混凝土面板堆石壩補(bǔ)強(qiáng)面板裂縫成因及修補(bǔ)

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【摘要】混凝土面板堆石壩工程造價(jià)低，可以就地取材，因此在我國(guó)中小型水電站工程適用廣泛。但由于面板堆石壩透水性較強(qiáng)，特別是天氣寒冷地區(qū)或蓄水前面板的安全格外重要。本文主要闡述的就是混凝土面板堆石壩蓄水前（壩基前區(qū)低、后區(qū)高）外水反滲問(wèn)題； 計(jì)算 分析反滲壓力如何造成面板破壞，如何預(yù)防等。文章中第一節(jié)簡(jiǎn)要介紹松山引水工程概況；第二節(jié)敘述松山混凝土面板堆石壩的大概施工過(guò)程；第三節(jié)詳細(xì)介紹混凝土補(bǔ)強(qiáng)面板凸起事故：事故發(fā)現(xiàn)、事故結(jié)果檢查及采取的再補(bǔ)強(qiáng)處理措施，并以B16面板為例計(jì)算分析和論述補(bǔ)強(qiáng)面板裂縫成因。最后提出混凝土面板堆石壩特殊壩基情況下的處理建議。

  【關(guān)鍵詞】混凝土面板堆石壩；裂縫；面板凸起原因；外水反滲【Abstract】Concrete front-panel heap stone dam the engineering build price low, can acquire necessary material locally, so in the our country small scaled water electricity station the engineering apply extensive.But because of front-panel heap stone dam deeply water be stronger, especially the weather cold region or retain water front panel of safety particularly importance.This text is main to elaborate of be a concrete front-panel heap the stone dam retain water front(dam the area be low before the empress area) outside water anti- Shen problem;Calculation analysis anti- Shen pressure how result in front-panel break, how prevention etc..Section 1 synopsis introduction Sungshan lead water engineering general situation in the article;Section 2 describe concrete front-panel heap in Sungshan stone dam of probably construction process;Section 3 is detailed introduction concrete compensation the front-panel be convex since the trouble:Trouble detection, trouble result check and adopt of again compensation processing measure, and with B16 front-panel for example calculation analysis and discuss compensation front-panel crack become because of.The end put forward concrete front-panel a heap a stone dam special dam Ji under the circumstance of processing suggestion.   【Key words】Concrete front-panel heap stone dam;Crack;Front-panel convex reason;The outside water anti- Shen    1. 工程概況    松山引水工程位于吉林省撫松縣第二松花江上游支流漫江上，是松江河梯級(jí)電站的一項(xiàng)引水工程，即將漫江水通過(guò)引水洞引至松江河供小山及下游電站發(fā)電。該工程由混凝土面板堆石壩、岸坡式溢洪道和引水系統(tǒng)組成。