水工混凝土开裂受固结灌浆盖重抬动的影响分析

余洞玉

(江西久源建设工程有限公司,南昌 330038)

0 引 言

固结灌浆是水利水电工程坝段施工中的必不可少的环节,在大坝基础防渗、稳定、安全等方面发挥着重要作用。而大坝混凝土盖重固结灌浆施工期间的盖重抬动效应会引发混凝土盖板、大坝产生裂缝,严重时还会危及大坝运行安全。一般而言,灌浆压力、固结灌浆间歇时间等单因素以及固结灌浆上抬力和温度应力的叠加等是造成水工大坝混凝土裂缝的主要方面。国内外学者在盖重灌浆过程中盖重抬动造成混凝土开裂问题方面展开大量研究,但侧重点大多集中在抬动程度受灌浆压力影响以及如何有效预防和控制抬动等方面,对盖重抬动影响混凝土应力的分析较少。文章结合具体工况,从工程实际出发,对水工混凝土应力受固结灌浆施工所造成盖重抬动的影响展开仿真分析,总结混凝土应力变化规律,指导工程实践。

1 盖重抬动变形机理

固结灌浆盖重抬动的原因在于注浆引起盖重下方基层土体体积膨胀,克服上方倒圆台形土体重力、剪切力及荷载后引发盖重变形。盖重结构中设置有钢筋网,其自身属于线弹性体,当注浆压力达到一定水平后,便会在浆液上部土体中形成倒圆台形剪切面[1]。一旦注浆压力动载荷所引起的上抬力P克服倒圆台土体结构自重Gt,在剪力Ft引发盖重弹性变形时,便会造成盖重上抬。以上受力过程见图1。

图1 盖重抬动变形受力分析

为简化分析,将盖重结构下方土体划分成岩体和土体两部分,注浆施工时,注浆压力动载荷经过土体和岩体后施加于混凝土盖重结构,具体的分布形式则与岩体裂隙发育、岩体特性、地下水、岩体位移、土体变形的迟滞效应等因素有关,由此造成注浆压力的难控制性、时变性和非线性[2]。为确保工程质量,注浆过程中盖重抬动变形所允许的位移值一般较小,故此处假定,土体内注浆压力均匀分布。土体抬动所承受的均布注浆压力按下式确定:

(1)

式中:P为土体抬动所承受的均布注浆压力;Pc为注浆孔内注浆压力;μ0为浆液黏度;Q为注浆量;b为裂缝宽度;r为浆液扩散半径;rc为注浆孔孔径。

倒圆台土体结构自重以及剪力依次按下式计算:

(2)

(3)

2 工程概况及裂缝情况

周宁抽水蓄能电站位于福建省宁德市下辖周宁县七步镇境内,电站装机容量1200MW(4×300MW)。拦河坝为碾压混凝土重力坝,坝顶及建基面高程分别为1421m和1418m,坝体最高201m,坝顶长462m,大坝共分成16个坝段,文章选取最高的7#河床坝段展开研究。

根据工程地质条件,分别采用由上至下分段灌浆和由下至上分段灌浆的施工方法,并分Ⅰ、Ⅱ序次灌浆。其中,灌浆盖重的设计厚度必须控制在7.5m及以上,等其所用部位混凝土的实际强度达到设计值50%后再依次展开钻孔与灌浆施工。7#河床坝段裂缝发生后对Ⅰ序注浆孔和Ⅱ序注浆孔均存在一定影响,必须待物探孔检测完毕后才能钻设灌浆孔;混凝土盖重厚度应达到3.0m以上,同时将Ⅰ序灌浆孔首段注浆施工压力维持在0.5～0.6 MPa范围内。该水电站拦河坝前方以及后方既有裂缝四周的注浆孔布置参数取值情况见表1。表中孔号表示坝段-列-排-灌浆分区。

表1 坝前和坝后裂缝周边注浆孔具体情况

7#坝段第2浇筑层和第3浇筑层垫层混凝土均采用常态混凝土,浇筑施工于2020年5月7日正式展开,两日后完成此项施工任务;并于5月14日安排进行拦河坝固结灌浆任务,次日常规检查中检测人员在垫层混凝土的表面观测到肉眼可见裂缝。该坝段第7浇筑层采用碾压混凝土,于2020年6月10日开始浇筑,6月12日完成浇筑,6月19日开始有盖重固结灌浆施工;7月2日8～10#坝段混凝土表面出现贯穿性裂缝。

