浅谈发电引水隧洞砼衬砌裂缝原因分析及控制措施--中国期刊网

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浅谈发电引水隧洞砼衬砌裂缝原因分析及控制措施

发表时间：2020/10/10 来源：《基层建设》2020年第17期作者：刘伟王战胜

[导读] 摘要：在发电引水隧洞施工阶段，受到环境、工艺等因素影响，易出现砼衬砌裂缝质量问题，缩短发电引水隧洞的使用寿命，并存在安全隐患，同时，砼衬砌裂缝也是发电引水隧洞质量控制的主要因素。

        中国水利水电第五工程局有限公司四川成都 610066
        摘要：在发电引水隧洞施工阶段，受到环境、工艺等因素影响，易出现砼衬砌裂缝质量问题，缩短发电引水隧洞的使用寿命，并存在安全隐患，同时，砼衬砌裂缝也是发电引水隧洞质量控制的主要因素。因此，本文分析发电引水隧洞砼衬砌裂缝问题的成因，并阐述控制裂缝病害的相关措施，旨在进一步提高发电引水隧洞施工水平。
        关键词：发电引水隧洞；砼衬砌裂缝；成因；控制
        一、工程概述
        ABHYJ发电引水工程，全长为7563.178m，开挖断面为圆形，直径最大为8.6ｍ，最小为7.0ｍ，混凝土衬砌采用二级配泵送混凝土C30F150W10，坍落度160-180mm、180-220mm两种，骨料为人工碎石。采用全断面衬砌的方法施工，使用全圆针梁式钢模台车工艺施工。
        二、发电引水隧洞砼衬砌裂缝的出现成因
        1.温度应力
        在隧洞砼衬砌施工环节中，受到施工环境气候温度变化、混凝土水化升温因素的共同影响，砼衬砌结构将承受一定程度的温度荷载与拉应力。如果温度差过大，砼衬砌结构将承受超过自身极限的抗拉力，从而形成裂缝，裂缝形式主要为纵向裂缝。同时，在砼衬砌结构受到温度应力影响形成裂缝，且问题没有得到及时控制解决时，洞内水温处于周期性变化过程，裂缝具有扩展性特征，持续向两侧延伸扩展。例如，在砼衬砌结构混凝土浇筑完毕后，混凝土在水化热过程中将持续释放大量热能，且混凝土弹性模量也将产生明显变化，混凝土温度与洞内气温差往往会达到25℃-30℃。在混凝土浇筑完毕8d左右，混凝土温度将快速下降，逐渐恢复至正常温度。而在混凝土温差过大时，将产生较大温度应力，温差越大、则砼衬砌裂缝问题出现率越高。
        2.混凝土质量不佳
        在部分发电引水隧洞工程中，由于所配制混凝土质量不达标、或是配合比方案不合理，拌合水用量、外加剂掺量过大，导致混凝土材料的坍塌度、干缩变形量较大。在产生拉应力大于混凝土极限抗拉力时，将会引发砼衬砌结构干缩裂缝质量通病的出现。此外，在混凝土施工质量不符合设计要求时，也将提高砼衬砌裂缝问题的出现率。例如，在混凝土层厚度不一致时，局部砼衬砌结构的温度差、收缩程度与其他部位存在明显差异，在结合部位易出现砼衬砌裂缝问题。而在隧洞混凝土灌浆施工不当时，隧洞拱顶混凝土与周边围岩结构易产生连续脱空现象，围岩结构难以对隧洞拱顶部位起到有效约束作用，最终在隧洞起拱部位出现裂缝问题。
        3.外水压力
        在发电引水隧洞施工中，由于围岩与砼衬砌结构二者保持紧密贴合状态，且岩体为透水介质。因此，当隧洞周边地层分布丰富地下水资源时，砼衬砌结构持续受到外水压力与渗透荷载影响，这将缩短隧洞的使用寿命。同时，在承受过大外水压力时，砼衬砌结构还有可能出现裂缝质量通病。因此，技术人员可选择在隧洞适当部位中设置排水孔，持续排出渗透水体，形成外堵内排效应。如此，可以大幅降低砼衬砌结构、顶板与边墙等部位所承受的外水压力。同时，也可选择采取围岩灌浆措施，向围岩裂隙中灌注适量水泥浆体，消除地下水渗透通道，在客观层面上减轻砼衬砌所产生拉应力。
        4.岩性影响
        现阶段，多数发电引水隧洞施工现场地理环境较为复杂，各洞段所穿越地层结构不一致，其裂缝发展规律、地质情况存在明显差异。而各处洞段交接部位受到岩性影响，所产生应力相互叠加，加大了砼衬砌裂缝质量通病的出现率。例如，在锦屏二级水电站工程中，所修建隧洞依次穿越杂谷脑组大理岩、白山组大理岩与岩塘组大理岩地层。其中，岩塘组大理岩地层中分布着大量裂缝，与其他地层存在明显差异，该部分洞段频繁出现砼衬砌裂缝问题。

