坝基垫层混凝土开裂原因及对策.pdf
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1、第40 卷第2 期2023年6 月长江工程职业技术学院学报Journal of Changjiang Institute of TechnologyVol.40 No.2Jun.2 0 2 3坝基垫层混凝土开裂原因及对策马富强,符昌胜,李海波(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司,贵阳5 5 0 0 0 2)摘要:某水库枢纽挡水建筑物为混凝土拱坝,受施工工期及导流时段制约,需在高温季节浇筑大坝基础垫层混凝土。混凝土垫层浇筑完毕后,在混凝土表面发现多处裂缝。建设方对混凝土裂缝进行了认真细致的检查和分类,确认裂缝的性质,通过对混凝土浇筑过程的全面梳理,分析了裂缝产生的可能原因,并对裂缝进行了灌浆处
2、理。经处理后未出现裂缝向上部延伸的情况,达到预期处理目标,说明对裂缝产生的原因分析基本合理,为类似工程提供了参考。关键词:拱坝坝基;垫层混凝土;裂缝;成因分析中图分类号:TV222.2DOI:10.14079/42-1745/tv.2023.02.0041工程概况某水库位于贵州省黔西县和大方县的界河上,水库总库容46 6 910*m,工程等别为等,工程规模属中型。水库工程由混凝土双曲拱坝、坝顶溢洪道、坝身泄洪兼放空底孔、右岸库首取水口等部分组成。工程的主要任务是城镇供水,兼顾农田灌溉。大坝为C25碾压混凝土抛物线双曲拱坝,坝顶长137.8 9 m,坝顶宽6 m,底宽2 4m。坝顶高程1290.
3、50m,河床建基面开挖高程1137.5 m,最大坝高15 3m(含3m垫层),拱坝建筑物级别为2 级。2建基面地质条件河谷呈基本对称“V型峡谷,岸坡高陡,岸坡大部分为基岩裸露,在部分地形较缓地带有残坡积粘土夹碎石,堆积厚度不大,覆盖层深0-1.5 m。地层岩性为Tiynl-灰岩。岩层为单斜构造,岩层产状为1852256 10,岩层总体倾下游偏右岸 1。河床坝基开挖至设计高程1137.5 m,揭露的地层为三叠系下统永宁镇组第一段(Tiyn)薄至中厚层灰色灰岩,岩体呈微风化至新鲜状态。坝基岩体产状为2 0 0-2 10 Z68,缓倾下游,坝基发育裂隙均为闭合裂隙,以N60E/SE8285裂隙发育为
4、主;在坝基布置了三组声波测试孔,坝基岩体波速在4000-4500m/s,R Q D 7 0%,岩体较完整,岩块单轴饱和抗压强度在40-6 0 MPa,岩体强度较高,坝基收稿日期:2 0 2 3-0 3-0 7作者简介:马富强(198 0-),男,陕西咸阳人,高级工程师,大学,研究方向:水工建筑物设计。一18 一文献标识码:A文章编号:16 7 3-0 49 6(2 0 2 3)0 2-0 0 18-0 5岩溶不发育,不存在隐伏岩溶发育,坝基岩体完整,坝基岩体工程地质分类为B2类,坝基承载力为5.0MPa,坝基承载力及抗变形能够满足设计要求。3垫层混凝土设计坝基垫层厚3m,采用二级配C25混凝土
5、浇筑,抗渗指标W10,抗冻指标F50。结合坝基上下游近直立开挖的情况,垫层采用基坑满浇施工。垫层混凝土仓面较大,设计采用两道折线缝将浇筑块水平分为三块,如图1所示。折线分缝/2.000先浇块后浇块C2swio25二级配混凝土图1坝基垫层混凝土浇筑分块平面布置(单位:mm)垫层厚3m,采用两层浇筑,每次浇筑厚度1.5m,并在高程1139.5 m布置冷却水管,如图2所示。通水冷却设计要求如下:冷却水采取天然河水冷却;坝体混凝土温度与冷却水之间温差不得超过25;通水冷却时管内流量为2 0-2 5 L/min;在水管出口设置流量计和闸阀,以控制通水流量。通水过程中对管道流量及冷却水的进、出口水温1-2
