潘口水电站引水隧洞衬砌混凝土裂缝分析及处理.pdf

第 4 3卷 第 1 6期 2 0 1 2 年 8 月 人 民 长 江 Ya ng t z e Ri v e r Vo 1 4 3 NO 1 6 Au g 2 01 2 文 章 编 号 ： 1 0 0 141 7 9( 2 0 1 2) 1 60 0 6 5一O 2 潘 口水电站引水隧洞衬砌混凝土裂缝分析及处理 杨 波 ， 佟 永 强 ， 田 科 宏 ( 1 中国水利水 电第 三工程局有 限公 司 潘 口项 目部， 湖北 十堰 4 4 2 2 0 0 ； 2 中国水利水 电第三工程局有 限公 司 勘 测 设 计 研 究 院 ， 陕 西 西 安 7 1 0 0 1 6) 摘要 ： 水工隧洞衬砌 混凝 土属 于薄壁钢筋混凝土结构 ， 受 自身混 凝土温度 、 收缩 变形及地 质水 文等因素影 响， 容 易产 生裂缝 。分析 了潘 口水 电站 引水隧洞的裂缝产 生机 理 ， 归纳 了裂缝 产生的规律 ， 并采 用斜孔化 学灌浆 法对 所产 生裂缝进 行 了处理。介绍 了灌浆工 艺及施工要 点、 主要 材料及其性 能和灌后 效果检查 ， 总结 了裂缝 处理 施 工 经验 ， 可供 同类 工程 借 鉴 。 关 键 词 ： 裂缝 ；化学灌浆 ；引水 隧洞 ；潘 口水 电站 中 图法 分 类 号 ：T V 6 7 文 献 标 志 码 ：A 1 工程概况 潘 口水 电站 引水 发 电 系统 采 用 单 机 单 洞 供 水 方 式 ， 共 布 置 两 条 引 水 隧 洞 ， 其 中 1号 引 水 隧 洞 全 长 4 6 3 7 2 3 m， 2号 引 水 隧洞 全 长 3 9 9 6 0 2 m。主 要 由渐 变 段 、 上平 段 、 斜井 段 、 下 平段 、 钢 衬段 等组 成 。洞身 断 面为 圆形 ， 混凝 土 衬砌 段洞 径 9 5 m， 衬砌 厚 度 0 7 m。 洞 内围岩 主要 以 类 围岩为 主 ， 局 部 为 类 围岩 ， 进 出 口段及 斜 井段 围岩 节 理 发 育 ， 存 在 断层 及 破 碎 带 等地 质 缺 陷。 2 衬砌 混凝土裂缝的产生原 因 隧洞衬 砌混 凝 土 裂缝 形 成 原 因较 为 复 杂 ， 通 常是 多种不利因素综合作用 的结果。根据裂缝性状 ， 可大 致 分为 3种 类 型 。 ( 1 )温度裂 缝 。衬 砌 混 凝 土 浇 筑后 ， 由于水 泥 水 化 热 的作用 ， 温 度快 速 升 高 ， 经 过 2 d达 到 最 高 后 ， 逐 渐降低到洞 内平均温度。混凝土从最高温度降到洞内 平均温度 ， 体积收缩受到 围岩的约束 ， 温差越大 ， 基岩 变 形模 量越 高 ， 衬砌 厚 度 越 薄 ， 越 容 易 产生 裂 缝 ， 且 强 约束 也 促使 早期 出现 的温 度裂 缝继 续拉 长加 深 。在变 化过程中 ， 衬砌混凝土温度分布呈中间高、 边界低的状 况 。洞 内温 度越 低 ， 混 凝 土表面 的温 度梯度 越 大 ， 在受 到 内部 温度 较高 的混凝 土 约束 时 ， 表 面将产 生拉 应力 ， 随 内外 温差 的增 加 ， 表 面拉 应力 不断增 大 ， 在超过 混凝 土抗拉 强度 时将 产生裂 缝 。这种 裂缝 大部 分在混 凝 土 浇 筑后 的早期 发 生 ， 内温越 高 ， 开 裂 的可能 性越大 。这 种 由表 面温差 引起 的裂 缝为 表面 裂缝 ， 形态 细而浅 。 ( 2 )应 力 裂 缝 。衬 砌 混 凝 土 受 到 的应 力 比较 复 杂 ， 除 了混凝 土 自身温度 变化 、 收 缩等产 生 的温度应 力 之外 ， 还有因围岩 、 支护等产生的应力。衬砌混凝土在 硬化 过 程 中水 分逐 渐 蒸发 散 失 ， 使 水 泥 石 中的凝 结 胶 体 干燥 收缩产 生变 化 ， 由于受 到 围岩和模 板 的约束 ， 变 形产 生应 力 。当应 力值 超 过 混 凝 土 的抗 拉 强 度 时 ， 就 会 出现应 力裂 缝 。应 力裂 缝 一 般 和受 到 的应 力 有 关 ， 产生 的裂 缝走 向也 没有 规律 ， 多 以深层裂 缝 为主 。 ( 3 )地质 水 文条件 变化产 生 的结构 变形 裂缝 。