溢洪道固结灌浆底板抬动裂缝成因分析及处理

摘要：乌江洪家渡水电站溢洪道固结灌浆施工，底板出现抬动、开裂，本文分析原因认为：固结灌浆时，底板基岩面铺设的排水盲材系统，形成灌浆管网，使隧洞底板受灌浆压力作用向上顶托，而底板桔构锚杆的抗拨力、混凝土与底板基岩间的粘结力、底板混凝土自重，三者之和小于顶托力，虽然底板系钢筋混凝土结构，但钢筋对于混凝土结构而言，对防止裂縫形成的作用帮助不大，由此导致了裂缝产生。

Abstract： During the consolidation grouting construction of the spillway of Hongjiadu Hydropower Station in Wujiang River， the bottom plate was lifted and cracked. The causes of this analysis are as follows： during the consolidation grouting， the drainage blind material system laid on the bedrock surface of the bottom slab forms the grouting pipe network， which makes the tunnel floor support upward under the grouting pressure， while the total of the anti-displacement force， the bond force between the concrete and the base rock， and the self weight of the bottom concrete are less than the jacking force， although the base plate is a reinforced concrete structure， the reinforcement has little help to prevent the formation of cracks for the concrete structure， resulting in cracks.

关键词：固结灌浆;底板裂缝;抗裂验算;处理措施

Key words： consolidation grouting;floor crack;crack resistance calculation;treatment measures

中图分类号：TV543.5                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）15-0182-06

0  引言

在溢洪道固结灌浆施工中，K0+657～0+698编号为第18单元，K0+681结构缝底板抬动3～5mm，范围为：起点距左边墙1.4m，终点距右边墙3.2m，抬动裂缝长9.2m;同样18单元，K0+657结构缝左边墙，底板以上3～10m高度，裂缝宽2～3mm裂缝长7m，且墙面往洞内轴线变形收敛1～2mm，2004年12月25日上午，当时左边墙已灌注3个孔。

溢洪道洞身固结灌浆设计参数：K0+460～0+813段为6m孔深，全孔段一次灌浆，灌浆压力1.5MPa。同样在18单元，在灌浆过程中新出现多处裂缝：左边墙K0+676有1条竖向裂缝长15m;底板K0+673.5的15#孔向左9.4m，向右3.3m，裂缝长12.7m，基本横穿底板;K0+681.5～0+693底板沿洞轴线1条裂缝长11.5m;K0+693～0+698底板沿洞轴线1条裂缝长5m。

为避免在后续灌浆施工中再出现新的裂缝，对溢洪道水工隧洞今后的安全运行产生不利影响，本文对裂缝产生的原因进行了探讨，并提出了解决办法。

1  溢洪道的衬砌结构形式

溢洪道的衬砌结构形式见图1。

2  溢洪道与泄洪洞衬砌结构的区别

区别1：泄洪洞净跨7m，溢洪道衬砌净跨14m，比泄洪洞大1倍;

