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Kubia水电站大坝混凝土裂缝成因分析

来源:原创论文网 添加时间:2018-08-17

  摘要:Kubia水电站大坝出现裂缝, 影响因素主要是坝体内外温差、混凝土干缩、自生体积变形和外部约束作用等几方面。分别对此裂缝问题进行了探讨分析, 并针对具体情况提出了一些预防、处理措施, 裂缝经处理后该坝体处于受控状态, 未影响正常使用。

  关键词:碾压混凝土重力坝; 裂缝分类; 成因分析; 裂缝处理;

混凝土裂缝论文  配图

  1 工程概况

  Kubia水电站是西非最大的水电站之一, 工程枢纽由挡水坝、溢流坝、引水建筑物、泄流底孔及厂房建筑物等组成, 坝轴线呈S曲线布置, 总长1145.5m。碾压混凝土重力坝, 最大坝高22 m, 坝顶长1060m, 库容0.23亿m3。

  坝区基岩主要为泥盆纪的辉绿岩和奥陶系石英砂岩、泥质粉砂岩, 岩质类型以灰黑色、深灰色辉绿岩为主, 其次为深部的砂岩等, 均为硬质岩。坝区岩体共分5类, 开挖后的坝基主要为弱风化的辉绿岩, 岩体一般属Ⅲ级。坝址区未见断层出露, 节理裂隙主要发育有3组, 节理一般延伸长, 切层深, 连通性好。

  根据统计资料分析, 坝址区夏季5月~9月最高气温高于35℃, 平均每年45d, 极端最高42℃, 春秋冬季节温度变化大。

  2 裂缝基本情况

  2.1 裂缝统计

  在施工期间, 根据裂缝位置、形状、走向、缝长、缝宽、缝深及缝面是否漏水等, 进行巡视、检查。对于缝宽≥0.3mm或缝长≥5m的裂缝, 还进行缝深检查, 缝深检查采用钻斜孔压风方法为主, 必要时增加了孔内摄像和声波法检查。通过检查, 发现在溢流坝段、挡水坝段等部位前后出现多种类型的裂缝。

  依据现有裂缝分析, 裂缝多出现于大体积常态混凝土, 主要分布于大坝基础、坝面及坝顶 (堰顶) 等部位, 类型多样化, 主要裂缝统计如下:

  (1) 28~30#坝段基础裂缝8条。

  (2) 3~32#坝段坝前裂缝210条, 基础强约束区裂缝179条。

  (3) 一期溢流坝段28~32#坝段堰顶裂缝20条。

  (4) 蓄水前排查27~38#坝段溢流坝溢流面裂缝434条。

  (5) 蓄水后排查1~26#挡水坝段坝顶裂缝285条。

  裂缝大多数垂直于坝轴线, 分段出现, 长度和宽度大小不一。

  2.2 裂缝分类

  (1) 按裂缝的成因划分

  这些裂缝是由各种变形, 包括温差, 干缩湿胀和不均匀沉降等因素促成的, 属于非结构性裂缝。裂缝是在其结构的变形受到限制时产生的内应力造成的。

  (2) 按裂缝产生的时间划分

  本次统计的裂缝属于施工期间出现的裂缝, 包括塑性收缩裂缝、沉降收缩裂缝、干燥收缩裂缝、自身收缩裂缝、温度裂缝、施工操作不当出现的裂缝及一些不规则裂缝。

  (3) 按裂缝的发展状态划分

  根据统计期间的观测, 综合分析裂缝所处的运动状态及其发展趋势, 本次统计的裂缝属于稳定性裂缝, 这种裂缝不影响坝体使用。

  3 坝体裂缝分类成因

  Kubia水电站大坝混凝土出现裂缝成因大体可归纳为以下几个类别: (1) 气候环境所造成的温度裂缝; (2) 基础强约束区形成的裂缝; (3) 特殊的岩石结构及地质变化出现的结构裂缝; (4) 大坝浇完后马上蓄水遭受冷击产生的温度裂缝。

  3.1 基础裂缝

  根据大坝基础裂缝分布汇总表, 裂缝出现的位置基本上处于坝基地形突变位置, 或者位于宽大裂隙位置附近。坝基在应力集中的部位遭受外部条件的强约束、特殊的基岩结构、混凝土自身材料性能等因素成为大坝混凝土产生裂缝的主要因素, 基础裂缝产生原因有以下几个方面:

  (1) 坝基开挖地形高低不平, 变化较大, 存在应力集中现象。

  (2) 36~39#坝段岩性与其他坝段不一致, 造成大坝沉降量不一致。

  (3) 坝基岩石呈巨厚状, 个别坝段基岩存在节理和层理发育的情况, 特别是基础上层, 将岩石分割成独立的岩体块状, 破坏了岩石的整体性。

  (4) 大体积混凝土浇注完后初期硬化时产生的大量水化热得不到较好的散发, 导致混凝土内外温差较大使混凝土的形变应力超过允许极限应力而引起的裂缝。

  (5) 混凝土浇筑后期, 温度逐渐下降, 混凝土也随之收缩, 在混凝土与基础岩面结合部位受到基础岩面的约束力, 从而在混凝土内部产生拉应力, 导致出现裂缝。

  3.2 坝面裂缝

  (1) 大坝有些单个坝段长细比比较大, 已达到伸缩缝结构设计的上限, 坝面未设置限裂钢筋, 是产生裂缝的主要原因。

  (2) 依据设计图纸分析, 整个大坝被廊道分割成两块, 上游块宽度2m, 下游块最大宽度13m、最小宽度6.65m。廊道周边无配筋结构是形成混凝土裂缝的另一重要原因。

