隔河岩大坝深表孔混凝土裂缝成因分析与处理

刘 杰，吴道仓，吴兴威，刘宜思，刘 霞

(湖北清江水电开发有限责任公司库坝中心，湖北 宜昌 443000)

随着我国水电事业的大力发展，混凝土坝由于使用年限久远等原因，逐渐出现各种裂缝，影响大坝本身结构安全与长久运行。表孔、深孔作为汛期频繁打开、闭合的泄水建筑物，泄洪期间有高速水流通过，震动等作用促使混凝土裂缝进一步发育，对过流面甚至整个大坝产生危害。掌握混凝土裂缝发育情况，对裂缝进行性状描述和建立档案，分析其发展原因，关注其发展趋势并及时处理，对确保其全生命周期安全可靠运行至关重要。

1 工程概况

1.1 隔河岩大坝泄洪孔

隔河岩水电站位于长阳土家族自治县龙舟坪镇，工程以发电、防洪为主，大坝坝高151 m，库容31.2亿m3，属于大Ⅰ型水利工程。大坝从右至左分为31个坝段，其中11～18号坝段为溢流坝段，最上层设有7个溢流表孔，孔口剖面型式为实用溢流堰，表孔主要为泄洪通道。相邻表孔之间设有4个下弯型深孔，供泄洪、排沙、放空和导流之用。

1.2 泄洪孔裂缝情况

自大坝泄洪孔建成以来，表孔及深孔过流面、牛腿等部位先后出现了多处明显裂缝。2014年5月，对表孔及深孔裂缝进行了近距离详细检查，检查结果显示，裂缝大多为干缝，湿缝(含淅浆缝)较少，表孔及深孔裂缝总计超过200条，其中干缝约1 700 m，湿缝约900 m。

2 裂缝处理工艺

大坝泄洪孔混凝土裂缝根据裂缝渗水与否，分为湿缝和干缝，分别采用不同的处理工艺。

2.1 干缝处理

干燥裂缝相对于湿润裂缝而言，往往延伸短，裂缝宽度小，表面干净无淅钙，处理流程如下：①缝面清理。以裂缝为中线，对裂缝两侧各10 cm范围混凝土进行打磨，高压水冲洗干净缝面。②裂缝检查。用高压水冲洗混凝土表面，对裂缝位置、走向、缝长、缝宽等作好记录。③缝面处理。对打磨后的缝面两侧进行二次检查，如发现缝面有松散骨料、孔洞、油污等缺陷，应进行相应处理。④表面涂刷。将环氧基液A、B组分按比例混合，采用宽毛刷蘸取基液对裂缝两侧进行底层涂刷与面层涂刷。

2.2 湿缝处理

湿缝往往伴随表层淅钙存在，处理难度大，工艺更为复杂。缝面清理、检查、涂刷与干缝近似一致，主要差别为中间的化学灌浆环节。

流程如下：①基面处理。以裂缝为中线，对裂缝两侧各10 cm范围混凝土进行打磨，打磨以露出新鲜混凝土为标准。②造孔。以裂缝为中心骑缝造孔，采用用水、风作轮换冲洗，确保缝面及基面干净无杂物污渍(见图1)。③贴嘴及封缝。将注浆嘴放置灌浆孔内，孔口用环氧砂浆封闭。④试气检查。试气检查主要检查孔缝畅通性及缝面密封性。⑤化学灌浆。将环氧树脂A、B组分按比例充分混合均匀，灌浆压力为0.2 MPa。裂缝灌浆遵循由低往高(竖向裂缝)、从内至外或从一端往另一端(水平向裂缝)注浆的原则。灌注结束待凝48 h后，凿除埋设灌浆管路，采用环氧砂浆对孔洞进行填平修补。

图1 裂缝注浆示意图

3 施工管理实践

3.1 灌浆材料选择

环氧树脂作为目前最常用的水工建筑物封堵材料，其通常由环氧树脂及稀释剂作为主要成分，添加特定固化剂。它具有收缩率小、粘度高、强度大、止水效果好等一系列特点，广泛运用于三峡、葛洲坝等大坝灌浆处理工程[1-2]。

CW510系环氧树脂灌浆材料作为长江水利委员会长科院自主研制的新型化学灌浆材料，该材料由新型环氧树脂、活性稀释剂、表面活性剂等双组分灌浆材料组成。其中的CW511和CW512型化学灌浆材料的力学性能都较高，但两者常温下常见配合比性能测试结果仍然有差距(见表1)，CW511初凝时间长，可操作时间长，适用于细微裂隙和泥化夹层的浸润和渗透，而CW512型初凝时间适中，适合于裂隙较大的部位，适当增加固化剂配比，作为本次裂缝处理材料，其在电站混凝土裂缝修补中发挥较好效果[3-4]。

表1 CW511、CW512理化性能测试情况[5]

3.2 施工方法控制

泄洪表孔、深孔施工难度大，主要为有限空间进行的高空作业，表现如下：①表孔内闸门液压臂横跨整个左、右边墙，液压臂距离边墙距离不足40 cm，外挑宽度超过1 m，大的施工平台无法通过此处。②泄洪孔前缘上部为公路桥，宽度约12 m，桥下边墙裂缝施工人员难以向下到达。

