黃文吉

（甘肅大禹節(jié)水集團(tuán)水利水電工程有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

水利工程的建設(shè)關(guān)系到地方的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，影響周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，水庫(kù)作為水利工程的重要組成部分，在資源的可持續(xù)應(yīng)用中起到至關(guān)重要的作用[1]?；炷亮芽p一直是工程領(lǐng)域影響混凝土質(zhì)量且難以解決的一個(gè)問(wèn)題，裂縫影響結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性、剛度以及耐久性，處理混凝土裂縫首要任務(wù)是分析判斷和驗(yàn)證發(fā)生混凝土裂縫的原因，結(jié)合工程實(shí)際對(duì)混凝土裂縫成因分析，提出合理的解決措施。

對(duì)于水利工程壩體裂縫的研究眾多學(xué)者已結(jié)合實(shí)際情況展開(kāi)了研究，成果較多。葉祥君[2]通過(guò)分析壩體混凝土裂縫的類(lèi)型和形成原因，研究了防止壩體混凝土出現(xiàn)裂縫的處理措施，并提出了在施工階段能夠有效控制裂縫的形成。劉新秀[3]從物理因素和外部因素分析了水庫(kù)混凝土裂縫產(chǎn)生的原因，并根據(jù)不同狀態(tài)的裂縫提出了相應(yīng)的處理方法。陳文輝[4]通過(guò)檢測(cè)壩體縱橫向的表面、內(nèi)部裂縫，分析了壩體裂縫的發(fā)育及形成原因，提出在大壩防滲軸線(xiàn)設(shè)混凝土防滲墻的方法解決了壩體的危害問(wèn)題，并比較了不同的處理措施對(duì)大壩穩(wěn)定性的影響。陳厚霖[5]通過(guò)物探、探井等有效手段，確定了裂縫發(fā)育情況，分別對(duì)縱向縫和水平縫的形成原因進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)裂縫做了處理，對(duì)加固水庫(kù)的穩(wěn)定性起著重大的作用。陳孝銀[6]通過(guò)壩體測(cè)壓管鉆孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)等方法，確定了壩體裂縫為溫度裂縫，分析得到溫度應(yīng)力是導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的主要原因，對(duì)大壩的防滲做了加固處理，保證了大壩的安全運(yùn)行。劉健全等[7]針對(duì)壩頂常態(tài)混凝土入倉(cāng)施工困難等原因，提出了泵送混凝土的溫度控制和抗裂縫形成為目的，解決了防止和控制混凝土裂縫的形成。鄭偉雄[8]通過(guò)分析水庫(kù)大壩自密實(shí)混凝土裂縫的形成，以裂縫的分類(lèi)作為切入點(diǎn)，確定為失水造成的干縮裂縫，針對(duì)裂縫的形成原因做了合理的處理，有效預(yù)防措施來(lái)預(yù)防裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展。熊鷺和沈鑫[9]針對(duì)大壩在施工時(shí)未設(shè)置橫縫，導(dǎo)致壩體產(chǎn)生裂縫的情況，提出了將裂縫作為永久裂縫的處理措施，大壩的滲水問(wèn)題得到有效的控制，說(shuō)明該處理措施是行之有效的。Gao等[10]利用三維有限元分析方法研究了混凝土面板因溫度應(yīng)力、收縮應(yīng)力、壩體變形等原因引起的大量裂縫和擠壓破碎問(wèn)題，研究結(jié)果驗(yàn)證了塊體等效連續(xù)體方法的準(zhǔn)確性和可靠性，此外，該方法簡(jiǎn)化了有限元模型，顯著提高了滲流計(jì)算效率。Majid等[11]考慮壩-地基-水庫(kù)之間的相互作用，利用彌散裂紋模型和擴(kuò)展有限元法研究混凝土重力壩裂縫的發(fā)生和擴(kuò)展。