  (3) 坝体为长条型结构, 混凝土内部热量沿上下游外露散热良好, 但沿坝轴线方向散热不良, 内外温差的不一致形成水平拉应力。当水平应力超过混凝土的抗拉极限强度时将混凝土拉裂而形成裂缝。

  (4) 大坝浇完后, 很快蓄水, 冷水蓄积造成坝体内外温差增加, 内应力加大, 是造成了大坝裂缝产生的另一原因。

  根据以上情况可以看出, 在坝体易产生裂缝的部位, 未采取可靠的预防限裂措施是造成大坝坝面裂缝的重要原因。

  4 综合成因分析

  经过统计分析坝体各部位出现的裂缝, 可以得出以下结论:

  (1) 大坝枢纽长细比过大产生的裂缝

  大坝枢纽工程轴线长, 横缝按照设计规范的上限30m设置, 而坝体顺水向宽度较小, 长宽比约为1.82∶1~6∶1, 属于典型的长条状结构断面。混凝土内部散热在块体内不均匀。混凝土表面由最高温度冷却到稳定温度时间短, 而混凝土内部的水化热急剧升温, 由于内外温差引起的温度应力往往在混凝土长边方向出现较大的拉应力。特别是在结构突变部位和长宽比大的情况下, 更易出现裂缝的薄弱部位。因此, 大坝混凝土单个坝段长细比太大, 坝前未设置限裂钢筋, 致使混凝土产生裂缝。

  (2) 强约束区坝体未采取限裂措施产生的裂缝

  坝基为斜层块状结构, 局部存在软弱夹层 (土、碎块石充填) 、断层节理等地质缺陷, 这些地质缺陷容易造成应力不均。斜层状基岩在爆破后局部不平整, 基岩自身强度和坝体混凝土强度不均也造成了坝基应力集中现象突出。这些自然和人为的地质现象都会成为坝体裂缝的诱导因素。

  当地白天混凝土表面气温最高可达45℃, 强烈日晒、蒸发、相对湿度、刮风等因素的影响, 造成混凝土体积急剧收缩, 而此时混凝土终凝前几乎没有强度或强度很小, 无法抵抗其本身收缩, 因此产生塑性收缩裂缝。

  5 裂缝处理

  5.1 裂缝处理工艺

  (1) 1#机EL56.50层透平油罐室、油处理室地面渗水处理

  由于该部位底板为隐渗, 无明显渗水点, 鉴于本部位基岩存在宽大裂隙, 节理裂隙发育, 经现场察看后商议确定对该部位进行刻槽铺填碎石, 用彩条布隔离形成透水层进行引排, 并采取增加底板混凝土厚度方式进行处理。

  (2) EL46廊道2#、3#机分缝渗水处理

  因EL46.00廊道渗水部位特殊, 无法采用水泥灌浆或化学灌浆方式进行处理, 现场采用刻槽埋管引排的方式将渗水引入廊道排水沟。按设计文件要求, 采取“缝面和排水槽灌浆+缝口嵌缝+表面喷涂”进行处理:

  (1) 缝面灌浆主要是对迎水面至第一道止水片之间缝面的灌浆, 灌浆材料为LW水溶性聚胺酯。骑缝布置灌浆孔, 间距30cm, 孔深20cm, 孔径Φ20, 灌浆量1.6kg/m~2.0kg/m, 采用Φ15灌浆管埋设。灌浆设备为手动压力泵, 灌浆压力为0.2 MPa~0.3 MPa。缝面及孔口采用堵漏王进行封闭, 然后通气检查确保孔与孔之间串通良好。灌浆由下向上逐孔灌注, 灌浆压力由小到大, 逐渐增加。

  灌浆结束标准:缝面停止吸浆后再继续灌注30min。

  (2) 灌浆结束3天后再对缝口进行嵌填处理, 嵌填方式为“凿槽20×8cm”, “U型槽+嵌填SR止水材料+回填903砂浆”。

  (3) 在横缝两侧各1m, 上下各2m范围进行表面喷涂防水涂料, 涂刷材料为KT1水泥基渗透结晶型防水涂料, 涂料搅拌均匀, 随伴随用, 涂刷均匀、无遗漏、无空白, KT1防水涂料潮湿养护至少14d。

  6 结语

  混凝土裂缝是混凝土施工中的主要通病, 成因较多, 机理复杂, 包括基础不均匀沉降、温度和湿度的变化, 混凝土的脆性和不均匀性, 以及结构不合理, 原材料不合格, 模板变形等。为了保证建筑物和构件的安全, 一方面要从控制温度、改变约束、降低温度着手, 另一方面应设法提高混凝土的抗裂性能。只有在施工中采取行之有效的措施, 才能控制裂缝的出现或延伸, 进而保证建筑物安全、稳定的工作。

  Kubia水电站大坝主体工程施工已全部完成, 各种原材料试验检测、混凝土内部质量钻孔取芯、压水检查等资料显示, 大坝混凝土整体质量比较好, 施工质量满足设计要求, 工程质量处于受控状态。

  参考文献
  [1]中国水利电力对外公司.Kubia水利枢纽工程设计报告[R].
  [2]水利水电工程施工组织设计规范 (SL303-2004) [S].
  [3]水利水电工程施工组织设计手册[M].中国水利水电出版社, 2001.

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