某水電站引水洞襯砌混凝土裂縫成因分析

張宏山

（中國葛洲壩集團第三工程有限公司，西安 710000）

混凝土裂縫是混凝土質(zhì)量控制中的通病，但裂縫的影響因工程性質(zhì)和建筑部位重要性的不同而不同。尤其在水電站引水洞工程中，隧洞襯砌混凝土裂縫對隧洞結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性以及對混凝土內(nèi)部的鋼筋侵蝕，都有很大影響。同時，在隧洞長期運營期間，因裂縫問題帶來的泥沙滲漏、混凝土掉塊、鋼筋剝離甚至局部垮塌等，也增加了運營和維護成本。因此，在施工期間，如何盡可能地減少混凝土裂縫，是工程質(zhì)量管控的重點。本文以某水電站引水洞襯砌混凝土裂縫為例，進行了相關(guān)的研究分析。

1 工程概況

某水電站項目為長隧洞引水式發(fā)電站，最大靜水頭922.72 m，總裝機容量約為884 MW。引水隧洞全線長度為23.156 km，根據(jù)地形條件，中間設(shè)有7 條施工支洞。引水洞全洞段采用鋼筋混凝土襯砌，洞襯砌斷面為馬蹄形斷面，襯砌后的斷面尺寸B×H=6.3 m×6.05 m，底板寬度為5.5 m。根據(jù)圍巖類型不同，引水洞襯砌厚度范圍為300～600 mm，襯砌鋼筋型號為φ13～φ32 不等。

2 襯砌施工方法

根據(jù)斷面尺寸、進度目標(biāo)、襯砌設(shè)備以及工機具配置規(guī)格，該項目制定了底板襯砌采用鋼管樣架加人工抹面施工方法，邊頂拱襯砌采用門架式襯砌臺車跳倉澆筑施工方法。

2.1 底板襯砌施工

1）襯砌方法。從引水洞各控制段（2 條施工支洞之間的主洞部分）中心點采用端退法完成底板襯砌施工。針對雙臺車邊頂拱襯砌，在臺車就位前，需完成控制段中心點往支洞口方向至少10 倉的底板襯砌施工。

2）倉位設(shè)計。底板襯砌范圍為底板及兩側(cè)50 cm高矮邊墻。襯砌倉位長度分別為12 m/倉和18 m/倉。

3）鋼筋和模板安裝。底板鋼筋安裝前需搭設(shè)架立筋，架立筋為φ22 的鋼筋，采用插筋固定，插筋采用φ22 的鋼筋，插筋長度0.8～1.2 m，入巖0.5 m。底板襯砌模板主要包括50 cm 的矮邊墻模板和80 cm 的底板封頭模板。底板襯砌模板主要采用散裝鋼模板，矮邊墻轉(zhuǎn)角處采用自制異形鋼模板，異形模板采用3 mm 厚鋼板焊接制作，每塊長度1.5 m，開孔位置與采購的散裝模板一致。模板采用巖壁預(yù)埋φ22 插筋，焊接φ12 的拉條配合鋼管圍檁固定，插筋長度為1.5 m，入巖1.2 m，縱向間距為1.0 m。底板收倉面采用鋼管樣架控制，樣架頂面高程通過φ16 螺桿螺母微調(diào)控制。螺桿螺母與φ22 的插筋（即固定架立筋的插筋）焊接。

4）混凝土澆筑。混凝土泵機布置在壁龕中，攪拌車在此區(qū)域下料和等待下料，攪拌車靠一側(cè)?？?，另一側(cè)可滿足攪拌車等車輛通過。底板及矮邊墻混凝土采用φ50 軟軸式插入振搗器振搗。

2.2 邊頂拱襯砌施工

1）施工方法。邊頂拱襯砌采用可通行門架式邊頂拱鋼模臺車，隧洞貫通后，將臺車大件運進洞內(nèi)組裝，然后從各控制段中心點采用端退法完成全部邊頂拱襯砌施工（臺車布置參如圖1 所示）。襯砌過程中，2 部臺車襯砌時需保持4 倉的間隔距離，能有效避免先澆塊頂拱強度不足導(dǎo)致砼受損的問題。

2）鋼筋制安。在臺車就位前，采用人工搭設(shè)鋼管腳手架平臺的方式進行鋼筋綁扎施工；臺車就位后，施工人員在自制的移動式鋼筋臺車上進行鋼筋綁扎。為保證此厚度，采用在模板與鋼筋之間加墊預(yù)制混凝土塊，預(yù)制混凝土塊厚度與鋼筋保護層厚度一致，強度不得低于結(jié)構(gòu)混凝土強度；對鋼筋與噴混凝土之間的保護層，則在固定鋼筋的插筋上標(biāo)示出保護層位置，在此位置上綁扎鋼筋。

