蔺河口碾压混凝土拱坝水平层间缝的综合处理

陈观福 周建平 赵全胜

（中国水电工程顾问集团公司，北京，100011）

摘 要：蔺河口水电站于2004年5月投产，其挡水为碾压混凝土双曲拱坝，最大坝高96.5m，在施工过程中出现了一条大面积的水平裂缝，并进行了成功的处理。本文首先简要介绍了水平层间裂缝的发现、发展过程，初步探讨分析了该裂缝的成因；重点介绍了为满足坝体安全运行需要、恢复坝体整体结构及防渗功能为目的施工措施，即采取对上、下游面的水平裂缝进行了以化学灌浆、表面嵌缝封堵为主，锚筋桩加固为辅的综合处理方案。经过压水检查、坝体临时挡水、初期蓄水和发电运行等检验初步表明，裂缝的综合处理效果明显，保证了坝体的运行安全，从而为其他碾压混凝土坝的施工及类似裂缝的处理提供了有价值的参考。

关键词：碾压混凝土拱坝，裂缝处理，化学灌浆，锚筋桩，SR塑性填料

1 概述

陕西蔺河口水电站位于位于陕西省岚皋县境内，电站总装机72MW，大坝枢纽工程为碾压混凝土双曲拱坝，最大坝高96.5m，坝底宽度为27.2m，坝顶高程515m，坝顶弧长为311m。大坝碾压混凝土于2001年12月23日开始施工，采用通仓、薄层碾压（摊铺厚度34cm，碾压厚度30cm）、连续上升法浇筑，至2003年6月25日完成全部碾压混凝土浇筑并于同年10月27日下闸蓄水。2004年5月1日该电站开始发电。

2002年8月，在大坝右拱圈侧455.1m高程坝面上发现一条水平裂缝，经压水试验与取芯检查，表明水平裂缝位于大坝第11碾压升层（EL452.7m~EL455.7m）的第8、9碾压层面之间，上下游坝面裂缝在压水检查时存在连通现象，可以初步判断该裂缝为水平贯穿性层间裂缝。经参建各方的检查研究并听取有关专家的咨询意见后，先后两次对该层面水平裂缝进行了以化学灌浆和坝上游面嵌缝防渗封堵为主，锚筋桩加固为辅的综合处理。

该裂缝经过处理后，压水检查成果、坝体初期蓄水和一年来的发电运行检验表明综合处理效果明显，从而保证了坝体的运行安全，同时也为其他碾压混凝土坝的施工及类似裂缝的处理提供了有价值的参考。

2 水平缝的发展过程及其成因探讨

2.1 水平缝的发展过程

2002年8月8日发现大坝右拱圈侧上游面有一条水平裂缝（可能在此之前已出现，但未及时发现），对现场查看，发现下游面相应高程也有水平裂缝，水平裂缝缝的表面有氢氧化钙溶出物。经测量，上游面裂缝平均高程EL455.1m，下游面裂缝平均高程EL455.26m。2002年8月16日进行压水试验，裂缝渗水情况表明：上、下游坝面的水平裂缝均出现渗水，局部还有小股纤细水流喷射；此时，大坝上游坝面水平裂缝长约40m，下游坝面水平裂缝长约20m，最大裂缝宽度小于0.3mm。

第一次裂缝化灌处理后，2002年10月21日发现水平裂缝局部仍有渗水现象，并且在进一步向拱冠方向扩展，第一次化灌未能取得预期的效果。

2002年11月20日开始第二次裂缝处理，在钻孔施工过程中，尤其是在对化灌孔进行压风赶水

时，裂缝进一步向拱冠方向发展。经测量，上游面EL455.1m水平裂缝从右坝肩延伸至距拱冠（4#诱导缝）19.95m处（如图1所示），下游面EL455.26m水平裂缝从右坝肩延伸至距拱冠28.6m处，裂缝面积约1000m2，这样大面积的水平裂缝在国内外碾压混凝土工程中都是罕见的，处理难度相对大。 contraction induced jointjointTop orificeinduced jointinduced jointcontraction jointreference planeinduced jointinduced jointupstream crackexcavation line 图 1 蔺河口碾压混凝土坝的上游面视图 2.2 水平层间裂缝成因初探 根据施工单位试验室和业主试验室的检测结果及监理工程师旁站记录，从原材料到现场施工质量、碾压混凝土物理力学指标以及取芯查结果表明，第11升层的RCC本体质量与其它升层并无显著性差异，且能满足设计要求。同时，第8、9碾压层的层间间隔时间也满足施工规范（DL/T5112-2000）要求。

