混凝土面板堆石坝补强面板裂缝成因及修补

【摘要】混凝土面板堆石坝工程造价低，可以就地取材，因此在我国中小型水电站工程适用广泛。但由于面板堆石坝透水性较强，特别是天气寒冷地区或蓄水前面板的安全格外重要。本文主要阐述的就是混凝土面板堆石坝蓄水前（坝基前区低、后区高）外水反渗问题； 计算 分析反渗压力如何造成面板破坏，如何预防等。文章中第一节简要介绍松山引水工程概况；第二节叙述松山混凝土面板堆石坝的大概施工过程；第三节详细介绍混凝土补强面板凸起事故：事故发现、事故结果检查及采取的再补强处理措施，并以B16面板为例计算分析和论述补强面板裂缝成因。最后提出混凝土面板堆石坝特殊坝基情况下的处理建议。



1. 工程概况

松山引水工程位于吉林省抚松县第二松花江上游支流漫江上，是松江河梯级电站的一项引水工程，即将漫江水通过引水洞引至松江河供小山及下游电站发电。该工程由混凝土面板堆石坝、岸坡式溢洪道和引水系统组成。溢洪道位于面板堆石坝的左岸，引水系统由进水口、引水隧洞和出水口组成，为二级建筑物。松山混凝土面板堆石坝属大Ⅱ型水库二等挡水建筑物工程，松山水库设计洪水频率P=1.0%,设计洪水位与正常蓄水位均为711.00m，校核洪水频率P=0.05%，校核洪水位713.25m，死水位为671.00m。水库有效库容为1.07×108m3，总库容1.33×108m3，为年调节水库。松山混凝土面板堆石坝坝顶高程713.80m，坝顶宽度8.00m，最大坝高80.80m，坝顶长度为258.26m。坝上游面混凝土面板底坡1：1.4，顶坡1：1.4053；坝下游面设四层马道，边坡为1：1.4。

2. 简要施工经过

松山大坝混凝土面板共计27块，中央13块面板，每块宽12m；左、右侧面板各7块，每块宽6m。混凝土面板分两期滑模施工：第一期面板于2004年8月至10月施工，共完成15个板块，由▽633.00m（板厚度553mm）现浇到▽669.00m（板厚变为437mm）；第二期混凝土面板于2005年7月至9月进行滑模施工，共完成27个板块，由▽669.00m（板厚437mm）浇筑到▽711.50m（板厚变为300mm）。面板混凝土设计标号为C30F300W8。

2005年5月6日施工单位清除越冬面板的保温草垫子时,发现第一期面板14#、15#、16#、17#板块存在大量裂缝，监理、施工、设计、业主等单位组成事故调查小组,并委托水利部东北勘测设计研究院科研院进行详查。东勘院 科学 研究院对混凝土面板破坏的原因进行了分析研究(在混凝土温度应力、混凝土冻融破坏、坝基工程地质、水文地质、坝体内部冻胀、坝体内外水头差等几方面)，最后得出结论：大坝混凝土面板是在2004年冬季（气温最低-40℃）、特殊的坝址地形和水文地质条件下，大坝临时施工排水管冻死，在负温作用下，水的冻胀力产生的混凝土面板弯剪破坏。

针对一期面板破坏，由设计单位提出补强处理方案，混凝土面板下空腔采用水泥砂浆灌浆，在原12#～16#混凝土面板上面新筑一套面板（新面板厚0.3m），新面板表面和周边缝及面板与趾板间缝均粘贴一层GB复合三元乙丙橡胶止水板，板厚8mm。

3. 补强混凝土面板凸起事故

3.1发现15#、16#补强面板抬动、凸起。补强面板浇筑结束后，下一道工序就是大坝上游辅助防渗体的填筑，填筑材料主要选用粘土。

2005年11月10日封堵了趾板上的两个施工排水孔。（两个排水管均自周边缝引出，管径6分，封堵前两管均为满流。）10日下午开始进行辅助防渗体回填，当晚23：00收工。11月11日上午施工单位发现部分补强面板凸起。