水 工 隧洞 的地质 、 水文 及地形 状况 越 复杂 ， 其 变化 也越难 以准 确把握 ， 虽 然在 工程 建设前 期对 地质 、 水文 及地 形 等基 础资 料进 行 了勘察 ， 但 在 建 设 过 程 中地 质 情 况 变 化较 多 ， 因此施 工 阶段 也 将根 据 不 同地 质情 况 对 施工 方案 进行 调整 。然 而 ， 结 构 变形 裂 缝 的 产生 仍 然难 以 避免 。此类 裂缝 的产 生 机 理 较 为直 观 ， 一 般跨 越 不 同 仓号 ， 且以深层裂缝为主 ， 宽度会 随地质结构的变化而 收 稿 日期 ： 2 0 1 20 52 7 作者 简介 ： 杨 波， 男， 工程师 ， 主要从事水 电工程施 工技 术与管理 工作 。Em a i l ： s h u i d i a n s j y b 1 6 3 c o m 人 民 长 江 不 断发 展 。 3 衬砌混凝土裂缝的形成机理 潘 口水 电站 引水 隧洞 混 凝 土 浇 筑完 成 后 ， 经 现 场 复查发现， 混凝土表面有裂缝 出现， 以环向裂缝为主 ， 且 大部 分均 与原施 工 缝 重合 ， 上 平段 环 向裂 缝 均有 渗 漏 水 ， 斜井 段和下 平段 裂缝 以点 渗为 主 。 引水 隧洞衬 砌混 凝土 环 向施 工缝 在设 计 时未设 止 水 ， 施 工 中 ， 由于混 凝 土温 度 变 化 和 收缩 等 原 因 ， 造 成 原有 施工 缝张 开 ， 山体 内承 压 水 沿 裂缝 渗 出 。在 压 力 水 的作用 下 ， 混凝 土 中的水化 产物 氢 氧化钙 不断 溶 出 ， 加快了混凝土其他水化产物的分解 ， 最终导致混凝土 自身结构的破坏。氢氧化钙 的溶 出又使钢筋周 围环境 的碱度降低 ， 钢筋锈蚀 的机会大大增加 ， 其受力状况随 之发 生改 变 ， 影 响到 洞室 结构 的整体 性 和耐久 性 。 隧洞 充 水后 ， 由 于 内 、 外 渗 透作 用 ， 将 造 成 围岩 软 化 ， 强度 与稳定 性 降低 ， 后期 塑 性 流 变 压 力增 大 ， 对 支 护衬 砌结 构 的安全 运 行 造 成极 大 危 害 ， 甚 至 侵 蚀破 坏 混凝土结构。为了防止 内水外渗 和外水 内渗的现象 ， 必 须对 环 向裂缝 采取 有效 的封 缝与 止水措 施 。 由于环 向裂缝 的特 点 ， 当对 有渗漏 点 的薄弱 部位 进行 处理 后 ， 渗 漏水 会从 其他 次薄 弱部 位流 出 ， 如此 反复 。 因此 ， 必 须 标 本兼 治 ， 对 环 向裂缝 进行 全面 处理 。 4 衬砌混凝土裂缝的处理 裂缝 处理 方法 主 要 有 开槽 埋 管 法 、 打 斜 孔 灌 浆 法 和贴 嘴法 。开 槽 埋 管 法 存 在 对 原 混 凝 土 结 构 破 坏 较 大 、 浆材损耗大 、 开槽处难以修复等问题 ， 已较少采用。 贴 嘴法 具有 对混 凝 土无 损 伤 等 优点 ， 但 是对 扩 散 半 径 的制约使渗漏水裂缝的处理存在一定局限。打斜孔灌 浆 法 采用 小孔 径斜 孔 自裂缝 深 层 灌 浆 ， 浆 液 由里 向外 渗透 ， 既能很好排出缝内空气 ， 又能保证浆液在裂缝中 充填 ， 已在许多工程中应用 ， 并取得 良好 的灌浆效果。 引 水洞 内混凝 土衬 砌 裂缝或 施工 缝 的缝宽会 随 着 结构 受 力及 温度 等 因素 的 变 化 而变 化 ， 裂 缝 一 般 被 称 为“ 活缝 ” ， 要求选用弹性材料进行 防水 和封闭处理 ， 处理 方 法 为缝 内压力 灌注 L W +H W 聚 氨酯化 学浆 材 。 在处理时 ， 应尽 量不破坏原状 混凝 土， 使用“ 无损 ” 化 学 灌浆 工艺 。即缝 面不 凿 槽 嵌 缝 ， 灌 浆 不 采 用 骑缝 孑 L 或骑缝贴嘴法 ， 而采用小孔径 ( 1 6 m m) 斜孔 自裂缝 深层 灌浆 ， 钻孔 深度 视混 凝 土衬砌 厚度 而定 ， 一般 孑 L 缝 相交 处距缝 面 2 0 c m 以上 。 4 1 灌浆工艺及施工要点 裂缝 灌浆 工艺 流程 为 ： 钻孔一 清孔 、 洗 缝一 安装 灌 浆 塞一 灌 浆一 拆 卸灌浆 塞一 封孔 。 ( 1 )钻孑 L 。钻孔设备 采用 喜利得 电锤 ， 孔径 1 6 ll l m， 孔 距 视 缝 宽 而 定 ， 一 般 为 3 05 0 c m。 