综合调查结果发现,该工程大坝裂缝发生的时间主要集中在两个阶段:第一阶段是坝基固结灌浆期间,部分坝段于灌浆施工期间出现裂缝,混凝土盖重厚度基本在5.0～11.0m之间,裂缝深度普遍在表层0.6～1.0m,均为浅层裂缝,仅1条裂缝深度达8.2m;第二阶段是固结灌浆工后深度位于表层0.5～1.0m的典型仓面裂缝。

3 裂缝形成模拟

3.1 有限元模型

构建周宁抽水蓄能电站7#河床坝段有限元模型。坝基以下基岩厚度按照坝高的1.5倍取值,坝轴线上下游顺河流向基岩范围也按照坝高的1.5倍取值;同时向两侧边界以及拦河坝基岩结构的底部均施以取值固定的法向约束。顺水流向为x向,铅直向为y向。坝体侧面、地基侧面及地基底面均按照绝热边界处理[3]。

截止6月12日,该抽水蓄能电站7#河床坝段已浇筑9仓,包括2种常态混凝土和2种碾压混凝土,已经浇筑完成的混凝土材料主要热力学参数、绝热温升及弹性模量等的取值情况见表2,考虑到篇幅所限,未列示混凝土自生体积变形和混凝土徐变。

表2 坝段混凝土主要热力学参数取值

固结灌浆施工期间,灌浆孔处发生抬动现象,进而引起灌浆施工区域四周大面积抬动变形。为体现灌浆过程中坝体抬动及受基岩的约束,应在坝基底部等效施加抬动荷载。在第3浇筑层浇筑结束后7d,于上游端至沿水流向的结构缝(0+065.0)处向坝基底部节点施荷。待第7层浇筑结束后7d,以沿水流向的结构缝(0+065.0)处为起始点,直至所在河段下游端部为终点,向该段坝基底部相应节点处施荷。以上固结灌浆施工过程中,位移抬动方式和灌浆压力均应保持一致。

在全面深入研究混凝土应力受抬动位移及灌浆压力影响后,还应结合该抽水蓄能电站7#河床坝段固结灌浆具体施工组织安排以及周边灌浆孔施工参数变动趋势的监测结果,向相应坝基段施以设计压力,同时施予相应的抬动位移荷载,以较好模拟灌浆施工可能造成的盖重抬动形式及程度。

3.2 计算工况

该抽水蓄能电站7#河床坝段于2020年5月7日开始灌浆,主要采取表面保温和通水冷却的温控措施。以塑料水管为冷却水管,并按1.0m的水平间距和1.5m的垂直间距设置;水管导热系数取5.89kJ/(m·h·℃),单根水管长300m,按S形铺设;冷却水管表面使用等效散热系数2.73kJ/(m·h·℃)的保温材料。初期持续通水冷却15d。计算工况见表3。

表3 仿真计算工况

3.3 模拟结果

对该抽水蓄能电站7#河床坝段已经浇筑完成的仓面应力分布情况展开模拟,得出不同工况下主拉应力取值。根据分析,该拦河坝段从0+065.0桩号处的结构缝开始,位于其之前1416.8m高程处的垫层混凝土以及位于其之后1411.2m高程处的碾压混凝土,全部在固结灌浆施工过程开始以后发生表面裂缝。据此所得出的分析结果也只是对以上两处混凝土在固结灌浆施工过程中第一主应力进行了明确显示。

3.3.1 无温度荷载

为分析温度荷载为0情况下灌浆压力对混凝土应力的影响情况,主要针对工况1、3、5展开;为分析温度荷载为0情况下盖重抬动对混凝土应力的影响,则针对工况7、9、11展开。根据仿真结果,在灌浆压力或者是盖重抬动的影响下,混凝土拉应力水平均较低,最大拉应力不超出0.1～0.4MPa的范围;此后随着灌浆压力的增大,碾压混凝土和垫层混凝土拉应力均小幅度增加:当灌浆压力从0.3MPa增至0.5MPa时,碾压混凝土和垫层混凝土最大拉应力仅增大0.06MPa和0.07MPa;而当灌浆压力从0.5MPa增至0.8MPa时,碾压混凝土和垫层混凝土最大拉应力仅增大0.07MPa和0.12MPa。总之,灌浆压力的增大所引起的混凝土拉应力的增加始终维持在较低水平;灌浆压力的变动不足以引起过高的拉应力。