3.2事故结果检查

3.2.1补强面板裂缝检查。 业主、设计、监理、施工单位立即采取措施，组织人力，在B16板下部距周边缝0.8m处钻孔减压(孔号ⅠⅡ)，孔径4 cm，当钻孔穿透30 cm厚混凝土板时，立即出现射流，水柱高约3m。在16#补强面板靠近下部，拆开1条宽0.85m的GB复合三元乙丙橡胶板（检验部位为B16板最大凸起段，自周边缝起沿坡向8.3m宽0.85m。），发现6条面板裂缝，各条缝距周边缝的距离分别为3.8m、3.5m、3.1m、2.6m、1.8m，面板裂缝走向与坝轴线形成35°左右的夹角。用仪器检测其中的4条裂缝，其裂缝宽度为1-2mm，裂缝深度为6.1-11.0cm。长度因揭起橡胶板的宽度限制未量测。仪器的敏感度为0.1mm。

检查结果表明抬动和凸起最高的面板产生裂缝，但面板未发生断裂。混凝土面板裂缝开展宽度，超过混凝土面板堆石坝规范规定0.15～0.2mm，应进行处理。

3.2.2补强面板板间缝检查。在第15#、16#补强面板抬动凸起最高部位，拆除板间缝GB复合三元乙丙橡胶板，切割GB材料，发现V型缝粘结牢固，无湿润痕迹，但两块板略有错动，确认该处板间缝未破坏。

3.2.3补强面板周边缝检查。 在面板抬动凸起最高部位，对应第16#补强面板的周边缝，拆除GB复合三元乙丙橡胶板，切割GB填缝材料，撬起后发现趾板端部局部表层挤压破坏，有湿润痕迹。但是，GB填缝材料及橡胶棒完好，粘结牢固，并未发现有水渗出。

在第13#补强面板最右端周边缝下部有积水，拆开周边缝后，发现GB填缝材料粘结牢固，V型缝及橡胶棒无湿润痕迹，干燥。

综上所述，补强面板周边缝GB填缝材料粘结牢固，检查结果认为，周边缝未被破坏。

3.2.4补强面板及第Ⅰ期混凝土面板脱空检查

(1)钻孔位置：孔号为Ⅴ的孔位距第15#与16#板间缝左2.7m，距周边缝2.6m；Ⅲ号孔的孔位在Ⅴ号孔上方0.8m。

(2)Ⅴ号孔检查结果，脱空3.5m。

(3)Ⅲ号孔检查结果，脱空1.5m。继续钻总深度85cm，没有发现排水现象。于11月14日将Ⅲ号孔由85cm继续钻至110cm，两个检查孔均有水溢出，检查结果老面板没有脱空。

(4)发现面板抬动凸起时，在第16#补强低部靠近周边缝80cm处打的两个减压孔（两孔相距80cm左右），左孔（孔号Ⅰ）脱空1.5cm，右孔（孔号Ⅱ）脱空2.0cm。

3.3.1补强混凝土面板裂缝的补强范围。补强范围为大坝第Ⅰ期混凝土面板高程650.0m至周边缝以下的趾板2.0m，大坝轴线桩号0+120.5～0+191.5m。

3.3.2补强混凝土面板裂缝的补强处理措施。在补强范围内粘贴一层复合GB三元乙丙橡胶板(厚3mm)，板间接缝采用搭接，搭接长度150mm。粘铺范围包括板间缝和周边缝部位与原结构缝面层止水形成封闭的面层止水（拆除老面板周边缝面层止水的镀锌铁皮和螺栓的螺帽，将补强新增GB复合三元乙丙止水与原面层的三元乙橡胶板紧密粘结后，再安装镀锌铁皮和螺母），新老面层止水搭接长度1.5m。

3.3.3在新增的复合GB三元乙丙橡胶板上游侧，增加一层Ⅱ级或Ⅲ级干燥粉煤灰（或干燥粉细砂），水平层厚度不小于0.5m。铺筑至高程651.00mm，两侧在本次补强范围线各外延0.5m，即坝轴线桩号0+120.50m～0+191.50m。