区别2：泄洪洞结构没有纵、横向的排水盲材，而溢洪道底板有三条纵向大排水盲材（30cm×4cm），环向每3m间距有1条小排水盲材（7cm×3cm）。

3  溢洪道底板排水盲材布置（排水系统）

据图2计算得，洞室纵向长度为12m的1仓底板混凝土面积：

S=12×14m=168m2

一仓底板混凝土中排水盲材所占面积：

S=S小盲材+S大盲材

=14m长×0.07m宽×4道+12m长×0.30m宽×3道

=3.92+10.8

=14.72m2

4  溢洪道底板锚杆布置

溢洪道洞室净宽14m，沿洞室纵向取1.5m条幅为单元的平面图（见图3）。

底板梁长14m，底面宽1.5m，所以沿底板梁长度方向的底面积为1.5m2/m。

5  受力结构分析

5.1 底板梁条幅（计算分析单元）受力面积

A=14m×1.5m=21m2

5.2 底板与围岩之间的约束力分析

①锚杆抗拔力，试验检测18t/根为合格，实际可取25t/根，则总锚杆抗拔力为：25t/根×9根=225t

∴225t/21m2=10.714t/m2

∵1.0MPa=102t/m2

∴Pa=10.714/102=0.105MPa ——假设为均布荷载

②粘结力。

根据隧道施工喷射混凝土与围岩间的粘结力为：

Ⅲ类：0.8MPa     Ⅳ、Ⅴ类：0.3MPa    ——质量标准

注：参照公路的技术标准，用至洪家渡电站溢洪道的灰岩地段Ⅱ、Ⅲ类围岩粘结力为0.8MPa，溢洪道溶洞段、九级滩泥页岩地段Ⅳ、Ⅴ类围岩粘结力0.3MPa，即Pb=0.55MPa，最大值Pb=0.8MPa。

③混凝土底板自重（C30混凝土）。

G=2.388t/m3×14m长×1.5m宽×1.0m厚

=2.388t/m3×21m3

=50.15t

∴Pc=50.15t/21m2=2.388t/m2

∵1.0MPa=102t/m2

∴Pc=2.388/102=0.023MPa

所以，混凝土底板与围岩之间的约束力P向下为：——假设为均布荷载

P向下=Pa+Pb+Pc

=0.105+0.55+0.023=0.678MPa——均值Ⅳ、Ⅴ类，溶洞段、九级滩地段

P向下=Pa+Pb+Pc

=0.105+0.8+0.023=0.928MPa——最大值Ⅱ、Ⅲ类灰岩段

5.3 固结灌浆压力对溢洪道混凝土底板的顶托破坏

条件1：底板基岩横向铺设的塑料排水盲材，外裹一层土工布，地下水渗入盲材，经排水系统引排出洞外，因此一旦灌浆浆液进入盲材，便形成灌浆管网（见图4）。

条件2：底板混凝土与围岩毕竟是两种介质，其接触面（基岩面）是一个薄弱处，不可能紧密结合，一旦某处盲材位置紧靠灌浆孔或者钻灌浆孔损坏了排水盲材，则灌浆时水泥浆渗过土工布（无纺布），进入盲材，形成一个灌浆管网系统（见图4）。

条件3：排水系统形成灌浆路径、管网后，假定近似取底板混凝土所受的灌漿压力顶托为均布荷载。——P顶托

条件4：溢洪道K0+277～0+460段，固结灌浆设计参数：灌浆孔深8m，分为2段，段长4m，最大灌浆压力：第1段1.0MPa，第2段1.5MPa。

条件5：溢洪道K0+460～0+813段，固结灌浆设计参数：灌浆孔深6m，分为1段，段长6m，最大灌浆压力（只有1段）1.5MPa。

①固结灌浆压力对底板混凝土的破坏分析。

1）当第1段灌浆压力取值1.0MPa，约束力P向下取均值0.678MPa，Ⅳ、Ⅴ类，溶洞段、九级滩地段。

则P顶托=1.0-0.678=0.322MPa

∴q=（0.322×106N/m2×14.72m2/168m2）×1.5m2/m

=0.04232×106N/m=42.32kN/m

设：简支梁受荷载集度q=42.32kN/m的均布荷载作用，如图5-图7所示。梁的跨长L=14m，横截面为b×h=1500mm×1000mm。混凝土底板梁许用弯曲应力[σ]=2.00MPa（C30混凝土抗拉强度标准值，产生裂缝临界值），许用剪应力[τ]=4.5MPa。校核此梁（底板）的强度。

