浅谈布尔津山口拱坝工程混凝土裂缝成因分析

浅谈布尔津山口拱坝工程混凝土裂缝成因分析

叶盛茂

中国水利水电第十六工程局有限公司福建福州350000

摘要：本文主要对布尔津山口拱坝工程混凝土裂缝成因进行分析，对整体工程情况、裂缝类型及原因进行了全面系统的论述，为其他类似工程处理提供借鉴。

关键词：山口拱坝；工程混凝土；裂缝成因；分析

1概述

1.1工程概述

布尔津河为额尔齐斯河的一级支流，干流河长148.9km。布尔津山口水利枢纽位于新疆阿勒泰地区布尔津县境内，工程地区地理坐标为东经87°12′，北纬47°54′。布尔津河西水东引一期工程是额尔齐斯河流域内非常重要的水资源调配工程。布尔津河西水东引一期工程山口水利枢纽工程的主要开发任务是：保证和改善额尔齐斯河流域内水资源的合理调配，在满足本流域工农业生产、生活、生态用水的前提下，配合其他引额供水工程向天山北坡调水，同时兼顾发电等综合利用。布尔津山口水利枢纽大坝为常态混凝土双曲中厚拱坝，坝顶高程649m，全长319.646m，建基面高程555m，最大坝高94m，坝顶厚10m，坝底厚27m，厚高比为0.287。水库总库容2.21亿m3，水库正常蓄水位646m，水库死水位620m；水利枢纽建成后可实现引额供水2020年调水18亿m3，2030年调水25亿m3；电站装机220MW。工程等别为Ⅱ等工程，工程规模为大（2）型。

1.2流域概况

该工程由北部的山区往南进入冲洪积倾斜平原区。布尔津河由北西转为南西流出山口，河谷形态由山区的＂V＂形变为平原区宽浅的辫状河谷，其中：布尔津山口水利枢纽就位于布尔津河出山口以上4km的＂V＂型峡谷内。

该水库为一典型的峡谷型水库，河流流向近南北向，河谷谷底宽50～100m，两岸基岩裸露，地形坡度50°～60°，相对高差300～400m，两岸零星分布有Ⅱ～Ⅳ级阶地，阶地宽度不大。

1.3气象地质

1.3.1气象

额尔齐斯河流域位于准噶尔盆地北缘，阿尔泰山南麓，处于欧亚大陆腹地，属大陆性北温及寒温带气候。布尔津山口水利枢纽工程所在地，地理位置纬度高，太阳辐射量小，加之受准噶尔盆地古尔班通古特沙漠的影响。其特征是；气候干燥，春秋季短，冬季较长。夏季较凉爽，冬季多严寒，气温年较差悬殊，日较差明显。

气温：多年平均气温5℃，极端最高气温39.4℃，极端最低气温-41.2℃，最大积雪深46cm，最大冻土深127cm；

水温：冬季封冻，不测水温，5～10月平均水温9.3℃，最高水温20.2℃；

降雨量：多年平均降雨量153.4mm，多年平均蒸发量1619.5mm，蒸发量是降雨量的10倍左右；

风速：多年平均风速3.7m/s，多年平均年最大风速16.5m/s，风向E，水库吹程1550m。

布尔津山口坝址区主要气象气温资料详见下表。

布尔津气象站气象要素统计表

表1.3-1

布尔津山口水利枢纽坝址区气温要素见表1.3-2：

布尔津山口坝址区气温要素表

表1.3-2单位：℃

布尔津山口水利枢纽坝址气温骤降特征见表1.3-3：

布尔津山口坝址区气温骤降特征表

表1.3-3单位：℃

布尔津山口水利枢纽坝址区典型寒潮降温过程见表1.3-4

典型寒潮降温过程

表1.3-4单位：（℃）

1.3.2地质概况

大坝河床地基岩体主要为中泥盆统阿尔泰组（D2a-4）厚层－巨厚层状灰白色花岗片麻岩，微～新鲜岩体质量属AⅡ类岩体；两岸为（D2a-4）厚层－巨厚层状灰白色花岗片麻岩，局部为（D2a-3）薄层－中厚状灰黑色黑云母斜长片麻岩，微风化～新鲜岩体质量属AⅡ、BⅢ1类。

大坝建基面：左岸边坡基岩强风化水平深度2～3m，纵波速度Vp=1500-2500m/s；弱风化层水平深度10～13m，Vp=2800～3500m/s；微风化至新鲜基岩，纵波速度Vp≥4000m/s，