6、 h测量一次,按照内外温差不超过2 5,混凝土最大降温速率不超过1/d的原则,确定进水量及水流速度。进出水温差控制在10 左右。折线分缝2.000先浇块缝宽0.33mm马富强,等坝基垫层混凝土开裂原因及对策裂缝3缝宽0.7 5 mm缝宽1mm;裂缝1缝宽1mm缝缝宽0.2 3mm缝宽0.33mm缝宽0.2 5 mm缝宽0.5 mmy冷却水管骑缝钢筋网1 140.50016200200又1 139.0 0又1 137.5 0图2 坝基垫层混凝土浇筑冷却水管布置缝宽0.0 4mm缝宽0.15 mm裂缝6缝宽0.2 5 mm缝宽0.0 8 mm/骑缝钢筋网01620020044444折线分缝Cm25
7、二级配垫层混凝土F50裂缝2折线分缝图4坝基垫层混凝土裂缝分布示意4垫层混凝土施工过程及开裂情况坝基垫层混凝土分左、中、右三个区域分开浇筑,为了满足1139.0 m高程布置冷却水管的要求,每个区域混凝土分两层(层厚1.5 m)浇筑。共分为6次浇筑,浇筑顺序及浇筑时间如图3所示。左岸先浇块右岸先浇块2 0 2 2.6.7?2022.6.15524.93m3544.15m32 0 2 2.5.30?2022.6.12471.81m3538.31m图3坝基垫层混凝土施工分序示意混凝土人仓温度2 1.5-2 3,采用分层台阶式浇筑方法,分层厚度按5 0 0 mm控制。因在汛期施工,混凝土浇筑过程中,多
8、次受到降雨暂停和仓面洪水淹没,混凝土浇筑断断续续一共用了2 6 d才完成。2 0 2 2 年6 月16 日,垫层混凝土浇筑完成,6 月2 2日先浇筑的左右岸块体发现开裂。同年7 月8 日再次对垫层进行检查,共发现6 条裂缝,表观大裂缝共有3条,横向连通三个块体的1#裂缝,右岸块向上游开展的3#缝,河中间块向上游开裂贯通上游面的4#缝。通过现场对裂缝端头和中部取芯观察,对裂缝复核调查后统计结果见表1及分布图(如图4)。表1垫层混凝土裂缝特征统计裂缝最大缝宽量最大裂缝裂缝长度部位备注名称/mm横穿左中裂缝1约1右块裂缝2右岸块0.02裂缝3右岸块0.02裂缝4中间块0.55裂缝5左岸块0.15裂缝
9、6左岸块0.025垫层混凝土裂缝成因分析5.1混凝土与基础温差过大根据混凝土拱坝设计规范 2 111.2.1条,基础约束区混凝土2 8 d龄期的极限拉伸值不低于0.8 510-4、基岩和混凝土弹性模量相近、短间歇均匀上中间先浇块升浇筑时基础约束区混凝土的基础容许温差应按表2的规定确定。2 0 2 2.6.6505.01m32 0 2 2.5.2 9432.57m深度/m/m2.844.570.24.425.94表层龟裂7.41暂未取芯0.810.013.11表层龟裂表2 基础约束区混凝土基础容许温差单位:距基岩面浇筑块长边1高度H40m19-1616-1422-1919-172023年6 月5
10、.3新浇混凝土雨水冷击右侧第一仓混凝土于5 月2 9 日完成浇筑,在混凝土发热最高的第三天仓面被大雨淹没,受到冷击的混凝土容易产生温度应力,从而导致浇筑块开裂,也和初期右侧块首先开裂趋势一致。5.4折线分缝的影响垫层浇筑期间气温较高且降雨较多、现场浇筑层间间隔时间长、混凝土与基础温差不满足规范要求、在混凝土弹性模量增大后,受雨水冷击温度降低造成较大的拉应力,使得混凝土块体在长边中部截面较小位置开裂。设计采用两条纵缝将垫层分成三块浇筑,使得块体长边改为顺河向,对施工和结构整体是相对有利的。设计根据现场浇筑过程和冷却过程对坝基垫层混凝土进行了仿真分析,分别对直线分缝和折线分缝进行了模拟。根据垫层混
