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1、官地水电站岩壁梁混凝土后期裂缝探讨 阮丁延 （四川二滩建设询问有限公司）摘要 本文通过对官地水电站地下厂房岩壁梁由施工实现无裂缝到14个月后出现较多裂缝的分析探讨，提出该电站岩壁梁混凝土后期裂缝是高地应力区出现的特殊工程地质问题，它是不利地质结构面组合块体在高地应力释放调整条件下持续不匀称变形造成的。类似官地电站岩壁梁出现后期裂缝，国内尚未见报导过。探讨高地应力条件下大跨度地下厂房的围岩变形特征和持续不匀称变形的工程对策，意义深远。关键词 岩壁梁后期裂缝 高地应力区 持续不匀称变形1岩壁吊车梁混凝土后期裂缝发觉经过官地水电站是雅砻江卡拉至江口河段水电开发的第三个梯级电站，上游与锦屏二级电站尾水
2、连接，下游接二滩水电站。电站枢纽主要由拦河碾压混凝土重力坝、泄洪消能建筑物、地下发电厂房等组成，最大坝高168.00m，电站装机容量2400MW（4600MW），多年平均发电量118.7亿kWh。地下厂房布置在坝轴线下游右岸山体内，最大开挖尺寸为长243.44 m、宽31.10 m、高76.30m，厂房洞室位于簇新完整的二叠纪玄武岩中，类围岩。地下厂房岩壁梁长226.42m，宽2.25m，高3.25m，设计为C25二级配混凝土，于2008年10月19日至12月20日进行浇筑。为了避开现浇岩壁梁遭遇主厂房下层开挖爆破飞石的损坏，实行模板不周转、较长时间不拆模的混凝土表面爱护措施。经过156天后拆
3、模，其表面平整光滑、色泽较匀称、无裂缝、无蜂窝麻面、无明显气泡，外观质量满意镜面混凝土设计要求。岩壁梁边线直顺、形体尺寸精确，混凝土施工质量优良，达到国内先进水平。2009年10月，被评为官地水电站样板工程。然而，在岩壁梁混凝土浇筑时过14个月和地下厂房开挖全部结束1个月后的2010年2月下旬，厂房上游岩壁梁在3#机组段混凝土表面首次发觉裂缝，嗣后，混凝土后期裂缝范围不断扩展，数量不断增多，到2010年9月初，遍布整个岩壁梁，其中上游岩壁梁产生裂缝79条，下游岩壁梁67条。国内地下厂房岩壁梁混凝土产生裂缝较普遍，但都是出现在梁体混凝土浇筑后较短时间内（一般13个月），其成因类型或温度裂缝或温度
4、加爆破影响裂缝。从上述介绍可知，官地电站地下厂房岩壁梁混凝土裂缝则不同，它是在浇筑后长达1年2个月才产生的后期裂缝，非温度、非爆破成因，在国内尚未见报导过。2岩壁吊车梁混凝土后期裂缝分布规律 依据现场调查和素描统计，官地水电站地下厂房岩壁梁混凝土后期裂缝分布规律如下：（1）混凝土裂缝呈分段集中。上游岩壁梁裂缝依次集中在厂横0+032厂横0+045（2#机组），厂横0+062厂横0+090（3#机组），厂横0+118厂横0+128（4#机组），厂横0+141厂横0+165（安装间）4段；下游岩壁梁裂缝依次分布在厂横0-008厂横0+005（1#机组），厂横0+020厂横0+045（2#机组），厂
5、横0+096厂横0+131（4#机组），厂横0+134厂横0+163（安装间）4段。（2）进一步探讨又发觉，上游岩壁梁混凝土表面裂缝特殊集中在3#4#机组的厂横0+0620+098和厂横0+1220+128区段。其中，厂横0+0620+098段出现裂缝64条，占上游岩壁梁79条裂缝的81%。该裂缝密集区正是主厂房上游边墙和岩壁梁的平安监测值异样区、3#机组上游边墙潜在不稳定岩体区。厂横0+1220+128段出现裂缝11条，占上游岩壁梁裂缝的13.9%,它正好位于fx12 、fx4-31两条断裂错动带夹持的断块处。下游岩壁梁混凝土表面裂缝主要分布在安装间与4#机组接攘的厂横0+1340+152区