解：分别从正应力和剪应力两方面校核此梁的强度。

此梁的最大弯矩发生在跨中的横截面上，其值为：

Mmax=1/8×ql2=1/8×42.32×142=1036.84kN·m

梁横截面的抗弯截面系数为：

WZ=1/6×bh2=1/6×1500×10002=250×106mm3

∴校核正应力强度：

σmax=Mmax/WZ

=1036.84×103N·m/（250×103×10-6m3）

=4.147MPa>[σ]=2.00MPa（C30混凝土抗拉强度标

准值）

∴底板混凝土梁受灌浆抬动破坏、变形、裂缝。

此梁的最大剪应力出现在梁的支座内侧横截面上，其值为

Qmax=1/2×ql=1/2×42.32×14=296.24kN

矩形截面梁的横截面面积为：

A=bh=1500×1000=1.5×106mm2=1.5×106×10-6m2=1.5m2

∴得出梁横截面上的最大剪应力，并据此校核剪应力强度：

τmax=3/2×Q/A=（3/2×296.24×103N）/1.5m2

=0.296MPa<[τ]=4.5MPa

（C35混凝土，抗折强度为4.5MPa。）

∴剪应力强度条件能满足，底板混凝土梁未出现剪切破坏！

同理，通过同样计算分析得表1。

6  溢洪道C30底板混凝土抗裂验算

①矩形截面，1.5m宽×1.0m厚、1.5m宽×1.2m厚两种类型，见图8、图9。

②受弯构件抗裂验算公式。

ftk——混凝土轴向抗拉强度标准值;

αct——混凝土拉应力限制系数，荷载效应的短期组合，αct=0.85;

γm——截面抵抗矩的塑性系数，水工矩形截面，γm=1.55;

ft——混凝土轴向抗拉强度。

Ⅱ级钢筋，热轧带肋，钢筋弹性模量：Es=2.0×105N/m2

C30混凝土弹性模量：Ec=3.00×104N/m2

A0—换算截面面积，A0=Ac+αEAs+αEAs'

其中：αE ——钢筋弹性模量与混凝土弹性模量之比，即αE=Es/Ec;

As——钢筋截面面积（受拉）;

As'——钢筋截面面积（受压）;

Ac——混凝土截面面积。

受弯构件正截面抗裂弯矩Mcr=γm ftW0

W0=I0/（h-y0）

W0——换算截面A0对受拉边缘的弹性抵抗矩;

y0——换算截面重心轴对受压边缘的距离;

I0 ——换算截面对其重心轴的惯性矩。

∴受弯构件在荷载效应的短期组合下，按下列公式进行抗裂验算：

Ms≤γmαctftkW0

式中，Ms——由荷载标准值按荷载效应短期组合计算的弯矩值。

③溢洪道底板C30混凝土抗裂验算（受弯构件）。

1）钢筋与混凝土弹性模量之比：

αE=Es/Ec=2.0×105/3.00×104=6.667

2）各种设计工况见表2。

④取底板截面矩形b×h=1500mm×1000mm，？准28主筋@20，进行底板C30混凝土抗裂验算（见图10）。

钢筋净保护层5cm，所以a=50+28/2=64mm，h0=1000-64=936mm。

构件截面总的换算截面面积为：

A0=Ac+αE As+αE As'

=1500×1000+6.667×4618.14+6.667×4618.14

=1561578.279mm2

换算截面重心至受压边缘的距离：

y0=（1/2×bh2+αE Ash0+αE As'a'）÷（bh+αE As+αE As'）

=（1/2×1500×10002+6.667×4618.14×936+6.667×4618.14×64）/（1500×1000+6.667×4618.14+6.667×4618.14）