3.3.4辅助防渗体,其粘土层的水平铺筑厚度由原来的3m增至6m,铺筑顶高程由原设计651.00m，改为高程655.00m，两侧沿坝轴线铺至两岸山坡。

粘土上游侧的石碴的顶高程亦由原设计的高程651.00m相应调整到高程655.00m。3.4面板凸起产生裂缝原因 计算 分析

3.4.1取单宽1米板进行计算。

3.4.1沿坡向计算长度L=21.5m，相应高程为▽647.00～▽634.529m，板厚30cm。

3.4.3计算图形，A端为周边缝一端，是铰结；B端由于沿坡向有位移，简化为支座。

B16面板剖面图根据对B16板凸起段调查表明：检查段长8.3m，最高凸起部位距A点2.7m，C点脱空为零。AC长8.3m。

3.4.4作用荷载

(1)水荷载：已知坝体内部水位高程大概在639.4m左右，取639.4m计算，则作用水头为639.4-634.529=48.71KN， A点作用水头为48.71KN。C点水压力为零。

(2)补强面板自重荷载q=24×0.3×cosα=24×0.3×0.81=5.76KN/ M2，此力为垂直坡面自重分力。

(3)计算断面：B16面板凸起部位距A点2.7m，即图3中D点，D点为水压力合力作用点，正是8.3m的1/3处（近似计算），而8.3/3≈2.7。

3.4.5计算支点反力：

∑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计算截面D破坏弯矩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，反时针弯矩。

3.4.7计算截面D抵抗弯距

面板厚0.3m，因钢筋在面板中间，所以保护层厚为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为钢筋抗拉强度设计值，fcm为混凝土弯曲抗压强度设计值。）

as=ξ(1-0.5ξ)=0.1547

设D截面抵抗力矩为Mn

Mn=asfcm×bh20=0.1547×16.5×1000×1412=50747246N/m=50.74KN/m

3.4.8面板强度校核。用材料力学公式M/W=б，计算B16面板凸起处表面混凝土应力。

W=h2/6=0.32/6=0.015m3(补强面板厚0.3m),由此得D点面层混凝土的应力为бD， бD=MD/WD=172.4/0.015=11490KN/m2=11.49MPa

B16面板最大凸起处混凝土抵抗力矩为50.74KN/m(破坏力矩为172.4KN/m), 破坏力矩远大于抵抗力矩，导致混凝土面板出现裂缝。而粘贴在补强面板表面的8mm厚的GB复合三元乙丙橡胶止水板，在混凝土面板凸起产生裂缝时，橡胶止水板产生拉伸，但其抗拉伸强度（15MPa）大于面板凸起处表面混凝土应力。因此混凝土面板表层的三元乙丙橡胶板并未断裂。

3.4.9面板凸起原因分析。由于大坝上游左岸坝基前区存在砂砾卵石层，为避免坝基基沉陷，大坝堆石体填筑前进行坝基处理时将此砂砾卵石层带挖除，形成前区低、后区高（前区▽633.00m，下游河道▽640.00m）的坝基情况。松山导流洞出口右岸岩体断层裂隙水、溢洪道侧玄武岩与安山岩的砂砾卵石夹层渗水及下游围堰向上游渗水，汇流入上游凹陷处。填筑堆石体和混凝土面板施工时，大坝上游趾板上的两个临时施工排水管向外排水，保证坝体内外压力平衡。

当大坝上游辅助防渗体填筑前，两个施工排水管被堵死。经一夜，坝体内部水位上升，这样内水压力反作用于面板上，引起B16面板凸起。

4. 建议

对于透水性强的面板堆石坝，坝基的内水反渗压力问题应引起高度重视，尽量避免形成坝基前区低、后区高的情形，如果由于地质条件，可以挖除前区软弱碎石层，再用混凝土加以填充。