在忽略温度荷载的作用下,当混凝土结构的盖重所实际发生的抬动量为1.0mm、1.5mm、2.0mm时,所引起的混凝土拉应力最大值分别取1.57MPa、1.64MPa和1.79MPa,而垫层混凝土最大拉应力依次为1.82MPa、1.86MPa和1.90MPa。因盖重抬动的影响,混凝土结构内部出现较大拉应力,主要因为受影响的混凝土处于强约束区地基范围内。盖重抬动1.0mm时,混凝土拉应力已经处于较高水平,抬动位移增大至2.0mm后碾压混凝土和垫层混凝土最大拉应力便维持在较高水平,也就是说,设计工况下盖重抬动位移会造成混凝土拉应力的快速发展,抗拉安全系数降低。

3.3.2 施加温度荷载

在灌浆压力或盖重抬动等单因素工况下均叠加温度荷载,所得出的应力仿真结果见表4。工况2、4、6下大坝混凝土同时受到温度应力和灌浆压力的影响,根据表中仿真结果,3种工况下垫层混凝土拉应力最大值分别为0.87MPa、0.95MPa和1.06MPa,抗拉安全系数对应的最小取值依次取2.85、2.64、2.38;碾压混凝土所实际表现出的拉应力最大值依次取0.56MPa、0.63MPa、0.68MPa。可见,以上混凝土结构的抗拉安全系数取值全部位于2.0以上,也就是说,坝段混凝土开裂并不是在温度荷载以及灌浆压力两个方面的综合作用下发生;然而根据分析结果,混凝土结构的抗裂安全系数取值的确随着灌浆压力的增大而呈缓慢减小的变动趋势,表明灌浆压力是造成混凝土开裂的辅助性原因。

表4 叠加温度荷载后的应力仿真结果

工况8、10、12下大坝混凝土同时受到温度荷载和盖重抬动的影响,根据表中仿真结果,3种工况下垫层混凝土拉应力最大值分别为3.58MPa、3.69MPa和3.89MPa,抗拉安全系数最小值分别为0.69、0.68和0.64;而碾压混凝土拉应力最大值分别为2.17MPa、2.25MPa和2.42MPa,抗拉安全系数最小值分别为0.46、0.45和0.42。结果表明,温度荷载和盖重抬动综合作用使混凝土内部产生较大拉应力,且两种混凝土最大拉应力均超出了相应龄期拉应力极限值,且抗裂安全系数值均在1.0以下。在地基强约束下,混凝土内部过高的拉应力是引发混凝土开裂的主要原因[4]。

4 结 论

结合文章分析结果,在灌浆压力和盖重作用下,常态垫层混凝土和碾压混凝土拉应力均较小,但与温度荷载叠加作用后拉应力均增大,所以在坝段固结灌浆施工期间,不得为追求灌浆效果而盲目增大灌浆压力。根据对该水电站拦河坝固结灌浆混凝土盖重抬动活动的模拟分析看出,盖重混凝土结构的拉应力表现出较为迅猛的发展态势,抗拉安全系数取值均在1.0及以下,对结构安全极为不利;在坝段地基地质条件不良的影响下,灌浆施工部位先后表现出较为严重的串孔问题,一系列诱因必然引起仓面裂缝。为有效防止固结灌浆施工过程中裂缝的发生,必须在施工 开始前展开深入细致的地质勘查,结合具体的地质条件拟定合适的灌浆施工方案并确定相应注浆压力,避免造成因地基过大变形而引发的抬动位移。考虑到坝段混凝土拉应力对温度荷载较为敏感,故该工程坝段固结灌浆施工应尽可能避开高温季节,或采取严苛的温控措施,将混凝土各项指标取值控制在合理范围内。