綜合以上所述，為了有效地控制和預(yù)防壩體混凝土裂縫的形成，需要在施工、養(yǎng)護(hù)等不同時(shí)期進(jìn)行多方位的預(yù)防。研究采用不跨縫檢測(cè)與跨縫檢測(cè)的方法檢測(cè)水庫(kù)連接壩段壩基蓋重混凝土裂縫的發(fā)育情況，結(jié)合施工流程、工程特性及工程地質(zhì)等因素，對(duì)裂縫形成的原因進(jìn)行分析，并提出對(duì)裂縫的處理措施。結(jié)果表明，裂縫形成的主要原因是壩址基巖單軸抗壓強(qiáng)度低，遇水易軟化膨脹崩解，產(chǎn)生一定的膨脹壓力，針對(duì)其主要原因?qū)α芽p進(jìn)行了有效的修補(bǔ)，工程效果良好，提高了水庫(kù)的穩(wěn)定性和安全性。

2 裂縫檢測(cè)原理與方法

2.1 檢測(cè)原理

超聲脈沖檢測(cè)混凝土裂縫深度方法。利用脈沖波在混凝土中的傳播速度、波幅和接收信號(hào)主頻率等聲學(xué)參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)確定混凝土裂縫的情況。

檢測(cè)人員通常使用不跨裂縫的聲時(shí)測(cè)線(xiàn)與跨裂縫的聲時(shí)測(cè)線(xiàn)檢測(cè)方法，通過(guò)比較2種檢測(cè)方法的結(jié)果確定混凝土構(gòu)件內(nèi)部裂縫深度和位置信息，根據(jù)不跨縫檢測(cè)和跨縫檢測(cè)聲時(shí)值變化時(shí)相對(duì)應(yīng)的超聲波在混凝土內(nèi)部傳播距離的不同，計(jì)算出裂縫的長(zhǎng)度及深度值[12]。

2.2 不跨縫檢測(cè)

將T和R換能器置于裂縫表面的同一側(cè)，依據(jù)T和R換能器內(nèi)邊緣間距l(xiāng)′等于100、150、200 mm等分別確定ti，采用回歸分析法確定回歸直線(xiàn)方程為式（1），如圖1表示“時(shí)-距”[13]。

圖1 “時(shí)-距”圖

每個(gè)測(cè)點(diǎn)聲波實(shí)際傳播距離li計(jì)算公式為：

不跨縫檢測(cè)的混凝土超聲速度值為：

以上分別計(jì)算的是不跨裂縫的聲時(shí)測(cè)線(xiàn)法中所設(shè)置的2個(gè)換能器內(nèi)距，和在特定時(shí)間點(diǎn)下經(jīng)過(guò)多次均勻時(shí)間間隔檢測(cè)后，獲得的超聲波通過(guò)檢測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部過(guò)程中實(shí)際傳播的真實(shí)距離。其中a為線(xiàn)性回歸直線(xiàn)方程中換能器內(nèi)距值在直線(xiàn)坐標(biāo)系下的截距，同時(shí)也代表了超聲波檢測(cè)聲時(shí)距離計(jì)算方程中的常數(shù)項(xiàng)內(nèi)容。

2.3 跨縫檢測(cè)

將T和R換能器分別放置于以裂縫為軸心的對(duì)稱(chēng)兩側(cè)，以100、150、200 mm等分別取時(shí)值ti0，該超聲時(shí)值是為繞過(guò)末端傳播的時(shí)間，檢測(cè)方法如圖2所示。

圖2 跨縫測(cè)量示意圖

利用式（1）、（2）計(jì)算得到的換能器內(nèi)距值和實(shí)測(cè)傳播距離以及公式（3）提供的聲速值，利用式（4）和（5）計(jì)算得到混凝土裂縫深度。

式中：li為不跨縫檢測(cè)時(shí)第i的超聲波實(shí)際傳播距離，hci為第i計(jì)算的裂縫深度值，mhc為各測(cè)點(diǎn)計(jì)算裂縫深度的平均值。