坝基岩体强风化：左岸岸坡水平深度2～3m，河床垂直深度1.4～1.5m，右岸岸坡水平深度2～3m，纵波速度Vp=2000～2800m/s；弱风化：左岸岸坡水平深度10～13m，河床垂直深度7～8m，右岸岸坡水平深度15～19m，纵波速度Vp=3000～3800m/s；微－新鲜岩体纵波速度Vp=4000～5500m/s。两岸卸荷带水平深度1.8-3m。

1.4常态混凝土坝温控防裂难度

该拱坝坝高94m，为全断面常态混凝土拱坝，混凝土总量约28万m3，是我国位于纬度最高的严寒、干燥地区的常态混凝土拱坝，其恶劣的气候特点为大坝温控防裂带来了极大的难度，目前国内外尚无成功的经验可以借鉴。在广泛搜集、研究和总结国内外寒冷地区修建混凝土拱坝的经验，特别是分析国内北方地区、俄罗斯西伯利亚地区和日本北海道地区的筑坝经验和教训，深入细致地开展了干燥严寒地区常态混凝土坝温控防裂技术的研究。

针对坝址区气候特点进行了大量的专题研究，如寒潮或气温骤降时混凝土保温方案、坝体越冬层面处理方案、冷却水管的分区布置、冷却水管一期、二期及后期通水时机、混凝土徐变对坝体温度应力的作用、坝面临时及永久保温方案、大坝临时及永久保温材料优选及保温时机选择、高温期施工的温控防裂措施、各种温差控制标准的确定等，提出了一整套结构措施、温度控制标准和温控防裂措施，并在施工期时时调整控制。

2山口拱坝混凝土裂缝概况

2.1裂缝统计

2012年，越冬面混凝土裂缝8条，非越冬面混凝土裂缝11条，缝长2.06～17.20m，缝深小于1.0m，缝宽0.2～0.6mm。

2013年越冬面裂缝14条，非越冬面混凝土裂缝33条，缝长1.2～16.6m，其中45条裂缝缝深小于1.0m，2条缝深大于1.0m，缝宽0.2～0.6mm。

2014年非越冬面混凝土裂缝4条，缝长5.2～25.2m，缝深小于1.2m，缝宽0.2～0.6mm。

2015年基础廊道裂缝6条，左岸EL575灌浆平洞裂缝13条，右岸EL575灌浆平洞裂缝35条，左岸EL605灌浆平洞裂缝17条，右岸EL605灌浆平洞裂缝23条。

具体裂缝情况详见附表（EL595、EL620廊道目前还未进行裂缝处理，裂缝详细数据未统计至附表中）。

2.2裂缝分类

按裂缝出现部位及表现型式，大坝及二道坝混凝土裂缝可以分为以下6种类型：

（1）大坝越冬层面混凝土裂缝。一般表现为纵向或横向裂缝、横缝面水平或竖向裂缝，深度一般为20cm～90cm左右，个别深度约1.0~2.0m。

（2）二道坝越冬层面混凝土裂缝。全部为纵向或横向裂缝，深度一般为30cm～100cm左右。

（3）大坝浇筑期混凝土裂缝。大部分表现为纵向裂缝，少部分为横向裂缝，个别为沿缝面的水平裂缝，纵向及横向裂缝深度以浅层裂缝为主（30~90cm），部分表现为表层裂缝（2~5cm）；水平裂缝深度不等，大部分为浅层裂缝，水平深度为10~60cm。

（4）坝内廊道混凝土环形或纵横向裂缝。裂缝主要分布在坝内廊道侧壁及顶拱，表现形式为环形裂缝和纵横向裂缝（沿拱顶或沿侧墙水平分布及横向分布）。裂缝深度不等，深度一般为30~120cm。

（5）灌浆平洞环形或纵横向裂缝。裂缝主要分布在平洞侧壁及顶拱，表现形式为环形裂缝和纵横向裂缝（沿拱顶或沿侧墙水平分布及横向分布）。裂缝深度不等，深度一般为30~120cm。

（6）异种混凝土裂缝。此类裂缝主要分布在深孔坝段、表孔坝段结构混凝土与坝体混凝土交界处。裂缝深度不等，有表层裂缝，也有贯穿混凝土结构的裂缝。

2.3裂缝处理方法简述

根据裂缝深度、宽度、发生部位及对坝体或结构影响程度的大小，分别采用不同的处理方法，各类裂缝处理方法如下：

（1）大坝越冬层面混凝土裂缝，水平面产生的纵向或横向裂缝采用环氧化学灌浆、骑缝布设并缝钢筋的处理办法，延伸至上游坝面的横向裂缝采用环氧化学灌浆、粘贴碳纤维布的处理方法。横缝面产生的水平或竖向裂缝采用环氧化学灌浆的处理方法。