根据现场施工记录，从2002年5月6日至10日，在浇筑第11升层的碾压混凝土时，埋设的PVC冷却水管曾多次出现漏水情况（现场PVC冷却水管接头为套管连接并用铅丝绑扎，未采用硫化热粘接），2002年8月30日才将El.461.0m以下的冷却水管用砂浆将其封堵。从2002年5月5日至8月30日之间，大部分时间用冷却水对混凝土进行冷却，进水温度约为6~9℃，但2002年5月10日至25日采用河水冷却，当时的水温为15~24℃。由于冷却水的高位水池在530m高程，到裂缝层面EL455.1m处有75m左右的水头，水头差大，水力劈裂作用大。另外，由于刚摊铺碾压完后即对混凝土进行冷却，冷却水的冷激引起的温差也将在碾压混凝土内部产生拉应力，例如，在2002年6月，冷却水的进水温度为6~9℃，出水温度为10~18℃，当时混凝土的温度为30℃，冷却引起的温降为4~9℃。但刚摊铺碾压的混凝土强度很低，若通水时间过早，发生漏水，冷却水将沿水平碾压层面，将层面的胶凝材料稀释、带走，严重影响层面的结合质量，从而形成薄弱面，且在冷却水温降的作用下可能产生初始裂缝。

至于2002年10月后的裂缝扩展，一方面是由于混凝土内部温降，温度应力产生的原因。如T341温度计紧邻裂缝位置，位于460m高程3＃和4＃诱导缝的中部，距上游面的距离为3.4m，该部位的混凝土浇筑温度为14℃，在2002年10月的温降约为14℃；另一方面，第一次裂缝处理时的压水、压风都会在缝端产生应力集中，导致裂缝进一步向拱冠方向扩展。

综上所述，层面PVC冷却水管接头漏水，高位水池冷却用水的水力劈裂和通水过早引起的温降

很可能是形成层间薄弱面和甚至水平裂缝的起因，随后在混凝土温度降低过程中产生的温度应力及裂缝处理过程中外力的干扰很可能是水平裂缝扩展的原因。

因客观条件限制，以上这些对该裂缝形成和发展原因的推断只是局限在定性的分析基础之上，有待进一步通过计算论证才能的最终形成科学的论断。

3 水平缝的综合处理 3.1 第一次裂缝处理

根据拱坝规范（SL282-2003）对拱坝混凝土的抗拉强度要求及拱坝应力分布特点，第一次的裂缝处理设计方案在作业面布置了8排共184个3Φ32锚筋桩，钻孔直径大于110mm，上游3排的间排距约为1.5×1.5m，下游5排的间排距约为3.0×3.0m，锚筋桩设计孔深9.3m；布置了5排共84个化学灌浆孔，间排距约为3.0×3.0m，化灌孔孔深6.8m，孔径为110mm和90mm；在坝上游裂缝面布置了化灌埋管、在下游裂缝面布置了灌浆贴嘴。第一次裂缝处理所在坝面高程为461.4m。根据坝体防渗要求，在上游缝面采用凿槽回填SR止水填料和环氧砂浆、表面贴一层环氧玻璃布的措施。

处理范围为3#诱导缝上游以左26.75m、下游以左10.0m，向右处理至455.1m高程右拱端，裂缝处理面积约890m2。所用化学灌浆材料为LPL，基液A与基液B的体积比为1.35：1，LPL浆液的粘度较大。

3.2 第二次裂缝处理

由于第一次化学灌浆没有取得预期的效果，而且裂缝继续向拱冠方向发展，为了进一步增强缝面防渗、提高裂缝区域混凝土的抗拉强度、限制裂缝的发展，随后进行了第二次裂缝处理。第二次裂缝处理所在坝面高程为470.7m，处理设计方案在工作面布置了6排共150个化学灌浆孔，第一排距上游面2.0m，第二排与第一排的间距为2.0m，其余各排之间的间距为3.0m，孔距为3.0m，化灌孔孔深16m，孔径Φ56mm，过缝40cm；在裂缝新扩展区至拱冠（4#诱导缝）间布置了19根3Φ32锚筋桩（钻孔直径90mm）封锁缝面左端，限制水平裂缝向拱冠发展，孔深18.6m；在裂缝扩展最前沿至拱冠之间预埋43个化灌孔引至478廊道的观测室，根据裂缝发展情况在适当的时间对其进行化灌；在上下游面布置了排气管，灌浆采用纯压式赶灌法。为了确保坝体防渗，在上游缝面采用凿槽回填SR止水填料和环氧砂浆，上下游缝面表面贴一层环氧玻璃布的措施，上、下游坝面裂缝处理剖面如图2所示。