11、凝土取芯抗压强度推测抗拉强度为3.7 MPa,扣除安全系数后为2.4MPa,从以下两个分缝方式拉应力云图来看,两种分缝方式均会产生拉裂缝。因此从块体形状来看,受温度应力影响,块体在长边易出现开裂,从而形成垂直河道的裂缝。折线型式的分缝易造成局部应力集中,易造成横向裂缝贯通,但不是垫层混凝土开裂的首要原因。AVGELEMENTSOLUTIONSYMAX.(AVG)TIME-690DMX-0.02SMN-O.7SMX-4.81Y图5 直线分缝温度应力分布AVGELEMENTSOLUTIONTIME=690SYMAX.(AVG)DMX-0.02SMN-0.7SMX=4.81YZX图6 折线分缝温度应
12、力分布6垫层混凝土裂缝对结构的影响大体积混凝土裂缝的危害主要有两点:影响结构整体性;影响结构抗渗性能,降低结构耐一2 0 一长江工程职业技术学院学报久性。拱坝垫层混凝土四周均为完整的岩体,可以提供较强的约束,垫层受力方向主要为上部坝体的重力,因此裂缝对结构整体性影响较小 5。从发现的6 条垫层裂缝中看,4条开展方向为垂直河向,2 条开展方向为顺河向。其中规模最大的为垂直河向的1#裂缝,虽然贯通性较强,但考虑到未连通垫层上下游,加之位于幕灌浆线上,因此对于结构抗渗性能影响有限。但顺河向的4#裂缝已连通垫层上游面,需重点处理和观测。顺河向的3#裂缝未连通上游面,需采取闭缝措施阻止裂缝向上游发展。从
13、垫层混凝土取芯试验成果来看,混凝土强度达到设计要求,经裂缝灌浆处理和后期幕加强灌浆处理后,是能够满足工程结构受力和抗渗要求的。7对于垫层混凝土抗裂的思考7.1关于垫层厚度垫层混凝土是碾压混凝土与坝基不平整面衔接的措施,根据碾压混凝土坝设计规范6(SL314-2018)有四种处理措施,分别是常规混凝土(厚度一般大于1m)、常态混凝土找平层(厚度30 mm-ANSYS2019R1500mm),变态混凝土或直接铺设砂浆找平后进行0一碾压混凝土施工。目前垫层施工的方向是简化工0.3艺,与碾压混凝土相似,减少厚度,达到基础找平能0.6够为碾压施工即可。本水库工程在初设阶段布置了0.91.21.5MN1.
14、82.12.4.ANSYS.2019R!Build 19.300.30.60.91.2-1.5MN1.8-2.1-2.4.第40 卷第2 期3m厚垫层,目的是施工期结合开挖揭露,若地质条件较好可直接在垫层厚度上优化而不调整拱坝体形。实际上,即使不优化坝基开挖高程也可以采用规范的思路简化垫层施工,采用变态混凝土(基岩平整度较差)或者砂浆(基岩平整度较好)找平后采用碾压混凝土回填形成垫层。因此采用传统思维布置较厚的垫层混凝土是不太利于工程实施和质量保证的7。7.2关于垫层混凝土配合比垫层混凝土配合比欠妥当主要有以下几个因素:受垫层所受高水头约束,根据水工混凝土结构设计规范8 1(SL191-200
15、8),垫层混凝土承受水头大于15 0 m,抗渗标准不低于W10,设计偏保守采用二级配C25混凝土;现场未对建议配合比进行适当优化(平行取样试块强度普遍大于C30),使得混凝土胶凝材料用量偏高;受水泥制造行业拆小并大影响,中低热水泥的采购困难,混凝土初期发热偏高;常态混凝土掺合料普遍掺用粉煤灰,一般掺马富强,等坝基垫层混凝土开裂原因及对策量可按30%,根据最新的一些混凝土试验,掺量可达6 0%,对混凝土指标并无不利影响,在大体积混凝土中,宜采用高掺粉煤灰以减少初期温度上升幅度 9;设计考虑到大体积混凝土在强基础约束区,若温度控制不严格,易造成开裂,因此在配合比中加入了5%的氧化镁,现场实施是处于
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