溢洪道位于面板堆石壩的左岸，引水系統(tǒng)由進(jìn)水口、引水隧洞和出水口組成，為二級(jí)建筑物。松山混凝土面板堆石壩屬大Ⅱ型水庫(kù)二等擋水建筑物工程，松山水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水頻率P=1.0%,設(shè)計(jì)洪水位與正常蓄水位均為711.00m，校核洪水頻率P=0.05%，校核洪水位713.25m，死水位為671.00m。水庫(kù)有效庫(kù)容為1.07×108m3，總庫(kù)容1.33×108m3，為年調(diào)節(jié)水庫(kù)。松山混凝土面板堆石壩壩頂高程713.80m，壩頂寬度8.00m，最大壩高80.80m，壩頂長(zhǎng)度為258.26m。壩上游面混凝土面板底坡1：1.4，頂坡1：1.4053；壩下游面設(shè)四層馬道，邊坡為1：1.4。    2. 簡(jiǎn)要施工經(jīng)過(guò)    松山大壩混凝土面板共計(jì)27塊，中央13塊面板，每塊寬12m；左、右側(cè)面板各7塊，每塊寬6m?；炷撩姘宸謨善诨Ｊ┕ぃ旱谝黄诿姘逵?004年8月至10月施工，共完成15個(gè)板塊，由▽633.00m（板厚度553mm）現(xiàn)澆到▽669.00m（板厚變?yōu)?37mm）；第二期混凝土面板于2005年7月至9月進(jìn)行滑模施工，共完成27個(gè)板塊，由▽669.00m（板厚437mm）澆筑到▽711.50m（板厚變?yōu)?00mm）。面板混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C30F300W8。    2005年5月6日施工單位清除越冬面板的保溫草墊子時(shí),發(fā)現(xiàn)第一期面板14#、15#、16#、17#板塊存在大量裂縫，監(jiān)理、施工、設(shè)計(jì)、業(yè)主等單位組成事故調(diào)查小組,并委托水利部東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院科研院進(jìn)行詳查。東勘院 科學(xué) 研究院對(duì)混凝土面板破壞的原因進(jìn)行了分析研究(在混凝土溫度應(yīng)力、混凝土凍融破壞、壩基工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、壩體內(nèi)部?jī)雒?、壩體內(nèi)外水頭差等幾方面)，最后得出結(jié)論：大壩混凝土面板是在2004年冬季（氣溫最低-40℃）、特殊的壩址地形和水文地質(zhì)條件下，大壩臨時(shí)施工排水管凍死，在負(fù)溫作用下，水的凍脹力產(chǎn)生的混凝土面板彎剪破壞。    針對(duì)一期面板破壞，由設(shè)計(jì)單位提出補(bǔ)強(qiáng)處理方案，混凝土面板下空腔采用水泥砂漿灌漿，在原12#～16#混凝土面板上面新筑一套面板（新面板厚0.3m），新面板表面和周邊縫及面板與趾板間縫均粘貼一層GB復(fù)合三元乙丙橡膠止水板，板厚8mm。    3. 補(bǔ)強(qiáng)混凝土面板凸起事故    3.1發(fā)現(xiàn)15#、16#補(bǔ)強(qiáng)面板抬動(dòng)、凸起。補(bǔ)強(qiáng)面板澆筑結(jié)束后，下一道工序就是大壩上游輔助防滲體的填筑，填筑材料主要選用粘土。    2005年11月10日封堵了趾板上的兩個(gè)施工排水孔。（兩個(gè)排水管均自周邊縫引出，管徑6分，封堵前兩管均為滿(mǎn)流。）10日下午開(kāi)始進(jìn)行輔助防滲體回填，當(dāng)晚23：00收工。11月11日上午施工單位發(fā)現(xiàn)部分補(bǔ)強(qiáng)面板凸起。    3.2事故結(jié)果檢查    3.2.1補(bǔ)強(qiáng)面板裂縫檢查。 業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工單位立即采取措施，組織人力，在B16板下部距周邊縫0.8m處鉆孔減壓(孔號(hào)ⅠⅡ)，孔徑4 cm，當(dāng)鉆孔穿透30 cm厚混凝土板時(shí)，立即出現(xiàn)射流，水柱高約3m。在16#補(bǔ)強(qiáng)面板靠近下部，拆開(kāi)1條寬0.85m的GB復(fù)合三元乙丙橡膠板（檢驗(yàn)部位為B16板最大凸起段，自周邊縫起沿坡向8.3m寬0.85m。），發(fā)現(xiàn)6條面板裂縫，各條縫距周邊縫的距離分別為3.8m、3.5m、3.1m、2.6m、1.8m，面板裂縫走向與壩軸線形成35°左右的夾角。用儀器檢測(cè)其中的4條裂縫，其裂縫寬度為1-2mm，裂縫深度為6.1-11.0cm。