3 壩基蓋重混凝土裂縫成因

3.1 工程概況

該水壩位于甘肅省靈臺(tái)縣境內(nèi)，屬于冷溫帶半濕潤(rùn)區(qū)，氣候溫和濕潤(rùn)，上游地帶則稍顯寒冷。根據(jù)氣象站近幾年資料統(tǒng)計(jì)，多年平均氣溫9.4 ℃，平均最高氣溫13.9 ℃，平均最低氣溫4.2 ℃，極端最高氣溫38.8 ℃，極端最低氣溫－23.1 ℃，年降水量586.3 mm，降水量主要集中在7～9月，占全年的53.7%，蒸發(fā)量1 397.2 mm，年日照時(shí)數(shù)2 254.5 h，平均相對(duì)濕度68%，平均最大風(fēng)速9.2 m/s，最大凍土深度60 cm。水庫(kù)總庫(kù)容205萬(wàn)m3，其中興利調(diào)節(jié)庫(kù)容87.8萬(wàn)m3，死庫(kù)容78.9萬(wàn)m3，為Ⅳ等?。?）型水庫(kù)，主要建筑物級(jí)別為4級(jí)。大壩總長(zhǎng)度325.08 m，最大壩高19.3 m，大壩從左向右依次布置187 m均質(zhì)土壩段，44.06 m連接壩段，18.2 m兩孔泄洪沖砂閘段，9.0 m表孔溢流壩段、66.82 m混凝土重力壩擋水壩段。工程區(qū)出露地層主要有白堊系下統(tǒng)基巖（K1）及第四系（Q）各種成因堆積層，工程特性良好。

3.2 裂縫現(xiàn)場(chǎng)狀況

連接壩段③號(hào)塊壩橫樁號(hào)0+215.06～0+231.06，壩縱樁號(hào)0-008.79～0+017.475，高程1 017.5～1 019 m，蓋重混凝土于2021年5月19日澆筑完畢。在2021年5月25日-27日，現(xiàn)場(chǎng)施工人員發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)2條沿壩軸線(xiàn)方向的裂縫。連接壩段②號(hào)塊壩橫樁號(hào)0+199.03～0+215.03、壩縱樁號(hào)0-008.79～0+017.475，高程1 017.5～1 019.0 m，蓋重混凝土于2021年5月29日澆筑完畢，6月24日在質(zhì)量檢查中發(fā)現(xiàn)②號(hào)塊出現(xiàn)沿壩軸線(xiàn)方向的1條裂縫。

3.3 檢測(cè)結(jié)果

采用裂縫測(cè)試儀進(jìn)行裂縫發(fā)育情況的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示混凝土蓋重裂縫集中在②、③號(hào)澆筑區(qū)域中間鍵槽位置（如圖3所示），具體裂縫分布如下：

圖3 混凝土裂縫分布示意圖（單位：m）

（1）裂縫1：裂縫位于③號(hào)區(qū)域，寬度約為0.27～0.36 mm，深度約為462 mm，判定為C類(lèi)裂縫[14]（深層裂縫）。

（2）裂縫2：裂縫位于③號(hào)區(qū)域，寬度約為0.51～1.2 mm，深度約為1 400 mm，判定為D類(lèi)裂縫（貫穿裂縫）[14]。

（3）裂縫3：裂縫位于②號(hào)區(qū)域，寬度約為0.95～2.52 mm，深度約為1 350 mm，判定為D類(lèi)裂縫（貫穿裂縫）。

圖4 為壩基蓋重②號(hào)區(qū)域裂縫3部分示意圖。

圖4 壩基蓋重②號(hào)區(qū)域裂縫

3.4 裂縫成因分析

混凝土由于溫度變化、收縮、不均勻沉降等間接作用,使得壩體的變形受到約束而使壩體內(nèi)部受力不均勻，當(dāng)壩體內(nèi)部的應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗裂強(qiáng)度時(shí)，會(huì)引起裂縫的產(chǎn)生，這種裂縫可根據(jù)結(jié)構(gòu)耐久性、抗?jié)B等方面的要求采取修補(bǔ)措施。

由圖3所示，③號(hào)區(qū)域的2條裂縫沿壩軸線(xiàn)方向呈連續(xù)直線(xiàn)狀分布，②號(hào)區(qū)域的裂縫沿壩軸線(xiàn)方向呈不規(guī)則曲線(xiàn)分布，分析其產(chǎn)生的原因?yàn)椋?/p>