自缝 一 侧 1 01 5 c m 开 孔 ， 孔 斜 和孔 深 以钻 孔 和裂 缝 在 距 缝 面 2 O e m处 相交 为原则 ， 且孔 深不 得小 于 5 0 c m。钻 孔 完 成 后 ， 泵压 清水 ， 逐 孔 清洗 ， 冲 出孔 内粉 屑 。钻 孑 L 时 注 意尽 量使灌 浆 钻孔 和缝相 交 ， 见 图 1 。 图 1裂 缝 处 理 钻 孔 不 葸 ( 2 )安装化学灌浆塞 。逐孔安装外径 为 1 6 m m， 耐压 8 0 MP a ， 并可拆 卸 的专用 灌 浆塞 ， 为方 便 导 出孔 内流水 及 排气排 浆 ， 要 求 灌浆 塞的球 阀安装在 后端 。 ( 3 )灌浆 。灌 浆施 工 采 用不 凿 槽 封缝 的“ 无 损 灌 浆 ” 工艺 ， 灌浆 压 力 0 3 0 4 MP a 。在 压 力 注 浆 过 程 中 ， 少量 泄漏 的浆 液遇水 快 速 固化 ， 阻止缝 内浆 液进一 步外漏 ， 保证压力 闭浆。聚氨酯浆液 中 L W 和 H W 两 种材料 的 配 比根 据现 场渗 水情 况适 当调 整 。 对 于竖 直裂 缝 ， 灌 浆 自下 而上逐 孔灌 注 ； 对于水 平 裂缝 ， 灌浆 自一端 向另一端逐孔灌注。当缝面或邻孔 出浆 时 ， 封闭灌 浆孔 ， 观察 漏 水 量 变 化 情 况 ， 决 定 是 否 补灌 、 何时补灌 。若一个循环灌浆结束后 ， 渗点重新分 布 ， 需要补孑 L 再灌 ， 直至整个裂缝无渗漏点。灌注漏水 量 较大 处时 ， 灌前 按 比例 填 加促 进剂 ， 尽量 缩短 浆材 遇 水 固化 时 间。必要 时采 用 双泵 灌 注浆 水 混 合 液 ， 合 理 控制浆水混合段管路长度 ， 使浆材在缝 内达到瞬间固 化效果 。灌 浆设 备采 用欧 洲进 口的专用 化学灌 浆 泵 。 灌浆结束标准为 ： 缝面返浆 ， 裂缝渗水现象消失 ， 保持注浆压力 3 0 mi n后可以停止注浆 ， 进行封孔 。 ( 4 )封孔 。灌浆完成并等浆液固化后可拆除灌浆 塞 ， 之后 孔 口有 6 0 c m 深未 被浆 液充 填 ， 需 进行 封 孔 ， 封 孔材 料采 用环 氧胶 泥 。 4 2 主 要材料及 其性能 弹性 聚氨酯 是 “ 活 缝 ” 渗 漏处 理 的首 选 材料 ， 具有 良好的亲水性 ， 遇水可分散 、 乳化进而凝固， 其固结 体 是一种弹性体 ， 伸长率达 3 0 0 ， 而且遇水膨胀 ， 体 积 膨胀率达 2 7 3 ， 具有弹性止水和以水止水双重功能。 L W 和 HW 可以任意 比例混合 ， 配制不同强度 、 不 同膨 胀倍数的混合浆材 ， 主要特点是 ： 具有 良好 的亲水 ( 下转第 7 O页 ) 70 人 民 长 江 的成绩。经过模型试验 ， 水轮机 的主要性能均能满足 合同要求。 水轮 机 的主要 部 件 采用 不 锈 钢 制造 ， 发 电机 的 电 气 部分 采用 了较好 的绝 缘 材料 和 制 造 技术 ， 半伞 式 机 型采 用 弹性 圆盘支 撑 的 弹性 金 属 塑料 瓦推 力 轴 承 ， 其 结 构简单 、 运行 可靠 。总之 ， 水 轮 发 电机组 的模 型试 验 结 果表 明 ， 其 主要 性能 指标 均超过 了合 同的要求 ， 通 过 了模 型试验 验收 。 ( 编辑： 赵 秋云) I n t r o d uc t i o n t o s t r u c t ur e o f wa t e r t ur b i n e u ni t s o f Pa n ko u Hy dr o p o we r S t a t i o n HU Ba o y u ，ZHANG Za i h u ，W ANG Yo n g ( 1 X i a o l a n g d i D a m P r o j e c t C o n s t r u c t i o n a n d Ma n a g e m e n t B u r e a u ， Mi n i s t r y o f W a t e r R e s o u r c e s ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 