長(zhǎng)度因揭起橡膠板的寬度限制未量測(cè)。儀器的敏感度為0.1mm。    檢查結(jié)果表明抬動(dòng)和凸起最高的面板產(chǎn)生裂縫，但面板未發(fā)生斷裂?；炷撩姘辶芽p開(kāi)展寬度，超過(guò)混凝土面板堆石壩規(guī)范規(guī)定0.15～0.2mm，應(yīng)進(jìn)行處理。    3.2.2補(bǔ)強(qiáng)面板板間縫檢查。在第15#、16#補(bǔ)強(qiáng)面板抬動(dòng)凸起最高部位，拆除板間縫GB復(fù)合三元乙丙橡膠板，切割GB材料，發(fā)現(xiàn)V型縫粘結(jié)牢固，無(wú)濕潤(rùn)痕跡，但兩塊板略有錯(cuò)動(dòng)，確認(rèn)該處板間縫未破壞。    3.2.3補(bǔ)強(qiáng)面板周邊縫檢查。 在面板抬動(dòng)凸起最高部位，對(duì)應(yīng)第16#補(bǔ)強(qiáng)面板的周邊縫，拆除GB復(fù)合三元乙丙橡膠板，切割GB填縫材料，撬起后發(fā)現(xiàn)趾板端部局部表層擠壓破壞，有濕潤(rùn)痕跡。但是，GB填縫材料及橡膠棒完好，粘結(jié)牢固，并未發(fā)現(xiàn)有水滲出。    在第13#補(bǔ)強(qiáng)面板最右端周邊縫下部有積水，拆開(kāi)周邊縫后，發(fā)現(xiàn)GB填縫材料粘結(jié)牢固，V型縫及橡膠棒無(wú)濕潤(rùn)痕跡，干燥。    綜上所述，補(bǔ)強(qiáng)面板周邊縫GB填縫材料粘結(jié)牢固，檢查結(jié)果認(rèn)為，周邊縫未被破壞。    3.2.4補(bǔ)強(qiáng)面板及第Ⅰ期混凝土面板脫空檢查    (1)鉆孔位置：孔號(hào)為Ⅴ的孔位距第15#與16#板間縫左2.7m，距周邊縫2.6m；Ⅲ號(hào)孔的孔位在Ⅴ號(hào)孔上方0.8m。    (2)Ⅴ號(hào)孔檢查結(jié)果，脫空3.5m。    (3)Ⅲ號(hào)孔檢查結(jié)果，脫空1.5m。繼續(xù)鉆總深度85cm，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)排水現(xiàn)象。于11月14日將Ⅲ號(hào)孔由85cm繼續(xù)鉆至110cm，兩個(gè)檢查孔均有水溢出，檢查結(jié)果老面板沒(méi)有脫空。    (4)發(fā)現(xiàn)面板抬動(dòng)凸起時(shí)，在第16#補(bǔ)強(qiáng)低部靠近周邊縫80cm處打的兩個(gè)減壓孔（兩孔相距80cm左右），左孔（孔號(hào)Ⅰ）脫空1.5cm，右孔（孔號(hào)Ⅱ）脫空2.0cm。    3.3.1補(bǔ)強(qiáng)混凝土面板裂縫的補(bǔ)強(qiáng)范圍。補(bǔ)強(qiáng)范圍為大壩第Ⅰ期混凝土面板高程650.0m至周邊縫以下的趾板2.0m，大壩軸線樁號(hào)0+120.5～0+191.5m。    3.3.2補(bǔ)強(qiáng)混凝土面板裂縫的補(bǔ)強(qiáng)處理措施。在補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)粘貼一層復(fù)合GB三元乙丙橡膠板(厚3mm)，板間接縫采用搭接，搭接長(zhǎng)度150mm。粘鋪范圍包括板間縫和周邊縫部位與原結(jié)構(gòu)縫面層止水形成封閉的面層止水（拆除老面板周邊縫面層止水的鍍鋅鐵皮和螺栓的螺帽，將補(bǔ)強(qiáng)新增GB復(fù)合三元乙丙止水與原面層的三元乙橡膠板緊密粘結(jié)后，再安裝鍍鋅鐵皮和螺母），新老面層止水搭接長(zhǎng)度1.5m。    3.3.3在新增的復(fù)合GB三元乙丙橡膠板上游側(cè)，增加一層Ⅱ級(jí)或Ⅲ級(jí)干燥粉煤灰（或干燥粉細(xì)砂），水平層厚度不小于0.5m。鋪筑至高程651.00mm，兩側(cè)在本次補(bǔ)強(qiáng)范圍線各外延0.5m，即壩軸線樁號(hào)0+120.50m～0+191.50m。    3.3.4輔助防滲體,其粘土層的水平鋪筑厚度由原來(lái)的3m增至6m,鋪筑頂高程由原設(shè)計(jì)651.00m，改為高程655.00m，兩側(cè)沿壩軸線鋪至兩岸山坡。    粘土上游側(cè)的石碴的頂高程亦由原設(shè)計(jì)的高程651.00m相應(yīng)調(diào)整到高程655.00m。3.4面板凸起產(chǎn)生裂縫原因 計(jì)算 分析    3.4.1取單寬1米板進(jìn)行計(jì)算。    3.4.1沿坡向計(jì)算長(zhǎng)度L=21.5m，相應(yīng)高程為▽647.00～▽634.529m，板厚30cm。    