3）預(yù)埋件施工。邊頂拱止水帶采用臺車自帶的止水卡扣固定。灌漿孔、排水孔需預(yù)埋φ50 的PVC 管，采用扎絲與鋼筋捆緊綁牢，外側(cè)管口綁扎8 cm×8 cm×2 cm（長×寬×厚）泡沫板，泡沫板貼緊模板，方便后期鉆孔時快速精確找準(zhǔn)孔位，同時泡沫板作為后期灌漿完成后的標(biāo)準(zhǔn)孔口修補面。

4）混凝土澆筑。邊墻倉：邊頂拱鋼模臺車設(shè)計時增設(shè)分窗進料系統(tǒng)，通過主料管、三通分流槽、分流串筒以及入窗溜槽結(jié)合的方式，并配置簡單易操作的插板閥門，從而實現(xiàn)混凝土流向各工作窗口，最終達到不拆接主泵管，混凝土可逐窗分層對稱下料。倉位上升速度不得大于1.0 m/h，兩側(cè)對稱下料高度差不得大于0.5 m。

頂拱倉：頂拱倉應(yīng)從高程低的一端向高程高的一端澆筑。通過頂拱部位的觀察窗口對混凝土的上升進行觀察，當(dāng)混凝土接近觀察窗口時，將泵管改接到頂拱中心部位的封拱器上，由封拱器繼續(xù)向頂拱范圍打料。在每倉高程高的一端頂拱處安裝出漿管，出漿管出漿便可停止打料，確保頂拱澆筑密實無空腔。

混凝土均采用平倉法澆筑，分層下料，分層厚度不超過40～50 cm，人工平倉，嚴(yán)禁以振搗代替平倉。邊墻振搗主要采用φ50 插入式軟軸振搗器，邊角部位采用φ30 插入式軟軸振搗器振搗，頂拱采用臺車自帶的附著式振搗器輔助振搗。

5）其他方面?；炷翝仓仨毐３诌B續(xù)性，避免出現(xiàn)冷縫，如因故中斷超過30 min 后，必須按施工縫處理。

3 裂縫檢查

現(xiàn)場嚴(yán)格上述施工方法進行襯砌施工，在完成引水洞底板襯砌1 200 m，邊頂拱襯砌700 m 左右時，現(xiàn)場質(zhì)檢人員對襯砌混凝土裂縫情況進行系統(tǒng)的統(tǒng)計，情況如下。

A 控制段（12 m 長倉位）45%的倉位出現(xiàn)裂縫，裂縫基本上出現(xiàn)在邊頂拱，最大裂縫寬度0.6 mm，大多為縱向裂縫，局部有環(huán)向裂縫和冷縫。

B 控制段（18 m 長倉位）55%的倉位出現(xiàn)裂縫，裂縫基本分部在底板，最大裂縫寬度0.2 mm。大多為環(huán)向裂縫。

另外，對某底板混凝土裂縫位置進行了取芯，檢查底板環(huán)向裂縫深度，取芯長度23 cm，裂縫呈貫穿狀，裂縫寬度0.2 mm，可以判斷為貫穿性裂縫。

4 成因分析

根據(jù)現(xiàn)場裂縫統(tǒng)計情況，項目部組織設(shè)計、技術(shù)、施工、質(zhì)量、試驗以及其他相關(guān)人員對裂縫成因進行了分析，認(rèn)為以下6 個方面可能是產(chǎn)生裂縫的原因。

4.1 溫度

1）環(huán)境溫度監(jiān)測。引水洞A 控制段，襯砌施工環(huán)境平均溫度為19.1 ℃，襯砌混凝土出機口溫度為18.6 ℃，入倉溫度為20.8 ℃。引水洞B 控制段，襯砌施工環(huán)境平均溫度19.6 ℃，襯砌混凝土出機口溫度為19.1 ℃，入倉溫度為21.1 ℃。

2）混凝土內(nèi)部溫度監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在A控制段混凝土澆筑完成后3 d，內(nèi)部溫度達到峰值61 ℃，與環(huán)境溫度（19.1 ℃）相差41.9 ℃。B 控制段混凝土在3 d 后內(nèi)部溫度就達到峰值56.6 ℃，與環(huán)境溫度（19.1 ℃）相差37.5 ℃。2 個部位混凝土內(nèi)外溫差都大于規(guī)范要求。

