藺河口碾壓混凝土拱壩水平層間縫的綜合處理

1、藺河口碾壓混凝土拱壩水平層間縫的綜合處理陳觀福 周建平 趙全勝（中國水電工程顧問集團公司，北京，100011）摘 要：藺河口水電站于2004年5月投產(chǎn)，其擋水為碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高96.5m，在施工過程中出現(xiàn)了一條大面積的水平裂縫，并進行了成功的處理。本文首先簡要介紹了水平層間裂縫的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展過程，初步探討分析了該裂縫的成因；重點介紹了為滿足壩體安全運行需要、恢復壩體整體結(jié)構(gòu)及防滲功能為目的施工措施，即采取對上、下游面的水平裂縫進行了以化學灌漿、表面嵌縫封堵為主，錨筋樁加固為輔的綜合處理方案。經(jīng)過壓水檢查、壩體臨時擋水、初期蓄水和發(fā)電運行等檢驗初步表明，裂縫的綜合處理效果明顯，保證了壩

2、體的運行安全，從而為其他碾壓混凝土壩的施工及類似裂縫的處理提供了有價值的參考。關(guān)鍵詞：碾壓混凝土拱壩，裂縫處理，化學灌漿，錨筋樁，SR塑性填料1 概述陜西藺河口水電站位于位于陜西省嵐皋縣境內(nèi)，電站總裝機72MW，大壩樞紐工程為碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高96.5m，壩底寬度為27.2m，壩頂高程515m，壩頂弧長為311m。大壩碾壓混凝土于2001年12月23日開始施工，采用通倉、薄層碾壓（攤鋪厚度34cm，碾壓厚度30cm）、連續(xù)上升法澆筑，至2003年6月25日完成全部碾壓混凝土澆筑并于同年10月27日下閘蓄水。2004年5月1日該電站開始發(fā)電。2002年8月，在大壩右拱圈側(cè)455.1m高

3、程壩面上發(fā)現(xiàn)一條水平裂縫，經(jīng)壓水試驗與取芯檢查，表明水平裂縫位于大壩第11碾壓升層（EL452.7mEL455.7m）的第8、9碾壓層面之間，上下游壩面裂縫在壓水檢查時存在連通現(xiàn)象，可以初步判斷該裂縫為水平貫穿性層間裂縫。經(jīng)參建各方的檢查研究并聽取有關(guān)專家的咨詢意見后，先后兩次對該層面水平裂縫進行了以化學灌漿和壩上游面嵌縫防滲封堵為主，錨筋樁加固為輔的綜合處理。 該裂縫經(jīng)過處理后，壓水檢查成果、壩體初期蓄水和一年來的發(fā)電運行檢驗表明綜合處理效果明顯，從而保證了壩體的運行安全，同時也為其他碾壓混凝土壩的施工及類似裂縫的處理提供了有價值的參考。2 水平縫的發(fā)展過程及其成因探討2.1 水平縫的發(fā)展過

4、程2002年8月8日發(fā)現(xiàn)大壩右拱圈側(cè)上游面有一條水平裂縫（可能在此之前已出現(xiàn)，但未及時發(fā)現(xiàn)），對現(xiàn)場查看，發(fā)現(xiàn)下游面相應(yīng)高程也有水平裂縫，水平裂縫縫的表面有氫氧化鈣溶出物。經(jīng)測量，上游面裂縫平均高程EL455.1m，下游面裂縫平均高程EL455.26m。2002年8月16日進行壓水試驗，裂縫滲水情況表明：上、下游壩面的水平裂縫均出現(xiàn)滲水，局部還有小股纖細水流噴射；此時，大壩上游壩面水平裂縫長約40m，下游壩面水平裂縫長約20m，最大裂縫寬度小于0.3mm。第一次裂縫化灌處理后，2002年10月21日發(fā)現(xiàn)水平裂縫局部仍有滲水現(xiàn)象，并且在進一步向拱冠方向擴展，第一次化灌未能取得預(yù)期的效果。2002

5、年11月20日開始第二次裂縫處理，在鉆孔施工過程中，尤其是在對化灌孔進行壓風趕水時，裂縫進一步向拱冠方向發(fā)展。經(jīng)測量，上游面EL455.1m水平裂縫從右壩肩延伸至距拱冠（4#誘導縫）19.95m處（如圖1所示），下游面EL455.26m水平裂縫從右壩肩延伸至距拱冠28.6m處，裂縫面積約1000m2，這樣大面積的水平裂縫在國內(nèi)外碾壓混凝土工程中都是罕見的，處理難度相對大。圖 1 藺河口碾壓混凝土壩的上游面視圖2.2 水平層間裂縫成因初探根據(jù)施工單位試驗室和業(yè)主試驗室的檢測結(jié)果及監(jiān)理工程師旁站記錄，從原材料到現(xiàn)場施工質(zhì)量、碾壓混凝土物理力學指標以及取芯查結(jié)果表明，第11升層的RCC本體質(zhì)量與其它