3.4.3計(jì)算圖形，A端為周邊縫一端，是鉸結(jié)；B端由于沿坡向有位移，簡(jiǎn)化為支座。    B16面板剖面圖根據(jù)對(duì)B16板凸起段調(diào)查表明：檢查段長(zhǎng)8.3m，最高凸起部位距A點(diǎn)2.7m，C點(diǎn)脫空為零。AC長(zhǎng)8.3m。    3.4.4作用荷載    (1)水荷載：已知壩體內(nèi)部水位高程大概在639.4m左右，取639.4m計(jì)算，則作用水頭為639.4-634.529=48.71KN， A點(diǎn)作用水頭為48.71KN。C點(diǎn)水壓力為零。    (2)補(bǔ)強(qiáng)面板自重荷載q=24×0.3×cosα=24×0.3×0.81=5.76KN/ M2，此力為垂直坡面自重分力。    (3)計(jì)算斷面：B16面板凸起部位距A點(diǎn)2.7m，即圖3中D點(diǎn)，D點(diǎn)為水壓力合力作用點(diǎn)，正是8.3m的1/3處（近似計(jì)算），而8.3/3≈2.7。    3.4.5計(jì)算支點(diǎn)反力：    ∑MB=0， －P6×10.75－Ra×21.5+ PB×(21.5－2.7)=0     即：－10.75 P6－21.5 Ra+18.8 PB=0    即：－10.75×123.84－21.5 Ra+18.8×202=0    得：Ra=114.7KN。    3.4.6計(jì)算截面D破壞彎矩MD    ∑MD=0，即：－114.7×2.7+110×1.439+M0－5.76×2.7×2.7/2=0    得MD=－172.4KN/m，反時(shí)針彎矩。    3.4.7計(jì)算截面D抵抗彎距    面板厚0.3m，因鋼筋在面板中間，所以保護(hù)層厚為150mm。    h0=300－（150+18/2）=141mm    δ=As/bh0=1271.7/（1000×141）=0.009019    ξ=δ×fy/fcm=0.009019×310/16.5=0.169    （fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，fcm為混凝土彎曲抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。）    as=ξ(1-0.5ξ)=0.1547    設(shè)D截面抵抗力矩為Mn    Mn=asfcm×bh20=0.1547×16.5×1000×1412=50747246N/m=50.74KN/m    3.4.8面板強(qiáng)度校核。用材料力學(xué)公式M/W=б，計(jì)算B16面板凸起處表面混凝土應(yīng)力。    W=h2/6=0.32/6=0.015m3(補(bǔ)強(qiáng)面板厚0.3m),由此得D點(diǎn)面層混凝土的應(yīng)力為бD， бD=MD/WD=172.4/0.015=11490KN/m2=11.49MPa    B16面板最大凸起處混凝土抵抗力矩為50.74KN/m(破壞力矩為172.4KN/m), 破壞力矩遠(yuǎn)大于抵抗力矩，導(dǎo)致混凝土面板出現(xiàn)裂縫。而粘貼在補(bǔ)強(qiáng)面板表面的8mm厚的GB復(fù)合三元乙丙橡膠止水板，在混凝土面板凸起產(chǎn)生裂縫時(shí)，橡膠止水板產(chǎn)生拉伸，但其抗拉伸強(qiáng)度（15MPa）大于面板凸起處表面混凝土應(yīng)力。因此混凝土面板表層的三元乙丙橡膠板并未斷裂。    3.4.9面板凸起原因分析。由于大壩上游左岸壩基前區(qū)存在砂礫卵石層，為避免壩基基沉陷，大壩堆石體填筑前進(jìn)行壩基處理時(shí)將此砂礫卵石層帶挖除，形成前區(qū)低、后區(qū)高（前區(qū)▽633.00m，下游河道▽640.00m）的壩基情況。松山導(dǎo)流洞出口右岸巖體斷層裂隙水、溢洪道側(cè)玄武巖與安山巖的砂礫卵石夾層滲水及下游圍堰向上游滲水，匯流入上游凹陷處。填筑堆石體和混凝土面板施工時(shí)，大壩上游趾板上的兩個(gè)臨時(shí)施工排水管向外排水，保證壩體內(nèi)外壓力平衡。    當(dāng)大壩上游輔助防滲體填筑前，兩個(gè)施工排水管被堵死。經(jīng)一夜，壩體內(nèi)部水位上升，這樣內(nèi)水壓力反作用于面板上，引起B(yǎng)16面板凸起。    4. 建議    對(duì)于透水性強(qiáng)的面板堆石壩，壩基的內(nèi)水反滲壓力問(wèn)題應(yīng)引起高度重視，盡量避免形成壩基前區(qū)低、后區(qū)高的情形，如果由于地質(zhì)條件，可以挖除前區(qū)軟弱碎石層，再用混凝土加以填充。