（1）該水庫(kù)壩址基巖為白堊系砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，這種“巖石”是介于巖石與土之間的過(guò)渡類(lèi)型，往往含有親水性物質(zhì)，其主要特點(diǎn)是巖質(zhì)松軟，抗壓強(qiáng)度低，開(kāi)挖后風(fēng)化速度較快，遇水易軟化膨脹崩解，并產(chǎn)生一定的膨脹壓力。壩址基巖單軸抗壓強(qiáng)度低，壩體混凝土不均勻沉降是導(dǎo)致裂縫形成的主要因素。

（2）連接壩段混凝土分縫分塊較大，大體積混凝土在水泥水化熱作用下，將產(chǎn)生較高的水化熱溫升，形成不均勻非穩(wěn)定溫度場(chǎng)，產(chǎn)生非均勻的溫度變形。溫度變形在下部結(jié)構(gòu)和自身的約束下將產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，極易導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。溫度應(yīng)力是裂縫形成的原因之一。

4 壩基裂縫的處理措施

為確保壩體結(jié)構(gòu)的整體性和防滲要求，結(jié)合裂縫的形成原因，采用低壓灌漿法對(duì)裂縫進(jìn)行處理。

4.1 鉆孔

（1）對(duì)施工簡(jiǎn)圖所給布設(shè)點(diǎn)進(jìn)行施工放樣，確定孔的間距及數(shù)量滿(mǎn)足要求。

（2）沿裂縫方向布設(shè)一排間距為2.0 m的灌漿孔，孔深為1.5 m，每條裂縫均按以上形式布設(shè)。

（3）灌漿孔在灌漿前應(yīng)采用壓力水進(jìn)行裂隙沖洗，沖洗壓力為灌漿壓力的80%。沖洗時(shí)間至回水澄清時(shí)止或不大于20 min，沖洗后孔底殘留物厚度應(yīng)不大于20 cm。

4.2 壓水試驗(yàn)

壓水試驗(yàn)壓力值為最大灌漿壓力值的80%。在穩(wěn)定的壓力下，每3～5 min測(cè)讀一次壓入流量，連續(xù)4次讀數(shù)中最大值與最小值之差小于最終值的10%，或最大值與最小值之差小于1 L/min時(shí)，試驗(yàn)即可結(jié)束，最終的流量值作為計(jì)算值，具體計(jì)算方式按照水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范[15]。

4.3 灌漿

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)固結(jié)灌漿壓力（0.3 MPa），灌漿材料采用42.5級(jí)水泥拌制漿液，灌漿漿液的濃度應(yīng)由稀到濃逐級(jí)變換，用超細(xì)水泥和BR高效外加劑加強(qiáng)裂縫灌漿效果。

（2）灌漿封堵完成后，沿裂縫對(duì)稱(chēng)布置φ25騎縫筋和蓋重面上7 cm上下布設(shè)一層@25φ10鋼筋網(wǎng)片，最后使用A+B型新型環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行表層化學(xué)灌漿處理。

5 結(jié)論

為研究水庫(kù)連接壩段壩基蓋重混凝土裂縫的發(fā)育及處理措施，采用不跨縫檢測(cè)與跨縫檢測(cè)的方法對(duì)壩基蓋重混凝土裂縫進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)裂縫的形成原因進(jìn)行分析和研究，確定裂縫形成的主要因素，并采用低壓灌漿法對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ)處理。

（1）壩址基巖單軸抗壓強(qiáng)度低，壩體混凝土不均勻沉降是導(dǎo)致裂縫形成的主要因素。

（2）連接壩段混凝土分縫分塊較大，形成不均勻非穩(wěn)定溫度場(chǎng)，壩體內(nèi)部的溫度應(yīng)力為裂縫形成的原因之一。

（3）采用低壓灌漿法對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ)處理，確保壩體結(jié)構(gòu)的整體性和防滲透性。