6、升層并無顯著性差異，且能滿足設(shè)計要求。同時，第8、9碾壓層的層間間隔時間也滿足施工規(guī)范（DL/T5112-2000）要求。根據(jù)現(xiàn)場施工記錄，從2002年5月6日至10日，在澆筑第11升層的碾壓混凝土時，埋設(shè)的PVC冷卻水管曾多次出現(xiàn)漏水情況（現(xiàn)場PVC冷卻水管接頭為套管連接并用鉛絲綁扎，未采用硫化熱粘接），2002年8月30日才將El.461.0m以下的冷卻水管用砂漿將其封堵。從2002年5月5日至8月30日之間，大部分時間用冷卻水對混凝土進行冷卻，進水溫度約為69，但2002年5月10日至25日采用河水冷卻，當時的水溫為1524。由于冷卻水的高位水池在530m高程，到裂縫層面EL455.1m

7、處有75m左右的水頭，水頭差大，水力劈裂作用大。另外，由于剛攤鋪碾壓完后即對混凝土進行冷卻，冷卻水的冷激引起的溫差也將在碾壓混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，例如，在2002年6月，冷卻水的進水溫度為69，出水溫度為1018，當時混凝土的溫度為30，冷卻引起的溫降為49。但剛攤鋪碾壓的混凝土強度很低，若通水時間過早，發(fā)生漏水，冷卻水將沿水平碾壓層面，將層面的膠凝材料稀釋、帶走，嚴重影響層面的結(jié)合質(zhì)量，從而形成薄弱面，且在冷卻水溫降的作用下可能產(chǎn)生初始裂縫。至于2002年10月后的裂縫擴展，一方面是由于混凝土內(nèi)部溫降，溫度應(yīng)力產(chǎn)生的原因。如T341溫度計緊鄰裂縫位置，位于460m高程3和4誘導縫的中部，距上

8、游面的距離為3.4m，該部位的混凝土澆筑溫度為14，在2002年10月的溫降約為14；另一方面，第一次裂縫處理時的壓水、壓風都會在縫端產(chǎn)生應(yīng)力集中，導致裂縫進一步向拱冠方向擴展。綜上所述，層面PVC冷卻水管接頭漏水，高位水池冷卻用水的水力劈裂和通水過早引起的溫降很可能是形成層間薄弱面和甚至水平裂縫的起因，隨后在混凝土溫度降低過程中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力及裂縫處理過程中外力的干擾很可能是水平裂縫擴展的原因。因客觀條件限制，以上這些對該裂縫形成和發(fā)展原因的推斷只是局限在定性的分析基礎(chǔ)之上，有待進一步通過計算論證才能的最終形成科學的論斷。3 水平縫的綜合處理3.1 第一次裂縫處理根據(jù)拱壩規(guī)范（SL282-2

9、003）對拱壩混凝土的抗拉強度要求及拱壩應(yīng)力分布特點，第一次的裂縫處理設(shè)計方案在作業(yè)面布置了8排共184個332錨筋樁，鉆孔直徑大于110mm，上游3排的間排距約為1.51.5m，下游5排的間排距約為3.03.0m，錨筋樁設(shè)計孔深9.3m；布置了5排共84個化學灌漿孔，間排距約為3.03.0m，化灌孔孔深6.8m，孔徑為110mm和90mm；在壩上游裂縫面布置了化灌埋管、在下游裂縫面布置了灌漿貼嘴。第一次裂縫處理所在壩面高程為461.4m。根據(jù)壩體防滲要求，在上游縫面采用鑿槽回填SR止水填料和環(huán)氧砂漿、表面貼一層環(huán)氧玻璃布的措施。處理范圍為3#誘導縫上游以左26.75m、下游以左10.0m，向

10、右處理至455.1m高程右拱端，裂縫處理面積約890m2。所用化學灌漿材料為LPL，基液A與基液B的體積比為1.35：1，LPL漿液的粘度較大。3.2 第二次裂縫處理由于第一次化學灌漿沒有取得預(yù)期的效果，而且裂縫繼續(xù)向拱冠方向發(fā)展，為了進一步增強縫面防滲、提高裂縫區(qū)域混凝土的抗拉強度、限制裂縫的發(fā)展，隨后進行了第二次裂縫處理。第二次裂縫處理所在壩面高程為470.7m，處理設(shè)計方案在工作面布置了6排共150個化學灌漿孔，第一排距上游面2.0m，第二排與第一排的間距為2.0m，其余各排之間的間距為3.0m，孔距為3.0m，化灌孔孔深16m，孔徑56mm，過縫40cm；在裂縫新擴展區(qū)至拱冠（4#誘導