（2）二道坝越冬层面混凝土裂缝，采用环氧化学灌浆、骑缝布设并缝钢筋的处理办法。

（3）大坝浇筑期混凝土裂缝。

①纵横向裂缝

对于深度较小的表层裂缝，采用骑缝布设并缝钢筋的处理办法；对于浅层裂缝和深度较大的裂缝，采用环氧化学灌浆、骑缝布设并缝钢筋的处理办法；对于上游坝面的裂缝，采用环氧化学灌浆、粘贴碳纤维布的处理方法。

②水平裂缝

对于沿混凝土缝面产生的水平裂缝，采用环氧化学灌浆的处理办法；对于上游坝面的水平裂缝，采用环氧化学灌浆、粘贴碳纤维布的处理方法。

（4）坝内廊道环形或纵横向裂缝，采用环氧化学灌浆的处理办法。

（5）灌浆平洞环形或纵横向裂缝，采用环氧化学灌浆的处理办法。

（6）异种混凝土裂缝。此类裂缝采用环氧化学灌浆、骑缝布设并缝钢筋的处理办法，贯穿至上游坝面的，在上游坝面粘贴碳纤维布进行加固。

3裂缝成因分析

根据以上混凝土裂缝的分类分别分析各类裂缝产生的主要原因。

3.1大坝越冬层面混凝土裂缝

越冬层顶面混凝土裂缝，为纵向或横向裂缝、横缝面水平或竖向裂缝，深度一般为20cm～90cm左右，个别深度约1.0~2.0m。

根据温控仿真计算成果，越冬层面采用厚30cm保温被进行越冬保温，监测数据表明，越冬层面温度一般为5℃~16℃，保温效果较好。为避免坝面混凝土温度下降较快造成混凝土冷击，保温被采用3月下旬至4月初逐步揭开的方式。

坝体混凝土2011年开始浇筑，2015年全坝段到顶，共经历4个越冬层面。一般在第二年3月底或4月初揭开保温被后，首先对各坝段顶面进行裂缝普查，检查结果表明，各坝段越冬层面均未发现裂缝出现。

为满足工程工期要求，加之4月份气候凉爽，有利于混凝土施工和温控防裂压力，所以在保温被揭开后即行混凝土浇筑前的仓面准备工作。由于上下游及横缝模板在越冬之前已经拆除，模板安装、仓面清理工作量很大，所需时间也较长，加之4月份晚间气温较低，寒潮频繁，虽然对仓面进行了夜间临时覆盖，但在白天需要揭开保温被进行备仓，过程中很难避免混凝土受气温冷击，致使局部混凝土开裂。

因此，越冬层面裂缝产生的主要原因是4月份晚间气温较低、寒潮频繁的气候条件所致。

3.2二道坝越冬层面混凝土裂缝

二道坝越冬层面混凝土裂缝产生原因同大坝越冬层面混凝土裂缝。

3.3大坝浇筑期混凝土裂缝

主要指施工过程中在待浇仓面发现的混凝土裂缝。裂缝包括纵向裂缝，横向裂缝和沿缝面的水平裂缝，大部分表现为纵向裂缝，少部分为横向裂缝，个别为沿缝面的水平裂缝，纵向及横向裂缝深度以浅层裂缝为主（30~90cm），部分表现为表层裂缝（2~5cm）；水平裂缝深度不等，大部分为浅层裂缝，水平深度为10~60cm。

3.3.1横向裂缝与纵向裂缝

横向裂缝一般发生在坝段中部，纵向裂缝主要发生在上下游方向坝块中部附近，其主要原因为气温骤降或寒潮对混凝土造成冷击所致。

一般而言，在气温骤降或寒潮过程中，大坝上游面、下游面、浇筑顶面、横缝面混凝土拉应力都会产生较大增长，但如果采取了适当的临时保温措施，新浇混凝土应力会因气温骤降而增加，但是不会超过相应龄期的混凝土抗拉强度，混凝土也不会开裂。

本工程拱坝永久保温和临时保温措施均依据温控仿真计算成果制定，根据监理、业主现场管理记载，实际施工过程中，混凝土浇筑块的侧面及顶面采用了较为严格的临时保温措施，但局部因施工备仓等原因无法做到全面的覆盖保温，如模板安装、仓面冲毛等。此时，裸露面在气温骤降或寒潮冷击作用下使混凝土局部产生裂缝。因此，气温骤降或寒潮对混凝土的冷击作用是坝体混凝土产生裂缝的主要原因。