4.2 配合比

本工程引水洞襯砌混凝土配合比和同地區(qū)其他幾個工程配合比主要參數(shù)，對比見表1。

表1 混凝土配合比對比表

通過上述比較可以看出，本工程引水洞襯砌混凝土配合比中水泥用量較其他工程偏大。

4.3 施工工藝

1）滲水處理效果不佳。通過現(xiàn)場觀察，混凝土裂縫基本上都存在滲水，存在混凝土澆筑前的倉位內(nèi)滲水引排不到位的情況。隧洞襯砌時為封閉斷面澆筑，當(dāng)澆筑倉位有地下滲水時，受混凝土的阻擋，將形成較高的水壓力，或?qū)е滤鲙ё呋炷翝{液，或擊穿新澆筑的混凝土，形成流水通道，從而形成裂縫。

2）鋼筋保護層。通過現(xiàn)場觀察，部分表層鋼筋保護層厚度大于設(shè)計要求?；炷翝仓蟪跗谒療岽罅酷尫牛斐苫炷林行臏囟壬仙^大，引起的體積變化較大，而混凝土表面因環(huán)境溫度較低，散熱較快，溫度上升較小，引起的體積變化也較小，這樣中心混凝土膨脹變形受表面混凝土約束，于是中心混凝土受壓，表面混凝土受拉，而因鋼筋保護層過大，導(dǎo)致表面混凝土抗拉能力下降，混凝土更易產(chǎn)生裂縫。

3）混凝土振搗。根據(jù)規(guī)范要求，插入式振搗器振搗時間30 s 為宜，而附著式振搗器應(yīng)適當(dāng)延長時間，在50 s 為宜。現(xiàn)場可能存在振搗時間不滿足要求的情況。

混凝土振搗不足，導(dǎo)致混凝土密實度差，結(jié)構(gòu)整體強度降低，自身收縮抵抗約束力能力下降，更易產(chǎn)生裂縫。

4）混凝土養(yǎng)護。根據(jù)施工方案要求，混凝土澆筑后及時灑水養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不少于14 d。但經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)生邊頂拱倉養(yǎng)護過程中，因養(yǎng)護用水水壓不夠，部分頂拱部位的養(yǎng)護時長和養(yǎng)護覆蓋面不夠，導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。同時，底板倉位養(yǎng)護方法也不規(guī)范。部分底板倉位因處于下游側(cè)，澆筑完成后倉位長期處于施工廢水（來自上游側(cè)倉位的養(yǎng)護用水）覆蓋下，加上隧洞貫通后，洞內(nèi)溫度低，水溫也低，以致于底板倉內(nèi)外溫差巨大，從而導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。

4.4 分倉長度

A 控制段襯砌倉位長度12 m，B 控制段襯砌倉位長度18 m，襯砌混凝土裂縫情況對比，18 m 襯砌混凝土產(chǎn)生的裂縫數(shù)量要多于12 m 襯砌倉位。

混凝土倉位長度較大，一次澆筑的混凝土方量增加，產(chǎn)生的水化熱也會增加，體積變化更大，收縮后，因倉位長度過長，約束力也會增加，導(dǎo)致在一倉不同部位產(chǎn)生多條裂縫。尤其表現(xiàn)為在18 m 倉位中間位置形成的貫徹性環(huán)向裂縫。

4.5 原材料質(zhì)量

工程所用水泥除了廠家合格證，還做了強度、凝結(jié)時間和安定性試驗，同時，對水泥的儲存和堆放也做了嚴(yán)格要求。砂石骨料由自有砂石系統(tǒng)破碎生產(chǎn)，期間做了篩分試驗、含泥量試驗、有機質(zhì)含量試驗、針片狀含量試驗以及含泥量試驗等，各項參數(shù)均符合設(shè)計要求。拌合用水來自當(dāng)?shù)匮┥饺谒?，不含有害雜質(zhì)。減水劑和引氣劑除了廠家自檢合格，現(xiàn)場也進行摻配試驗，并根據(jù)氣溫條件，在澆筑過程中，進行動態(tài)微調(diào)。粉煤灰摻合料存儲在專用倉罐中，也做了防潮和防污染措施。因此混凝土原材料各項性能指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，不存在因原材料質(zhì)量不合格引起的裂縫。

4.6 地質(zhì)情況

經(jīng)過對前期開挖期間的地質(zhì)素描對比分，引水洞A 控制段和B 控制段圍巖類別分布情況大致相當(dāng)。

A 控制段開挖期間共安裝收斂變形監(jiān)測斷面25組，均無較大變形，最大累計變形量為-32.3 mm（監(jiān)測時長248 d）。B 控制段開挖期間共安裝收斂變形監(jiān)測斷面28 組，均無較大變形，最大累計變形量為-24.3 mm（監(jiān)測時長358 d）。

