某电站厂房底板混凝土裂缝成因及处理分析

张 坤

(新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

某一级电站工程为动能回收电站，主要承担调入区动能回收及水量调节任务，由拦河坝、泄洪洞、排沙洞、进水塔、发电引水洞、电站厂房、过鱼建筑物、生态放水建筑物组成。水库总库容740万m3，装机容量320 MW，工程规模属大(2)型，工程等别为Ⅱ等[1]。

电站厂区建筑物主要包括主厂房、副厂房、主变压器场、GIS开关站、出线平台、尾水渠及厂区附属建筑物等。主厂房水轮机组基础混凝土底板长26.00 m，宽71.75 m，由四台机组构成，1#～4#机组段混凝土底板宽度分别为18.20 m、16.00 m、16.00 m和21.55 m。

厂房地基由两种地层组成，以f1断层为界，东侧为泥盆系汗吉尕组第二段(D2h2)凝灰质泥质粉砂岩，西侧为第三系上新统(N2)泥质砂岩、砂质泥岩。第三系砂质泥岩为弱～中等胶结，岩石强度低，具有遇水软化、失水崩解的特性。厂房地基范围内发育的f1、f1-1断层为非活动性断层。对厂房跨越的f1断层及其分支断层f1-1做回填混凝土塞处理，施工过程中对地基承载力<450 kPa的部位进行了刻挖回填混凝土处理。

2 裂缝发生时间及分布

2020年5月27日，在厂房3#、4#机组段底板混凝土发现1条深层裂缝(未贯通)。已浇筑底板仓面尺寸为4#机组段26.00 m×21.55 m，3#机组段26.00 m×16.00 m,厚度为1.0～2.0 m(进口段为2.0 m，出口段为1.0 m)，裂缝位于1.0 m厚底板中部位置，裂缝两侧没有明显的错台。裂缝自4#机组下游侧墙边缘沿纵向延伸至2#机组边缘，裂缝宽度0.6～3.6 mm不等，最大裂缝宽度发生在4#机组段右边墙位置，裂缝总长度约38.20 m。裂缝有关信息统计见表1。

表1 裂缝宽、长度测量成果统计

3 裂缝调查

3.1 混凝土施工及冬季蓄水保温情况调查

厂房3#、4#主机间基础在验收后采用C30F150素混凝土垫层(厚100 mm)及时进行封闭，分别于2019年10月11日和10月8日浇筑完成；3#、4#主机间底板结构钢筋混凝土(C30W6F200，底板厚1.0～2.0 m，纵横向钢筋Φ28@200)分别于2019年10月23日和10月18日浇筑完成，浇筑底板顶面EL856.3；4#主机间右边墙混凝土EL856.3～EL858.3仓块于2019年10月30日浇筑完成。查阅气象资料得知2019年10月16—31日的平均气温为7.03 ℃，最低气温为-1.4 ℃，适宜浇筑混凝土。开挖基础面按设计图要求做到及时验收、封闭，浇筑后混凝土按28 d进行养护。通过检查混凝土配合比、混凝土试块抗压强度和现场采用回弹仪回弹强度均满足设计要求等相关资料，现场混凝土外观质量均符合要求。

2019年11月26日开始进行厂房混凝土冬季蓄水保温，储水水位至EL874.0。2020年3月22日开始基坑降排水，至4月5日抽水15 d出露主机间底板EL856.3。底板清淤完成后安排人员对底板是否有沉降和裂缝进行巡查，未发现异常情况。

通过数值模拟分析表明，在已浇筑1.0～2.0 m 厚底板的情况下，荷载不大，总体沉降较小，底板中间沉降最大为4.2 mm，底板下游侧沉降最大为3.0 mm，底板最大位移差仅为1.2 mm，最大拉应力2.95 MPa发生于1.0 m厚底板底部、中部靠上游位置，底板顶面均为受压区，底板配筋满足结构要求[2]。

3.2 固结灌浆施工调查

2020年5月11日进行固结灌浆试验准备工作，试验区布置在4#主机段，固结灌浆钻孔单孔长为5.0 m，共9个试验孔，分两序进行。此时，距离混凝土浇筑完成195 d，根据4#主机间底板混凝土强度报告，4组混凝土抗压强度平均为39.50 MPa，1组劈拉强度为3.75 MPa。经历冬歇期蓄水保温后以及在固结灌浆前对混凝土面进行了详细的检查，均未发现裂缝。5月12日第一个Ⅰ序孔开钻，5月13日开始进行固结灌浆试验，共分3段进行灌浆，于5月15日该孔灌浆结束，5月17日完成全部9个试验孔的灌浆，历时6 d。Ⅰ序孔灌浆压力为0.3～0.6 MPa，压水试验透水率最大为362 Lu，持浆量最大为1658 kg/m；Ⅱ序孔灌浆压力为0.6～0.8 MPa，压水试验透水率最大为41.3Lu，持浆量最大为219.5 kg/m。灌浆水灰比为3.0∶1.0、2.0∶1.0、1.0∶1.0、0.5∶1.0共四个比级，按照由稀到浓逐级变换的原则。在灌浆施工过程中进行抬动监测，使用千分表量测，抬动变形值不超过200 μm。