=780789139.4/1561578.279

=500mm

换算截面对其重心轴的惯性矩：

I0=1/3×by03+1/3×b（h-y0）3+αE As（h0-y0）2+αE As'（y0-a'）2

=1/3×1500×5003+1/3×1500（1000-500）3+6.667×4618.4（936-500）2+6.667×4618.4（500-64）2

=13.67057845×1010mm4

∴W0=I0/（h-y0）=13.67057845×1010/（1000-500）

=273411569.0mm3——换算截面A0对受拉边缘的弹性抵抗矩

受弯构件正截面抗裂弯矩Mcr的计算公式：

C30混凝土抗拉强度标准值：ftk=2.00N/mm2

Mcr=γmftW0=1.55×2.00N/mm2×273411569.0mm3

=847.576kN·m                ——极限抗裂弯矩

通常为满足目标（本文指溢洪道底板C30混凝土）可靠指标的要求，受弯构件引入拉应力限制系数αct，这样，受弯构件在荷载效应的短期组合下，应按下列公式进行抗裂验算：

Ms≤γmαct ftkW0

Mcr=γmαctftkW0

=0.85×847.576kN·m

=720.440kN·m

1）取底板矩形截面b×h=1500mm×1000mm，？准28主筋@16.7，进行底板C30混凝土抗裂验算（见图11）。

2）取底板矩形截面b×h=1500mm×1000mm，？准28主筋@12.5，进行底板C30混凝土抗裂验算（见图12）。

3）取底板矩形截面b×h=1500mm×1200mm，？准28主筋@12.5，进行底板C30混凝土抗裂验算（见图13）。

通过同样计算分析得表3。

所以，由表中计算结果得出结论：

a.当底板混凝土厚度分别为1.0m、1.2m，灌浆压力第1段为1.0MPa时，在Ⅱ、Ⅲ类灰岩地段，不会产生裂缝;在九级滩泥页岩、断层及溶洞段，Ⅳ、Ⅴ类围岩地段，底板混凝土会产生抬动、裂缝。

b.当底板混凝土厚度分别为1.0m、1.2m，灌浆压力第1段为1.5MPa时，溢洪道底板混凝土不论Ⅱ、Ⅲ类或Ⅳ、Ⅴ类地段，都将发生抬动、裂缝。

7  分析结论及处理措施，见表4

7.1 分析结论

①K0+277～0+460段，设计灌浆孔深8m，第1段4m、压力1.0MPa，第2段4m、压力1.5MPa;

②K0+460～0+813段，设计灌浆孔深6m，只有1段6m，全孔段一次灌浆，压力1.5MPa;

③根据溢洪道固结灌浆导致底板混凝土多处出现抬动变形、裂缝，经以上计算分析认为：第1段压力为1.0MPa或1.5MPa的压力明显偏大，是造成底板抬动变形、裂缝的直接原因。

7.2 处理措施

经设计变更，对溢洪道洞室段固结灌浆设计参数作如下调整。

①K0+277～0+460，孔深8m段，第1段压力由1.0MPa调整为0.5MPa，段长由4m调整为3m;第2段压力不变，仍为1.5MPa，段长由4m调整为5m。

②K0+460～0+813，孔深6m段，由原来只有1段、压力1.5MPa灌浆，调整分为2段，第1段入基岩2m，压力为0.5MPa，第2段入基岩4m，压力为1.5MPa。

8  结束语

通过调整溢洪道固结灌浆设计参数，减小了第1段的灌浆压力，按0.5MPa施工（第2段灌浆压力仍为1.5 MPa）;第1段的灌浆施工止浆塞必须设置在孔内混凝土面以下≥0.5m處，在之后的固结灌浆施工中，有效的防止了新裂缝的产生。

在以后的水工隧洞设计中，建议洞身衬砌结构与围岩接触面，不要设置盲材排水系统，避免在灌浆施工中易成为灌浆浆液路径，对结构产生压力破坏，且盲材堵塞失效，失去排水功能。

参考文献：

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[2]水工建筑物水泥灌浆施工技术规范，中华人民共和国电力行业标准，DL-T5148-2001，主编单位：中国水利水电基础工程局，批准部门：中华人民共和国国家经济贸易委员会，批准文号：国家经济贸易委员会公告2001年第31号，2001-12-26发布，2002-05-01实施.

[3]中华人民共和国交通运输部发布，公路隧道施工技术规范JTG F60-2009（质量评定标准），中华人民共和国行业标准，中交第一公路工程局有限公司主编，人民交通出版社，2009年9月第1版，2009-10-01实施.

[4]中华人民共和国交通部发布，JTG F80/1-2004公路工程质量检验评定标准（1）——土建工程，中华人民共和国行业标准，作者：交通部公路科学研究所，出版：人民交通出版社，2004-09-04发布，2005-01-01实施.

[5]徐江宇，常晓林，周伟，张超，郭华伟.固结灌浆期间盖重抬动对混凝土应力的影响研究[J].水力发电学报，2017，3.

作者简介：罗康勇（1967-），男，贵州天柱人，高级工程师，学士，从事铁路、高速公路桥梁、隧道专业及水工建筑物地下洞室施工技术研究工作。