11、縫）間布置了19根332錨筋樁（鉆孔直徑90mm）封鎖縫面左端，限制水平裂縫向拱冠發(fā)展，孔深18.6m；在裂縫擴展最前沿至拱冠之間預(yù)埋43個化灌孔引至478廊道的觀測室，根據(jù)裂縫發(fā)展情況在適當?shù)臅r間對其進行化灌；在上下游面布置了排氣管，灌漿采用純壓式趕灌法。為了確保壩體防滲，在上游縫面采用鑿槽回填SR止水填料和環(huán)氧砂漿，上下游縫面表面貼一層環(huán)氧玻璃布的措施，上、下游壩面裂縫處理剖面如圖2所示。處理范圍：上下游縫面從右拱端到距拱冠（4#誘導縫）分別為19.55m和28.6m處，裂縫處理面積約1000m2。第二次裂縫處理采用的化學灌漿材料為中化798L，在龍羊峽水電工程的基礎(chǔ)處理中得到了成功應(yīng)用，

12、對窄縫處理的適應(yīng)性較好。錨筋樁孔內(nèi)回填砂漿強度達設(shè)計強度的50%后才能進行灌漿施工；上游表面縫的環(huán)氧砂漿回填應(yīng)在洗孔結(jié)束后進行，并且強度達設(shè)計的50%后才能進行中化798化學灌漿。4 裂縫處理的化灌工藝簡介第二次裂縫處理的工序為：壩面清理化灌孔及錨筋樁造孔（回轉(zhuǎn)巖芯鉆機造孔；同時進行上游面鑿槽）工作面的清理高壓水清洗錨筋樁孔錨筋樁孔排水錨筋樁安裝及回填砂漿封孔錨筋樁砂漿等強3天后用風水混合物清洗化灌孔灌漿孔管路的埋設(shè)及封孔（灌漿孔設(shè)進漿管和排氣管；同時進行上下游縫面的封堵和排氣管施工）化灌孔回填砂漿等強3天后進行高壓水洗縫和化灌孔壓水化灌孔壓水試驗（確定最大灌漿壓力）高壓風排除縫面及孔內(nèi)積水（

13、上下游縫面的封堵、排氣管安裝結(jié)束）灌注丙酮排水高壓風排出孔內(nèi)丙酮（回收）中化798化學灌漿上下游面排氣管灌漿待凝檢查孔的布置及施工。(a)上游面裂縫(b)下游面裂縫圖2 上下游縫面處理的示意圖（單位：cm）根據(jù)試驗結(jié)果，中化798-L漿液在20環(huán)境條件下起始黏度約為16mPa.s，正常配方的漿液歷時12的漿液黏度約為3355 mPa.s之間，只要灌漿壓力適當，純灌歷時有保障，該黏度的漿液仍具有較好的可灌性。裂縫灌漿效果不僅與縫寬、漿液黏度有關(guān)，還與灌漿壓力、純灌歷時和灌漿機具有關(guān)。在縫寬一定的情況下，根據(jù)縫寬的大小、縫面的性狀選擇相應(yīng)的化灌材料、灌漿機具、灌漿壓力、純灌歷時和結(jié)束標準，對裂縫缺

14、陷處理至關(guān)重要。而且，灌漿壓力、純灌歷時和結(jié)束標準應(yīng)根據(jù)工藝試驗和現(xiàn)場施工情況進行及時調(diào)整。中化798-L的化學灌漿采用化灌專用計量泵，排量和壓力可根據(jù)實際情況調(diào)整。每個化灌孔埋設(shè)一根進漿管和一根排氣管（4鐵管），用高壓灌漿管連接灌漿泵和灌漿管路。大規(guī)模化灌前進行了中化798-L化學灌漿現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗，用于檢驗壓丙酮和化灌各工序，化灌最大壓力為1.2Mpa。試驗時下游壩面裂縫及右壩肩下游有個固結(jié)灌漿檢查孔依次出水、水和丙酮混合物、丙酮、丙酮和漿液混合物、直到出漿。試驗驗證了在縫面內(nèi)丙酮趕水、漿趕丙酮的預(yù)期效果。5 裂縫處理的效果5.1 縫面吃漿量分析在整個化灌過程中，每間隔23小時對化學漿液中