通過上述地質(zhì)分析，裂縫洞段的圍巖有好有差，埋深高低不一，變形監(jiān)測數(shù)據(jù)均無較大異常，說明隧洞處于穩(wěn)定狀態(tài)，不存在大幅度收斂變形引發(fā)的襯砌裂縫情況。

綜合上述原因分析，項目部認(rèn)為除因施工工藝造成的冷縫及養(yǎng)護不及時造成的表面龜裂外，裂縫普遍出現(xiàn)的原因主要為水化熱過高，其次分倉長度及施工工藝也對裂縫的形成產(chǎn)生了一定的影響。

5 預(yù)防措施

盡管隧洞襯砌混凝土裂縫在其他工程普遍存在，是混凝土質(zhì)量缺陷的通病，不可能完全消除，但仍需采用積極措施，盡可能地減少裂縫對建筑結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)合成因分析，項目部制定了以下預(yù)防措施。

5.1 優(yōu)化混凝土配合比

參考本工程其他部位混凝土不同齡期的強度以及其他類似工程的配合比設(shè)計，對現(xiàn)有襯砌混凝土配合比進行優(yōu)化，調(diào)整水泥和粉煤灰摻量配比，在確?；炷翉姸鹊那疤嵯拢档突炷了療?，降低內(nèi)外溫差，從而減少裂縫的產(chǎn)生。

5.2 倉內(nèi)設(shè)置誘導(dǎo)縫

根據(jù)對12 m 和18 m 襯砌倉位混凝土裂縫統(tǒng)計情況來看，18 m 襯砌倉位混凝土產(chǎn)生的裂縫較12 m 襯砌倉位裂縫的多，而且裂縫大多出現(xiàn)在倉位總長的1/3和2/3 處。經(jīng)與設(shè)計單位溝通，分析認(rèn)為襯砌分倉長度過長是混凝土環(huán)向裂縫增加的主要原因，但考慮到引水洞襯砌工期緊張，同時，部分底板倉位已按18 m 長度提前實施，最終制定了在18 m 倉位內(nèi)按每隔6 m 設(shè)置誘導(dǎo)縫的措施。

5.3 加強原材料管理

加強對原材料的重視，材料入場前需做好必要的質(zhì)量驗收工作，對已入場的材料，加強存放管理，使用前還需進行抽檢，看其存放過程中是否存在變質(zhì)問題，性能指標(biāo)能否滿足要求，質(zhì)量不達標(biāo)的原材料不得使用。還要重視對原材料的溫度把控，避免因原材料溫度過高，導(dǎo)致混凝土入倉溫度過高。

另外，骨料存放需設(shè)置遮陽棚和水洗系統(tǒng)，骨料在太陽暴曬下導(dǎo)致表面和骨料內(nèi)部失水，在混凝土拌制后骨料吸水率高，容易造成混凝土自身收縮增大，誘導(dǎo)裂縫產(chǎn)生。

5.4 提高施工工藝

1）加強澆筑倉備倉前的施工排水。在混凝土備倉前，嚴(yán)格按照已批復(fù)的施工方案進行倉內(nèi)滲水處理。尤其對邊頂拱，集中滲水采用PVC 管插管引排，對大面積點狀滲水，則需按PVC 花管+土工布+隔水板的方式進行引排。

2）嚴(yán)格按照施工方案控制鋼筋制保護層厚度。嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙對鋼筋放樣，確保鋼筋位置準(zhǔn)確，鋼筋保護層厚度需滿足設(shè)計要求。

3）嚴(yán)格控制混凝土下料高度。嚴(yán)格控制混凝土下料高度及澆筑速度，充分利用臺車配置的三層下料窗口及頂拱封拱器進行下料，澆筑過程中對稱下料。

4）加強混凝土振搗?；炷翝仓^程中充分振搗，除頂拱外，其余部分均應(yīng)采用軟軸式振搗棒配合附著式振搗器進行振搗，提高混凝土的密實度和均質(zhì)性，減少內(nèi)部微裂縫和氣孔，提高混凝土抗裂性。嚴(yán)禁私下切割鋼筋。

5）對入倉混凝土取樣，進行同條件養(yǎng)護對比，確定最佳的拆模時間，避免因拆模過早，邊頂拱混凝土強度不足，提前承擔(dān)圍巖壓力和自身重力，從而引起的裂縫。

6 結(jié)束語

該水電站項目引水洞施工工期緊，制約條件多，但在采用相應(yīng)的預(yù)防措施后，后續(xù)襯砌混凝土質(zhì)量得到了顯著改善，裂縫數(shù)量大幅度減少，最終實現(xiàn)了工期提前、質(zhì)量達標(biāo)的控制目標(biāo)。其中的施工方法、裂縫成因及預(yù)防措施可供類似工程參考和借鑒。