表孔裂缝处理最初方案为施工吊篮运送施工人员上下行。左右边墙各设置一部吊篮，吊篮配重1 200 kg，满足2名人员上下行要求，然而在施工过程中发现，吊篮只能处理其长度范围之内的裂缝，横向移动不方便，效率低下。经过现场观察及商议后，最终选用施工人员乘坐滑板向下施工的作业方式，施工人员体积小、机动性强，便于穿过液压臂与边墙之间的狭小空间，向下施工完毕后，乘坐吊篮上行至坝顶，再次向下施工。对于坝顶公路桥下裂缝，采取在表孔左右悬挑牛腿上打地锚固定安全绳的方式，结合附绳牵引施工人员左右移动的方法，大大增加了施工效率。针对滑板施工方法，安全防护措施主要为1根牵引吊板的工作绳，1根带自锁器的生命绳，外带一个防坠器的三重保护，3根绳子分别系在不同的可靠固定点，保证绳子不缠绕，单个人员独立作业，避免交叉作业。事实证明滑板作业在泄洪孔这种狭窄环境中是极为合适的作业方式，相比吊篮等具有较好灵活性、通过性的优势。

4 裂缝特征与成因分析

4.1 裂缝特征总结

隔河岩大坝泄洪表、深孔位于拱坝最前端，裂缝发育特征如下：①裂缝分布较多的区域有三个，第一是底板区域，第二是表孔与液压油泵房相邻区域(见图2)，第三是溢洪道前缘砼结构倒角区域，裂缝发育情况与混凝土倒角方向有一定关联性(见图3)；②裂缝以横、纵向分仓所在施工缝为主，其中以纵向分仓裂缝居多，横向分仓缝比纵向分仓缝少，少部分为混凝土内部斜向裂缝；③横向施工缝以干缝为主，纵向施工缝以湿缝为主，斜向施工缝以湿缝为主；④裂缝长度较长，均在2 m以上；⑤裂缝中淅钙对裂缝渗漏有一定阻碍作用，部分裂缝淅钙凿除后，渗水开始增大；⑥表孔裂缝明显多于深孔裂缝。

图2 液压油泵房相邻区域裂缝情况图

图3 5号表孔前缘混凝土裂缝图

4.2 裂缝成因初步分析

大坝裂缝主要分为温度裂缝、干缩裂缝、钢筋锈蚀裂缝、荷载裂缝、沉陷裂缝、冻胀裂缝及碱骨料反应裂缝等。造成裂缝的成因复杂，主要有材料、施工、使用环境、结构与荷载等原因，实际上往往是多种因素综合作用的结果。综合隔河岩深、表孔裂缝发育情况，对裂缝成因进行了初步分析，可能的成因如下。

1)应力复杂区域裂缝发育较多。处理结果显示，7个表孔14个边墙在闸墩尾部加高边墙底部均存在向一定方向延伸的裂缝，其发育方向为向大坝内侧倾斜。认为表孔宽尾墩尾部存在加高边墙，该边墙与坝体结合部位形成一个内凹的倒角，大体积不规则形状混凝土局部存在明显应力集中情况，是导致该区域裂缝发育的主要原因。

坝顶靠近液压油泵房区域发育横向、纵向裂缝。由于两个相邻表孔之间存在闸门启闭机液压油泵房，混凝土厚度最薄不足1m，且该区域下游侧存在液压杆支撑点，液压杆支承区域在表孔闸门启闭过程中应力复杂，是裂缝产生的重要原因，类似裂缝还可见于二滩水电站与辽宁省葠窝水库大坝。二滩水电站表孔两侧闸墩裂缝受液压缸支承、闸门支铰不同应力作用，裂缝发育较为严重[5]；辽宁省葠窝水库大坝检修门闸墩最薄处厚度为1.85、1.78 m，门槽应力集中导致裂缝严重发育[6]。因此认为泄洪孔边墙薄弱混凝土在应力集中区域更容易产生裂缝。

2)温度应力对浅表性裂缝发育有一定影响。一般认为，坝体裂缝主要成因是温度荷载，一般冬开夏闭，高水位张开，低水位闭合，遇极低气温时又扩展延伸或发生新的裂缝，温度裂缝也是国内混凝土拱坝中最常见的裂缝[7]。隔河岩大坝运行时间已有27年，坝区气温冬季最低可达零下5℃，夏季最高可达40℃，水位最高超过200 m，最低不足180 m，温度荷载从混凝土浇筑到现阶段仍然没有消失，也是裂缝产生、延展的部分原因。大坝表孔底板裂缝远多于边墙裂缝，且多为不渗水浅表性干缝，考虑到底板在每次泄洪期间均有高速水流通过，对底板混凝土有一定影响。此外闸门门槽局部渗水通过底板流入下游消力池，干湿变化情况频繁，也是裂缝产生的重要原因[5]。

对于裂缝成因确定性分析，还需要掌握更多历史时期裂缝发育数据，尤其是工程建设时期相关资料，然而这部分资料保存较少，无法给予该结论非常有效的支撑，后续仍然需要进行研究。

5 结语与建议

1)大坝表孔、深孔裂缝影响着大坝全生命周期安全可靠运行。裂缝随着运行时间增加，渗水情况也会日益严重，及时掌握裂缝发育情况，对裂缝进行性状描述和建立档案、及时处理是非常有必要的。

2)针对泄洪孔混凝土裂缝，分类别采用环氧树脂系列化学材料进行处理。湿缝进行化学灌浆，干缝进行表面涂刷，短期内能够取得较好效果，水电站其他过水建筑物混凝土裂缝，亦可参考上述方法进行修补。

3)隔河岩大坝泄洪孔混凝土裂缝成因复杂。局部应力集中导致裂缝发育，温度荷载对浅表性裂缝发育有一定影响，此外也有混凝土长时间运行、环境干湿变化频繁等原因同样是裂缝发育的有利条件。在水工建筑物设计阶段，如果能够重视上述可能导致裂缝产生的原因，对延长大坝安全可靠运行的生命周期意义重大。