0 ， C h i n a ； 2 Ha n j i a n g R i v e r H y d r o p o w e r D e v e l o p me n t C o ，L t d ，S h i y a n 4 4 2 2 0 0，C h i n a) A b s t r ac t ：T wo F r a n c i s t u r bi ne u ni t s wi t h t he s i n g l e c a p a c i t y o f 2 50MW a r e i n s t a l l e d i n Pa n k o u Hy d r o p o we r S t a t i o n Ac c o r di n g t o t he c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c l e a r r i v e r wa t e r p o we r g e n e r a t i on，t h e s pe c i f i c h yd r a u l i c de s i g n i s c o n d uc t e d b y t he mo de l a n d i t s p e r f o r ma nc e c a n me e t t he c o n t r a c t r e q ui r e me nt s The ma i n c o mp o ne nt s o f wa t e r t u r bi n e a r e ma de o f s t a i nl e s s s t e e l ，t he g e n e r a t o r s a r e d e s i g n e d a s s e mi u mb r e l l a s t r uc t u r e，t h e e l e c t r i c a l p a r t a do p t s t he c l a s s F i n s ul a t i o nThe b a s i c s i t u a t i o n o f P a nk o u Hy dr o p o we r St a t i o n a nd t h e r i v e r r e a c h，r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t pr o g r a m o f wa t e r t u r b i n e un i t s，t he s t r u c t ur e a n d c ha r a c t e r i s t i c s o f t he u ni t ，a n d t he ma i n p a r a me t e r s o f t u r b i n e a r e b r i e fly i n t r o du c e d K e y w o r ds： wa t e r t u r bi n e un i t s；g e n e r a t o r ； u n i t ； Pa nk o u Hy d r o p o we r St a t i o n ( 上 接 第 6 6页 ) 亲水 性能 ， 水既 是稀 释剂 ， 又是 固化 剂 。浆液 遇水后 先 分散乳化 ， 进而凝胶 固结 。 黏度低 ， 可灌性好 ， 可在 潮湿或涌水情况下进行灌浆。 固结体无毒并具有 较 高 的力学性 能 。 通 过 调 整 配 方 可 获 得 不 同力 学 强度 、 不 同膨 胀倍 数 的浆材 。 浆 液 的主要 性能 指标 见表 1 。 表 1 聚氨酯浆液主要性能指标 注 ： “ ” 表 示在 2 5 条件下。 4 3灌后效 果检 查 采 用外 观检 查法 ， 即经 过较 长 时 间 ( 一 周 以上 ) 后 观察缝面 ， 处理过的渗漏水混凝土裂缝 、 渗漏水点和渗 漏水 环型 结 构 缝 缝 面 发 白发 于 ， 无 渗 漏 水 现 象 出 现 。 同时选 取裂缝 进行 压水 试验 ， 试验 采用 单 点法 ， 压水 压 力为 0 3 MP a 。压水 试验透水 率合格标 准为不 大于 0 1 L u 。