结构进行声波检测合格。

四、结语

拱坝大体积混凝土施工应根据地理、气候及温度变化情况采取积极温控措施，最大限度避免出现温度裂缝、应力裂缝，合理控制施工成本。本文通过对裂缝成因、处理方法、灌浆工艺三项主要内容进行阐述，介绍了坝体裂缝化学灌浆处理的各项措施，达到防渗补强目的，创造了良好的示范效果。