在浇筑期混凝土裂缝中，13#坝段569.86～570.86仓块于2012年5月28日浇筑完成。混凝土浇筑完成后，5月29日~6月1日，环境气温骤降8℃，按施工期温控技术要求，应对浇筑好的混凝土进行全面临时保温。但是在现场实施过程中，施工单位并未按要求进行对混凝土表面覆盖保温被等临时保温措施，气温骤降过程中坝面混凝土裸露，受气温骤降影响，致使新浇的混凝土出现开裂现象。因此，13#坝段570.86高程混凝土面裂缝只要是因为施工期临时保温措施不到位所致。

3.3.2水平裂缝

大坝水平裂缝数量较少，从裂缝性状来看，一般为表层或浅层裂缝。裂缝高程均为混凝土越冬面高程，产生原因主要上下层混凝土经过冬休期间歇时间较长，上下层混凝土龄期、弹模等指标不一致，导致缝面局部开裂。

3.4坝内廊道环形或纵横向裂缝

廊道裂缝主要分布在基础廊道，595m、620m高程廊道裂缝较少。

（1）廊道裂缝发展过程

2014年9月导流洞下闸前，监理组织业主、承包商对廊道及灌浆平洞进行了普查，大坝基础灌浆廊道和坝内水平廊道均未发现混凝土开裂现象，此时基础廊道混凝土龄期最长已超过2年，最短也已超过1年。

导流洞下闸后水库水位分阶段升高，2015年汛期库水位最高至617m高程，再次对廊道进行裂缝检查，发现坝体基础灌浆廊道周边混凝土有开裂现象，但坝内595m、620m高程水平廊道未发现裂缝。

随着坝前水位继续升高，基础廊道裂缝的数量也呈逐渐增多现象。2015年9月下旬，水库水位超过635m高程，经检查，坝内595m、620m高程水平廊道也出现了少量裂缝。

（2）廊道裂缝产生原因

①裂缝水平深度一般为0.3~1.2m左右，此类裂缝在相应部位混凝土浇筑完成后约1～2年并没有开裂，其主要是在大坝蓄水后随水位抬高逐渐产生，因此廊道裂缝属于后期裂缝，与拱坝挡水受力相关。

②主河床坝段坝高94m，两岸坝段坝高逐渐减小，廊道裂缝主要集中分布在大坝主河床坝段廊道内，两岸坝段和其它高程廊道内只有少量裂缝产生，产生裂缝的廊道均位于大坝高应力区。

3.5灌浆平洞环形或纵横向裂缝

灌浆平洞裂缝主要分布在575m、605m高程灌浆平洞，649m高程灌浆平洞目前尚未发现裂缝。

（1）灌浆平洞裂缝发展过程

灌浆平洞浇筑完成后，既有少量裂缝产生。下闸后水库水位分阶段升高，2015年汛期库水位最高至617m高程，随着坝前水位升高，灌浆平洞衬砌混凝土裂缝数量逐渐增多。

（2）灌浆平洞裂缝产生原因

灌浆平洞衬砌厚度为50cm，衬砌混凝土为泵送混凝土，裂缝深度一般贯穿混凝土衬砌。灌浆平洞衬砌混凝土为薄壁结构并处于基岩强约束区，加之采用泵送二级配混凝土，水泥掺量较大，水化热温升高，混凝土开裂几率较大。

3.6异种混凝土裂缝

主要分布在泄水建筑物坝段与坝体交界处，裂缝走向为横向，主要为表层裂缝。产生的原因主要为：

①坝体混凝土为素混凝土，泄水坝段为钢筋混凝土，两种混凝土等级分别为C30F400W10、C25F300W8。两种混凝土采用同步上升的施工方法浇筑，因两种不同等级的混凝土等级不同、弹膜不同，在硬化过程中容易沿交界面产生裂缝，其它工程建设过程中也普遍存在。

②泄水坝段上下游均为悬挑结构，为布置泄水建筑物，表孔向上游悬挑15m，向下游悬挑11m，两种混凝土在硬化过程会产生较大的温度应力，并在结构突变处产生应力集中现象，超过混凝土允许拉应力后，产生开裂现象。

4小结

裂缝产生的原因较为复杂，有多种原因都会致使混凝土开裂，如结构尺寸、混凝土材料及配合比、温度控制及防裂措施、施工方法及工艺、混凝土养护等都可能致使混凝土开裂，本次对各类裂缝产生的原因进行了定性的分析评价。评价结果认为，除13#坝段570.86m高程仓面裂缝为主要是施工方没有认真进行临时保温所致，其余产生的混凝土裂缝均由其它原因造成。

参考文献：

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[2]高鹏.水利水电工程建筑中混凝土拱坝施工要点探究[J].福建建材，2012（12）：85-86.

[3]刘正军，蔡洪亮，杜振生.山口岩水利枢纽碾压混凝土施工技术[J].广西水利水电，2010（04）：86-89.