6、段，其他地段裂缝相对分布稀疏匀称。厂横0+1340+152段出现裂缝21条，占下游岩壁梁67条裂缝的31.3%，它位于fx12 、fx14、fxk02断裂错动带夹持的断块处。 （3）从图2-1可以看出，图2-1 上游岩壁梁后期裂缝与边墙喷层裂缝分布关系岩壁梁表面密集裂缝分布位置，经常与其上方和下方边墙喷层裂缝有肯定空间对应关系，而边墙喷层裂缝又与边墙围岩内较大构造错动带产状基本一样，显示它们之间受地质条件制约的成因联系。边墙喷层裂缝比梁体表面裂缝早出现4个多月，可以理解为它们是不同刚度构件在统一应力场作用下不同变形发展阶段的产物。（4）上下游岩壁梁表面裂缝均为张性裂缝，以陡倾角、走向近乎垂直梁
7、轴线产出，且岩壁梁立面相对台面和斜面裂缝较发育。（5）依据多次裂缝调查成果对比，自2010年2月下旬岩壁梁首次出现表面裂缝后，随着时间推移，其裂缝分布范围不断扩大，数量不断增多，早先产生的裂缝自身接着增长变宽、规模变大，显示表面裂缝在持续地应力作用下不断发生、不断发展、不断扩大。3岩壁吊车梁后期裂缝产生缘由分析（1）3#机组上游边墙围岩存在潜在不稳定地质块体，导致边墙发生较大不匀称变形。依据现场地质勘察，3#机组上游边墙围岩存在着由fx23（产状N600W/NE700750）、fx（产状EW/N400450）、fx3-13（产状N600750E/SE300350）3个错动带相围，fx3-15（
8、产状SN/W800）错动带作为后缘边界的潜在不稳定块体，见图2-2。该块体以fx23构 图2-2 3#机组上游边墙围岩潜在不稳定块体成山内侧边界，fx构成山外侧边界，fx3-15构成后缘边界，fx3-13则构成底滑面。该块体为可动块体，失稳模式为沿着错动带fx23和fx3-13双面滑动或沿着错动带fx3-13单面滑动。正是该部位围岩存在潜在不稳定块体，在厂房分层开挖卸荷和地应力释放调整过程中，洞四周岩径向应力释放，切向应力增加，引起圈围潜在不稳定块体的不良地质结构面，特殊是产状近乎平行上游边墙的陡倾角错动带，产生卸荷松驰、张开而发生较大变形。从图2-3还可以看出，紧邻潜在不稳定块体向墙内（上游
9、），在3#压力管道下平段发育2组节理密集带（产状分别为N50W/SW700和N100150E/SE750）。这两组陡倾节理密集带与错动带fx3-13走向平行或小角度相交，延长性较好，它们与 fx3-13一样也可构成后缘边界，形成次级潜在不稳定块体。另外，在3#压力管道下平段右侧拱脚发育一组与管道轴线平行、倾向管道内、中等倾角的长大裂隙（产状N700W/NE400600），它们被开挖管道壁切断而失去支撑，受开挖爆破、地应力释放 图2-3 3#压力管道下平段地质素描展示图及拱脚长大喷层裂缝的联合影响，岩体卸荷松驰严峻，裂隙普遍张开，喷层出现多处开裂，其中最长1条喷层裂缝长度大于45m，宽度38cm
10、，对潜在不稳定块体的稳定不利。由于潜在不稳定块体的存在，在分层开挖爆破和高地应力作用下，厂房上游边墙产生较大不匀称变形。这种不匀称性既反映在沿着厂房轴线方向，又表现在铅直方向。平安监测资料表明，沿着厂房轴线方向，主厂房上游边墙在3#机组变形增大，最大肯定位移达61.34mm，为同一高程其余部位变形值的34倍；在铅直方向，3#机组上游边墙较大变形仅局限在岩壁梁与压力管道之间，向上和向下的其他部位围岩变形整体较小。（2）特定的高地应力地质构造背景，加剧厂房高边墙变形的不匀称性和不匀称变形的持续增长。官地水电站地下厂房范围内实测地应力1=25.035.17Mpa，方向N28.753W，倾角- 3-1
11、3，属高地应力区，地应力主要为构造应力。处于高地应力条件下的大型地下厂房，特殊是高边墙内存在不利地质结构面的岩体，开挖引起的应力调整历时较长，造成高边墙围岩变形持续增长和变形曲线较长时间不收敛。 官地电站地下厂房开挖于2010年1月31日全部结束，但时过5个月，主厂房3#机组上游边墙M4-55-CF和M4-56-CF多点位移计仍分别以0.006mm/d和0.01mm/d变形速率缓慢增长；3#机组上游岩壁梁R3-62-CF和R3-63-CF锚杆应力计实测应力分别增长15.97MPa和13.68MPa。这种开挖结束后较长时间（5个月以上）的缓慢、持续增长的围岩变形，正是高地应力作用的结果。（3）高