处理范围：上下游缝面从右拱端到距拱冠（4#诱导缝）分别为19.55m和28.6m处，裂缝处理面积约1000m2。第二次裂缝处理采用的化学灌浆材料为中化798－L，在龙羊峡水电工程的基础处理中得到了成功应用，对窄缝处理的适应性较好。锚筋桩孔内回填砂浆强度达设计强度的50%后才能进行灌浆施工；上游表面缝的环氧砂浆回填应在洗孔结束后进行，并且强度达设计的50%后才能进行中化798化学灌浆。

4 裂缝处理的化灌工艺简介

第二次裂缝处理的工序为：坝面清理→化灌孔及锚筋桩造孔（回转岩芯钻机造孔；同时进行上游面凿槽）→工作面的清理→高压水清洗锚筋桩孔→锚筋桩孔排水→锚筋桩安装及回填砂浆封孔→锚筋桩砂浆等强3天后用风水混合物清洗化灌孔→灌浆孔管路的埋设及封孔（灌浆孔设进浆管和排气管；同时进行上下游缝面的封堵和排气管施工）→化灌孔回填砂浆等强3天后进行高压水洗缝和化灌孔压水→化灌孔压水试验（确定最大灌浆压力）→高压风排除缝面及孔内积水（上下游缝面的封堵、排气管安装结束）→灌注丙酮排水→高压风排出孔内丙酮（回收）→中化798化学灌浆→上下游面排气管灌浆→待凝→检查孔的布置及施工。 4' vent pipeDam concrete4' vent pipeDam concretefilling sand groutsealing?42mm bore hole100cm deepcracksealing?42mm bore hole100cm deepcrackfilling sand groutepoxy sand groutDam concreteDam concretedownstream dam surfaceepoxy vitreous textureepoxy vitreous textureupstream dam surface (a)上游面裂缝 (b)下游面裂缝 图2 上下游缝面处理的示意图（单位：cm）

根据试验结果，中化798-L浆液在20℃环境条件下起始黏度约为16mPa.s，正常配方的浆液历时12℃的浆液黏度约为33~55 mPa.s之间，只要灌浆压力适当，纯灌历时有保障，该黏度的浆液仍具有较好的可灌性。

裂缝灌浆效果不仅与缝宽、浆液黏度有关，还与灌浆压力、纯灌历时和灌浆机具有关。在缝宽一定的情况下，根据缝宽的大小、缝面的性状选择相应的化灌材料、灌浆机具、灌浆压力、纯灌历时和结束标准，对裂缝缺陷处理至关重要。而且，灌浆压力、纯灌历时和结束标准应根据工艺试验和现场施工情况进行及时调整。

中化798-L的化学灌浆采用化灌专用计量泵，排量和压力可根据实际情况调整。每个化灌孔埋设一根进浆管和一根排气管（4′铁管），用高压灌浆管连接灌浆泵和灌浆管路。

大规模化灌前进行了中化798-L化学灌浆现场生产性试验，用于检验压丙酮和化灌各工序，化灌最大压力为1.2Mpa。试验时下游坝面裂缝及右坝肩下游有个固结灌浆检查孔依次出水、水和丙酮混合物、丙酮、丙酮和浆液混合物、直到出浆。试验验证了在缝面内丙酮赶水、浆赶丙酮的预期效

果。

5 裂缝处理的效果

5.1 缝面吃浆量分析

在整个化灌过程中，每间隔2~3小时对化学浆液中化798-L进行黏度检测，以保证浆液的可灌性。根据原始记录，大部分化灌孔的浆液起始黏度都在8~12m.Pas之间，每个孔化灌结束前的浆液黏度都在20~25m.Pas以内。整个化灌过程中，灌浆压力稳定，压力值和纯灌历时满足设计要求。