3.3 安全监测仪器数据调查

安装的测缝计J2及测缝计J8的监测数据表明，在固结灌浆试验期间，监测数据发生了明显的变化，详细情况如下：

(1)横向安装在3#与4#机组基础之间的测缝计J2于2019年10月23日取得基准值，2020年5月16日前测值未见明显异常，2020年5月21日测值较2020年5月16日测值对比突变4.9 mm，测缝计累计张开6.0 mm，至2020年5月27日测缝计累计张开8.2 mm。由于测缝计J2安装在3#与4#机组基础之间，横向安装用于监测相邻基础部位的缝隙开合情况，测缝计张开表明3#与4#机组基础之间可能有裂缝产生。测缝计J2开合度过程线见图1。

图1 测缝计J2缝监测数据

(2)竖向安装于3#机组段底板下部的测缝计J8于2019年10月24日取得基准值，2020年5月16日前测值未见明显异常，2020年5月21日测值与2020年5月16日测值对比突变11.2 mm，测缝计累计张开13.5 mm，至2020年5月27日测缝计累计张开13.7 mm。测缝计J8开合度过程线见图2。

图2 测缝计J8缝监测数据

3.4 地基承载力调查

在厂房4#机组挡墙裂缝附近布置探坑，通过探坑开挖了解到如下情况：

(1)厂房边墙的裂缝未发育至底板下方，距离底板约0.5 m，建基面附近无脱空，无水溢出。

(2)底板以下建基面为f1-1断层带附近，发育断层碎裂岩，岩块粒度0.5～2.0 m，夹有泥质；靠近山里的一侧为含砾砂质泥岩，砾石块径最大可达8 cm，地基含水率较建基面开挖时有明显提高，地基承载力试验贯入10 cm锤击数7～10击，相当于承载力280～400 kPa。

通过复核，经处理后的地基承载力有一定安全裕度(修正后最小值为570 kPa，大于基底最大应力470 kPa，后期蓄水后考虑浮托力影响裕度更大)，即便考虑砂质泥岩的弱化影响，也可满足承载力要求。

3.5 地质情况调查

对底板裂缝附近采用潜孔钻机布置钻孔，在3#、4#机组裂缝及裂缝两侧各布置3个钻孔；在1#机组布置1个钻孔，通过钻孔了解到如下情况：

(1)钻孔取样除位于4#机组段的钻孔2取出的岩样为砂质泥岩外，其他大部分样品以泥质砂岩为主，局部夹砾，呈潮湿状，岩石致密。孔内录像表明基础与建基面岩体结合紧密，无脱空，无明显缝隙。

(2)对钻孔取样进行了含水率及简单颗分试验，钻孔取样的样品含水率值为7.6%～9.0%，与前期相同地层钻孔取样的天然含水率相近。

(3)钻孔的水位与钻孔造孔时间具有一定的滞后性，钻孔1、钻孔2在造孔后2～3 h内均未见水，其他钻孔的地下水渗出时间存在差异，一般情况下钻孔水位1 h上升5～6 cm，最终钻孔水位为855.129～856.185 m，水位也具有随周边基坑水位变化而变化的特点。根据钻孔内均存在地下水和测压计的监测成果，可以判断建基面附近均存在地下水，由钻孔取芯岩芯含水率情况及钻孔录像成果分析，地下水主要由基础周边的积水沿混凝土与垫层接触面或垫层与建基岩体接触面入渗形成。

建基面砂质泥岩透水率低(8%～10%)，根据现场钻孔取样分析，其软化程度不高，仅浅表层有轻微弱化(不超过10 cm)，其对地基的承载力、沉降等的影响很小。

4 裂缝成因分析

(1)永久变形缝的间距设计偏大。根据水电站厂房设计规范，厂房机组段永久变形缝的间距建议为20～30 m。本厂房采用一机一缝布置，4#主机间底板结构长度26.00 m，宽度21.55 m，3#主机间底板结构长度26.00 m，宽度16.00 m，且建基面因软岩或断层破碎带影响均有断层回填混凝土塞处理、刻槽换填混凝土处理，基础较复杂。

(2)结构的不均匀性。此工程坐落在凝灰质粉砂岩和泥岩上，已经完成浇筑的3#、4#主机间进口段底板混凝土结构厚度为2.0 m，出口段为1.0 m，在裂缝下方(1.0 m浇筑区)对分支断层f1-1进行了刻槽换填混凝土处理[3]。