15、化798-L進行黏度檢測，以保證漿液的可灌性。根據(jù)原始記錄，大部分化灌孔的漿液起始黏度都在812m.Pas之間，每個孔化灌結(jié)束前的漿液黏度都在2025m.Pas以內(nèi)。整個化灌過程中，灌漿壓力穩(wěn)定，壓力值和純灌歷時滿足設(shè)計要求。第二次裂縫處理的水平裂縫面積約1000m2。壩面中化798-L化學灌漿(不含引管區(qū))的總耗漿量為5176.2L，其中的管路占漿1325.3L，棄漿量為176.4L，壓力進漿量(包括漏漿量)為3674.5L，估計壓力凈吃漿量為830.5L。上游縫面排氣管壓力凈吃漿量32.7L，下游縫面排氣管壓力凈吃漿量72L?？梢姡搅芽p縫面充填了大量的中化798-L漿液。2003年8月

16、在壩頂進行了鉆孔取芯，最大芯樣長度10.57m。利用裂縫處理區(qū)域的鉆孔還可對裂縫處理進行質(zhì)量檢查，在芯樣的該層面上可以清楚看到填充飽滿的化學漿材。5.2 中化798-L與混凝土的粘結(jié)性能為了驗證中化798-L漿液與碾壓混凝土的粘結(jié)強度，2002年12月將由碾壓混凝土90d齡期劈拉試驗破型后得到試塊用中化798-L漿液粘結(jié)起來，在室內(nèi)養(yǎng)護28d和90d后用劈拉試驗測定漿液的粘結(jié)強度，28d后混凝土粘結(jié)劈拉強度約為2.29Mpa2.56Mpa，90d后混凝土粘結(jié)劈拉強度約為2. 2.26Mpa3.23Mpa。從劈裂后的試驗塊來看，大多數(shù)混凝土劈裂是從混凝土處斷開，而不是從粘結(jié)處斷開，表明中化798

17、-L與混凝土的粘結(jié)性較好。同時要說明的是，該粘結(jié)試驗結(jié)果與實際灌漿效果還是有一定差距的，在鉆孔取芯過程中，幾根芯樣均在裂縫面斷開，說明實際灌漿粘結(jié)強度達不到原混凝土本體強度。5.3 壓水檢查結(jié)果化灌結(jié)束后于2003年8月在化灌區(qū)布置了4個壓水孔，在EL456mEL454m(穿過EL455.1m水平裂縫縫面)試驗段的透水率依次為0.00312 Lu、0.00284 Lu、0.0053 Lu、0.0366 Lu，滿足設(shè)計要求。工程蓄水前對預(yù)埋管區(qū)進行了壓水檢查，結(jié)果表明裂縫沒有再向拱冠進一步擴展。另外，壩體裂縫處理還經(jīng)受了2003年7月臨時度汛擋水和2003年10月開始的蓄水考驗；2004年5月開

18、始發(fā)電，經(jīng)過一年多的發(fā)電運行，均未發(fā)現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，蓄水后大壩各項安全監(jiān)測數(shù)據(jù)正常。6 幾點經(jīng)驗和教訓（1） 碾壓混凝土在次高溫和高溫季節(jié)的施工是各工程不可避免的問題，目前所采用的埋設(shè)塑料冷卻水管的辦法是行之有效的溫控措施之一，但要切實做好水管的接頭處理，避免碾壓設(shè)備可能對其造成的破壞。（2）根據(jù)碾壓混凝土的溫度過程特點和凝結(jié)時間，應(yīng)選擇合適的冷卻水通水時間，這樣即使水管發(fā)生損壞，也不會對碾壓混凝土層面造成太大的損傷。（3）要根據(jù)裂縫的不同特點選擇合適的化灌漿材。目前可供混凝土裂縫處理使用的化學灌漿材料很多，如本工程第一次化灌所使用的LPL，在三峽工程中運用的很成功，可是由于其黏度大，并不適合藺河口這樣的大面積裂縫處理，而第二次使用中化798就很成功，說明根據(jù)縫寬的大小、縫面的性狀選擇相應(yīng)的化灌材料、灌漿機具和灌漿參數(shù)，對裂縫缺陷處理至關(guān)重要。（4）根據(jù)壩體碾壓混凝土的溫度過程歷時，選擇合適的化學灌漿時間。在壩體溫度應(yīng)力相對穩(wěn)定，裂縫不再發(fā)展的低溫季節(jié)進行化學灌漿處理，可以提高處理的成功幾率。但在工程建設(shè)過程中發(fā)生這樣的問題，如何將工期損失減少到最小也是很突出的問題，往往難于抉擇。（5）化學灌漿之前應(yīng)盡量使裂縫面保持干凈，不受水和其他粉塵的污染，以提高化灌漿材與混凝土之間的粘結(jié)力。藺河口水平層間裂縫處理中，