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        三、发电引水隧洞砼衬砌裂缝控制措施
        1.温度控措施
        1.1优化混凝土配合比，提高混凝土抗裂能力，降低水化热温升
        在进行混凝土配合比设计和混凝土施工时，除满足混凝土强度等级、抗冻、抗渗等主要指标外，加强施工管理，提高施工工艺水平，改善混凝土性能，增强混凝土密实性，从而提高混凝土抗裂能力。同时，尽量减少混凝土单位水泥用量。
        1.2加强检测及控制，确保拌和系统出机口温度
        在混凝土施工过程中，按SL677-2014规范的规定，按要求定时测量混凝土原材料的温度、拌和场出机口的混凝土温度，控制混凝土出机口温度不高于20℃，必要时采取加冰拌和，确保提供满足出机口温度要求的拌制混凝土。
        1.3降低混凝土浇筑温度，控制浇筑块最高温升
        做好混凝土运输过程中的保温措施，减少运输过程中混凝土的温度回升。在料罐表面设一层隔热材料，以减少温升；并尽可能的减少运输时间及转运次数。
        2.I、II类裂缝控制
        I、II类裂缝的缝宽较小，且普遍不具备扩展性特征，并不会对砼衬砌结构质量造成明显影响。因此，针对这类裂缝，技术人员采取表面封闭法进行处理即可。
        具体处理步骤包括：施工人员操纵磨平机等设备，对砼衬砌结构上形成各处微小裂缝表面部位开展打磨操作、直至打磨到混凝土结构层，将打磨宽度控制在15cm左右。随后，清理裂缝表面残留的灰尘与各类杂质，将裂缝静置一定时间，或是使用烘干机、喷灯对其进行烘干处理；使用毛刷在裂缝表面均匀涂刷底液，结合施工情况科学制定底液配合比方案，并对试品性能加以检测。同时，在砼衬砌结构表面分布凹槽时，需要提前对凹槽部分进行找平处理。随后，检查底液涂刷质量，对漏刷部位开展补刷操作；封缝处理。在所涂刷底液表干后，施工人员及时在底液层上方均匀涂刷聚合物砂浆层、或是HK-961涂层，将封缝层厚度控制在1mm左右。分两次涂刷底液，在首道涂层干燥后涂刷二道涂层。同时，在特殊气候条件下，应在涂料配制环节中加入适量稀释剂，以调整涂料流动性。而在隧洞底部开展带水施工作业时，技术人员应提前在砼衬砌裂缝部位周边区域设置挡水结构，直至裂缝处理完毕、涂层干燥后，再拆除挡水结构。
        4.III、IV类裂缝控制
        由于III、IV类裂缝的缝宽较大，裂缝自身存在扩展性。因此，技术人员应采取灌浆法，具体处理步骤为：施工人员操纵磨平机对裂缝部位进行打磨处理，清除表面分布各类杂质。随后，沿裂缝两侧开展钻孔作业，重点控制孔距、钻孔角度与深度，要求所钻探孔洞穿过裂缝底部，且不会破坏砼衬砌结构层；在孔底埋入注浆管，综合分析孔深、裂缝宽度等参数，合理设置注浆管埋深位置；开展清孔作业，清除孔内分布各类杂物与粉尘、涂刷一层厚度在1mm左右的聚合物砂浆层；向缝内灌注适量浆液，重点控制灌浆速度与压力值。例如，将灌浆压力设定为0.4MPa，直至浆液自孔口溢出为止；施工人员使用钢丝刷对裂缝表面进行清理，铲除多余浆液、刮平裂缝表面。此外，在所形成裂缝内部含有水体时，例如直接采取灌浆法，将难以取得预期成效，裂缝处理质量不理想。因此，技术人员需要提前钻设排水孔，排除裂缝内部渗透水，再使用环氧浆料等材料对裂缝开展补强处理。
        四、结语
        综上所述，在发电引水隧洞施工中，对砼衬砌裂缝问题的有效处理，是保障工程质量达标，消除温度、地质水文等因素对砼衬砌质量所造成影响的主要途径。因此，技术人员必须深入了解砼衬砌裂缝问题的出现成因，掌握上述控制措施，根据裂缝类型合理选择处理技术，及早消除工程隐患，确保发电引水隧洞应用效能得到充分发挥。
        参考文献：
        [1]李江鱼.大型引水隧洞衬砌裂缝原因分析及修复处理研究[J].铁道建筑技术，2014（05）.
        [2]郭利军，赵春荣，钟俭雄，朱新民.引水隧洞衬砌裂缝的成因分析及处理[J].山西水利科技，2013（03）.
        [3]吕周兴.引水隧洞衬砌混凝土裂缝的原因及处理[J].浙江水利水电专科学校学报，2011，23（1）.
        作者简介：
        刘伟（1987），男，甘肃文县人，中国水利水电第五工程局有限公司，工程师，大专。
        王战胜（1989），男，陕西渭南人，中国水利水电第五工程局有限公司，工程师，本科。