12、边墙的较大不匀称变形和不匀称变形的持续增长，是岩壁梁产生后期裂缝的干脆缘由。在进行地下厂房中下部分层开挖的2009年5月至6月期间，3#机组上游边墙潜在不稳定块体曾发生较大变形，经二次预应力锚索加固后较快变形速率得到有效限制，但小速率变形仍缓慢发展，并持续到厂房全部开挖结束5个月后。2009年10月中旬，3#、4#机组上游边墙出现多条喷层裂缝，3#压力管道下平段右拱脚出现贯穿性长大喷层裂缝。2010年2月下旬，3#、4#机组上游岩壁梁表面起先出现裂缝，其后梁体裂缝分布范围不断扩大，数量不断增多，早先产生的裂缝长度、宽度不断发展。地质构造探讨和平安监测成果分析显示，先在边墙出现喷层裂缝、后于岩壁
13、梁产生后期裂缝，是高地应力作用下厂房高边墙围岩剧烈不匀称变形持续发展的结果。（4）岩壁梁结构缝分缝过长，也是导致岩壁梁出现多处裂缝的重要因素。从岩壁梁表面裂缝的几何特征和分布规律来看，岩壁梁出现裂缝的力学模型，可能是地下厂房高边墙局部围岩相对向内空位移衍生的近水平推力作用在岩壁梁上，梁体产生类似横弯褶皱作用，进而形成垂直梁体轴向的横张裂缝。在岩壁梁混凝土施工过程中，曾取消多处结构缝，使结构缝间距离由20m以内增大至38m以上，这在肯定程度上减弱了岩壁梁适应非匀称变形的实力。当岩壁梁横弯变形受到限制时，岩壁梁表面不行避开产生张性裂缝。从岩壁梁裂缝分段集中在机组中心线旁边来看，官地水电站地下厂房岩
14、壁梁结构缝间距应限制在20m以内，原结构设计是合理的。（5）综上所述，不利地质结构面组合块体在高地应力释放调整条件下持续不匀称变形，是岩壁梁产生后期裂缝的根本缘由。开挖爆破卸荷和结构缝间距过长，是岩壁梁产生后期裂缝的不行忽视因素。岩壁吊车梁后期裂缝成生过程模拟：3#4#机组第-1层开挖爆破振动、高地应力释放、岩体卸荷松驰联合作用下3#机组上游边墙特定地质块体变形突增3#机组上游边墙二次锚索加固3#4#机组第-2层开挖3#机组上游边墙特定地质块体变形增长且变形不匀称3#4#机组上游边墙和3#压力管道下平段右拱脚产生喷层裂缝主厂房开挖结束高地应力条件下持续不匀称变形岩壁梁不匀称变形增长并在横弯褶曲
15、作用下产生后期裂缝后期裂缝持续发展、范围不断扩大、数量不断增多。4岩壁吊车梁后期裂缝加固处理为了保证岩壁梁结构平安，设计单位提出了裂缝加固措施，其要点如下：（1）对于宽度小于0.2mm的浅表型裂缝，利用混凝土表面微细裂缝或网状裂缝的毛细管作用，汲取具有良好渗透性的潮湿型改性环氧树脂（注射剂），进行表面封闭。（2）对于宽度大于0.2mm的浅表型裂缝及全部贯穿性裂缝，采纳潮湿型改性环氧树脂、以0.6MPa压力进行化学灌浆。（3）对于岩壁梁与边墙围岩的接触面，也采纳潮湿型改性环氧树脂进行低压化学灌浆。（4）对于岩壁梁出现裂缝的直立面和下部钭面，在完成化学灌浆处理后，粘贴3层高强级碳纤维单向织物（布）
16、，表面再涂刷1层防火涂层和1层混凝土色涂料。2010年9月4日2011年1月5日，承包商对岩壁梁混凝土后期裂缝进行了环氧树脂化学灌浆加固处理。通过钻孔取芯与劈裂试验，环氧浆体与裂缝粘结坚固，岩壁梁后期裂缝得到了有效充填，保证了岩壁梁的整体性和承载实力，达到了裂缝加固处理的设计要求。5结语官地水电站地下厂房岩壁吊车梁混凝土施工实现了无裂缝目标。然而，在岩壁吊车梁混凝土浇筑完成过后14个月的2010年2月份，其表面发觉较多后期裂缝，这是高地应力区大跨度地下厂房高边墙出现的特殊工程地质问题，它是不利地质结构面组合块体在高地应力释放调整条件下持续不匀称变形造成的。类似官地水电站地下厂房岩壁吊车梁出现后