对检 查不 合 格 的裂 缝 必 须 补 灌 ， 直 到 满 足 要 求 。压水试 验完 成后 ， 压水 检查 孔采 用 环氧砂 浆 封孔 。 5 结 语 水工隧洞衬砌混凝土属于薄壁钢筋混凝土结构， 受 自身 混凝 土温度 ， 收 缩变形 和 地质水 文 等 因素影 响 ， 容易产 生裂 缝 ， 在 混凝 土施 工 中 ， 要从 结 构 、 配 合 比 、 温 控 及养 护等 方 面进行 严 格 控 制 ， 以减 少 和避 免 裂 缝 的 产生 。对 于 已产 生 的裂缝 ， 必须 细致 分析 ， 有 针对 性地 进行 处理 ， 将工 程 隐患消 除在萌 芽状 态 。 参考 文献 ： 1 5 ,1 其 文， 代 富江 沙老河拱坝裂缝成 因探 讨及 其处理措 施 J 人 民 长 江 ， 2 01 1， 4 2( 5)： 5 96 1 ( 编 辑 ： 李 慧 ) Ana l y s i s a nd t r e a t me n t o f l i n i n g c o nc r e t e c r a c k o f di v e r s i o n t u nn e l o f Pa n ko u Hy dr o p o we r S t a t i o n YANG Bo ，TONG Yo n g q i a n g ，TI AN Ke h o n g ( 1 P a n k o u De p a r t me n t ，S i n o h y d r o E n g i n e e r i n g Bu r e a u 3 C o ，L t d ，S h i y a n 4 4 2 2 0 0； 2 S u r v e y a n d De s i g n I n s t i t u t e ，S i n o h y d r o En g i n e e r i n g Bu r e a u 3 C o ，L t d ，XV a n 7 1 0 0 1 6， C h i n a) Abs t r ac t：Th e s t r u c t u r e o f l i ni ng c o n c r e t e o f h y d r a ul i c d i v e r s i o n t u n ne l i s t hi n r e i nf o r c e d c o n c r e t e ，d ue t o t h e i nf lu e n c e o f t e m p e r a t ur e，s h r i nk a g e d e f o r ma t i o n a n d g e o l o g y a n d h y d r o l o g y，i t i s e a s y t o p r o d u c e c r a c k s Th e o c c ur r e n c e me c h a ni s m a nd l a ws o f t h e c r a c k s a r e a na l y z e d Th e c r a c k s a r e t r e a t e d wi t h c he mi c a l g r o u t i n g Th e g r o ut i ng t e c hn i q u e，c o n s t r u c t i o n k e y p o i nt s，ma i n ma t e r i a l s a n d i t s pe r f o r ma n c e s a n d t h e e f f e c t c he c k a f t e r g r o u t i n g a r e i n t r o d u c e dTh e c o ns t r u c t i o n e x p e r i e n c e f o r c r a c k t r e a t me n t i s s u m ma r i z e d Ke y wo r ds： c r a c k；g r o u t i n g；d i v e r s i o n t u n ne l ；Pa nk o u Hy d r o p o we r S t a t i o n