第二次裂缝处理的水平裂缝面积约1000m2。坝面中化798-L化学灌浆(不含引管区)的总耗浆量为5176.2L，其中的管路占浆1325.3L，弃浆量为176.4L，压力进浆量(包括漏浆量)为3674.5L，估计压力净吃浆量为830.5L。上游缝面排气管压力净吃浆量32.7L，下游缝面排气管压力净吃浆量72L。可见，水平裂缝缝面充填了大量的中化798-L浆液。

2003年8月在坝顶进行了钻孔取芯，最大芯样长度10.57m。利用裂缝处理区域的钻孔还可对裂缝处理进行质量检查，在芯样的该层面上可以清楚看到填充饱满的化学浆材。

5.2 中化798-L与混凝土的粘结性能

为了验证中化798-L浆液与碾压混凝土的粘结强度，2002年12月将由碾压混凝土90d龄期劈拉试验破型后得到试块用中化798-L浆液粘结起来，在室内养护28d和90d后用劈拉试验测定浆液的粘结强度，28d后混凝土粘结劈拉强度约为2.29Mpa～2.56Mpa，90d后混凝土粘结劈拉强度约为2. 2.26Mpa～3.23Mpa。从劈裂后的试验块来看，大多数混凝土劈裂是从混凝土处断开，而不是从粘结处断开，表明中化798-L与混凝土的粘结性较好。

同时要说明的是，该粘结试验结果与实际灌浆效果还是有一定差距的，在钻孔取芯过程中，几根芯样均在裂缝面断开，说明实际灌浆粘结强度达不到原混凝土本体强度。

5.3 压水检查结果

化灌结束后于2003年8月在化灌区布置了4个压水孔，在EL456m～EL454m(穿过EL455.1m水平裂缝缝面)试验段的透水率依次为0.00312 Lu、0.00284 Lu、0.0053 Lu、0.0366 Lu，满足设计要求。

工程蓄水前对预埋管区进行了压水检查，结果表明裂缝没有再向拱冠进一步扩展。另外，坝体裂缝处理还经受了2003年7月临时度汛挡水和2003年10月开始的蓄水考验；2004年5月开始发电，经过一年多的发电运行，均未发现渗漏水现象，蓄水后大坝各项安全监测数据正常。

6 几点经验和教训

（1） 碾压混凝土在次高温和高温季节的施工是各工程不可避免的问题，目前所采用的埋设塑料冷却水管的办法是行之有效的温控措施之一，但要切实做好水管的接头处理，避免碾压设备可能对其造成的破坏。

（2）根据碾压混凝土的温度过程特点和凝结时间，应选择合适的冷却水通水时间，这样即使水管发生损坏，也不会对碾压混凝土层面造成太大的损伤。

（3）要根据裂缝的不同特点选择合适的化灌浆材。目前可供混凝土裂缝处理使用的化学灌浆材料很多，如本工程第一次化灌所使用的LPL，在三峡工程中运用的很成功，可是由于其黏度大，并不适合蔺河口这样的大面积裂缝处理，而第二次使用中化798就很成功，说明根据缝宽的大小、缝面的性状选择相应的化灌材料、灌浆机具和灌浆参数，对裂缝缺陷处理至关重要。

（4）根据坝体碾压混凝土的温度过程历时，选择合适的化学灌浆时间。在坝体温度应力相对稳定，裂缝不再发展的低温季节进行化学灌浆处理，可以提高处理的成功几率。但在工程建设过程中发生这样的问题，如何将工期损失减少到最小也是很突出的问题，往往难于抉择。

（5）化学灌浆之前应尽量使裂缝面保持干净，不受水和其他粉尘的污染，以提高化灌浆材与混凝土之间的粘结力。蔺河口水平层间裂缝处理中，如果能先进行化学灌浆再进行锚筋桩的施工，就能减少钻孔施工对缝面的污染，提高层面间粘结强度。

（6）在裂缝面上应埋设必要的监测仪器将非常有利于运行期的安全监测，及时掌握裂缝的状况，特别是像蔺河口这样位于大坝关键部位的大面积裂缝。

经过对该水平裂缝的处理，我们付出了很大的代价，也取得了不少经验和教训，希望能为其他碾压混凝土坝的施工及类似裂缝的处理提供有价值的参考。

主要参考文献

[1] 中华人民共和国电力行业标准，《水工碾压混凝土施工规范》DL/T 5112-2000，中国电力出版社，北京，2000年

[2] 中华人民共和国水利电力部规范，《混凝土拱坝设计规范》SL 282-2003，水利电力出版社，北京，1985年