(3)固结灌浆试验抬动。固结灌浆试验于2020年5月12日开始，5月17日完成，安装的测缝计J2及测缝计J8将2020年5月21日测值与5月16日测值对比发现发生突变，2020年5月27日发现裂缝，说明灌浆试验对裂缝的产生有促进作用。

5 处理措施

5.1 基础处理

(1)封闭灌浆。在4#机组段边墙及3#、4#机组段靠近尾水一侧，新增1排固结灌浆孔(孔距2.0 m，单排分序布置)，阻断建基面渗漏通道，施工时根据现场灌浆实际情况优先采用低压力、浓浆灌注，防止周边存在渗漏通道发生耗灰量大等问题。

(2)固结灌浆。针对凝灰质粉砂岩地层、f1断层、f1断层与f1-1分支断层之间的挤压破碎带区域新增固结灌浆孔(分段灌浆，孔径50 mm，孔深为入岩5.0 m，间排距2.5 m，梅花形布置)，灌浆压力Ⅰ序孔按0.05～0.30 MPa控制，Ⅱ序孔按0.2～0.4 MPa控制；对砂质泥岩地层区域新增泥岩弱化处理灌浆孔(孔口封闭灌浆，孔径50 mm，孔深为入岩2.0 m，间排距2.5 m，梅花形布置)，灌浆压力Ⅰ序、Ⅱ序孔均按0.05～0.30 MPa控制。

(3)灌浆顺序。先进行周边封闭灌浆，再对凝灰质粉砂岩地层、f1断层、f1断层与f1-1分支断层之间的挤压破碎带部分灌浆孔由1#机组段逐渐向4#机组段位置进行固结灌浆，最后再对泥岩地层进行灌浆处理(由3#机组段向4#机组段方向)。

(4)灌浆控制标准。声波检测，要求检查孔数量为固结灌浆孔孔数的5%，要求85%以上测段波速达到2800 m/s，<2300 m/s测段数不超过5%且不集中分布。

(5)注意事项。基础处理固结灌浆时应分段、分级、分序进行，过程中严格控制灌浆压力值及底板抬动监测值，每个灌浆区域至少布置2个抬动监测孔(孔深为固结灌浆孔入岩深度基础上增加至少2.0 m)，混凝土结构表面抬动的允许值严格按照≤100 μm控制[4]。

5.2 裂缝处理

(1)化学灌浆。采用黏结力较强和自身粒径较小的化学材料(如高渗透亲水性环氧树脂)进行灌浆处理，距离裂缝较近的Ⅰ序孔的灌浆压力需控制在 0.3 MPa 内，Ⅱ序孔的灌浆压力按≤0.5 MPa 进行控制，灌浆压力从0.05 MPa开始，按每级0.05 MPa升压。

(2)化学灌浆检测。压水试验(要求<0.003 L/min)和声波检测(要求100%以上测段波速提升率>10%)，且在每个机组段对重要部位的深层裂缝进行钻孔取芯检查，观察其封面浆液结石和充填情况，对芯样做抗拉试验检测，测定其力学指标是否达到相应部位的混凝土设计要求。

(3)增设限裂钢筋网。在上层混凝土浇筑前，延裂缝方向敷设DN100半圆钢管，沿缝面上部布设2层限裂钢筋网，垂直于缝方向布设HRB400级Φ28@200钢筋，平行于缝方向布设HRB400级Φ25@200钢筋，钢筋网沿缝通长铺设，缝两侧均≥2.0 m。

5.3 增设安全监测仪器

沿3#和4#机组底板顶部临时施工面的裂缝布置3支测缝计和3支钢筋计，在2#、3#机组底板结构缝之间布置2支测缝计，在3#和4#机组底板结构缝之间布置1支测缝计，并在3#、4#机组底板分别布置1套三点式位移计。

6 结 论

(1)根据现场地质情况调整结构分缝长度。若遇有基础地质条件复杂，且存在同一仓混凝土浇筑厚度不一等情况，建议调整结构分缝长度或增设施工缝；在高程有突变的地基上浇筑的结构，建议在突变处分缝。

(2)重视灌浆试验压力控制。灌浆试验时严格按照规范规定的灌浆压力(有盖重灌浆，盖重<3 m时，Ⅰ序孔按0.25 MPa，Ⅱ序孔按0.4 MPa)进行施工，开灌时采用较小值，并逐级提升灌浆压力，且需根据注入率大小对压力进行调节，过程中做好数据收集，为确定最终灌浆压力提供数据支撑。

(3)重视抬动监测及安全数据监测收集。进行灌浆试验前，应在敏感部位安设抬动监测装置，在灌浆过程中连续并加密抬动监测及安全监测频次，抬动变形值应在设计允许范围内，测值发生突变立即停止灌浆并上报参建各方分析原因。