花坝子二级电站隧洞衬砌混凝土裂缝成因及其对策

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1、花坝子二级电站概况
    花坝子二级电站位于云南省文山州与红河州交界的那么果河河段上。电站厂址位于马关县八寨镇毛草寨村上游约1.0km处，地理坐标为东经103°57′08″，北纬23°00′50″。工程区距马关县浪桥乡31.0km，距马关县八寨镇44.0km，距马关县城73.0km，距州府所在地文山92.0km，距昆明412.0km。厂区和坝址区有乡村四级公路与马关县国营健康农场和浪桥乡相通，交通极为便利。
    花坝子二级电站坝址多年平均流量19.7 m3/s，采用拦河坝取水，本电站不具备调节能力，但二级电站拦河坝距一级电站厂址仅2.4km，一级电站有调节库容6204万m3，为年调节水库。因此一级电站水库实际上对二级电站进行了年调节。拦河坝设计坝体为浆砌石重力式拦河坝。浆砌石重力坝坝顶高程548.5m，坝顶长21.4m，相应库水位547.0m。电站设计发电水头44.0m，装机容量2×8.0MW，主要建筑物有拦河坝、引水隧洞、压力池、地面厂房等。引水隧洞、主、副厂房及升压站等均布置于河谷左岸。
    2、引水隧洞工程概况
    花坝子二级电站引水隧洞总长1712.4m，为城门洞型无压隧洞，开挖断面面积32.9m2，过水断面面积24.5m2，隧洞设计底坡1/1000，设计引水流量43.3 m3。 隧洞沿线属溶蚀侵蚀中山地貌和岩溶峡谷地貌；出露地层主要有寒武系上统∈3x、∈3t、∈3b和第四系，寒武系地层岩性主要为白云质灰岩、泥质条带灰岩，局部夹泥质粉砂岩，第四系由el+dlQ碎石质土、粘土、亚粘土和ColQ块石、碎石及亚粘土组成；地质构造主要为F31断层，断层于隧洞进口段穿过，断层附近岩石较为破碎，挤压褶皱发育，岩体完整性差；隧洞沿线一带地下水类型主要为岩溶裂隙水为主。
    隧洞埋深9～150m，隧洞进出口段由于受F31断层影响和岩性的变化，出口段岩性以∈3x页岩、泥质粉砂岩为主。围岩稳定性差～不稳定，围岩类别为Ⅳ类。中间段围岩条件相对较好，围岩主要属稳定性差Ⅲ类围岩，局部洞段可达基本稳定Ⅱ类围岩。
    隧洞出口标段（1+712~1+200段）于2005年7月12日开始断面开挖，由于工程区处于雨季多发时节，降雨频繁，再加之受地质条件影响，塌方严重，到7月底施工方仍未进入正常施工阶段。8中旬，经业主方和施工方的共同协商，同意隧洞出口采用局部先衬砌后开挖（1+703.5~ 1+693.5段）的办法进行施工。为了减少投资，与季节性降雨抢时间，缩短工期，经业主同意，决定不采用文山州水利水电勘察设计院的设计，改由业主自行设计对该段隧洞进行全断面钢筋混凝土衬砌，隧洞边墙混凝土最大厚度120cm，最小厚度45cm，拱顶混凝土厚度45cm。该单元工程于8月24衬砌结束，并在业主方的强烈要求下于9月6日开始对该段隧洞顶部进行土方回填。经观察，回填后不到一个星期，隧洞起拱位置边缘和拱顶开始出现纵向裂缝，裂缝大小共计10余条，平均裂缝宽度5~7mm。到目前为至，尚未就裂缝进行任何处理，隧洞周围也未出现新的裂缝，隧洞工程现在按超前支护方法继续进行施工。
    3、引水隧洞混凝土裂缝成因分析
    裂缝产生的形式和种类很多，要根本解决混凝土中裂缝问题，还是需要从混凝土裂缝的形成原因人手。正确判断和分析混凝土裂缝的成因是有效地控制和减少混凝土裂缝产生的最有效的途径。本人作为当时工程的设计人员和现场施工技术负责人，现就该工程出现的混凝土裂缝成因做出如下分析：
    3.1 设计原因
    因为设计中隧洞的拱圈采用的是半圆拱，混凝土等级采用C20混凝土，分析认为是设计结构中的断面突变而产生的应力集中造成构件裂缝的和混凝土等级过高造成的裂缝可能性均不大。故认为：
    1.在设计中隧洞拱顶构造钢筋配置过少或过粗（8#槽钢）等引起构件裂缝。
    2．在设计中未充分考虑混凝土构件在掺外加剂情况下的收缩变形。
    3.2材料原因
    1．粗细集料：因施工场地狭窄，砂石料场没有进行全面清理，加之在雨季施工，并且砂石料均用装载机进行上料，致使砂石料含泥量过大，加之由于砂料加工期间，设备运转不正常，加工的集料颗粒级配不良，在混凝土施工过程中采用了不恰当的间断级配，造成混凝土收缩的增大，诱导了裂缝的产生。
    2．骨料粒径：由于碎石加工中找不到理想的石灰岩作料场，采用了炭泥质灰岩作料场，使得加工出来的碎石块径级配不均匀，粉尘也较多，针片含量较大，使得混凝土单方用灰量、用水量增多，收缩量增大。
    3．混凝土外加剂：在隧洞边墙底部施工中混凝土外加剂采用了红星一号速凝剂，由于市场缺货，到了边墙上部和拱顶浇筑时改用了（氯化钙），在混凝土搅拌过程中，由于施工员未严格过磅，使得早强剂掺量不当（不均匀），严重增加的混凝土不均匀收缩。
    4．钢材：施工单位在隧洞拱顶施工中没有严格按设计要求使用国标8#热轧槽钢，而使用了不符合国标的8#废旧槽钢（厚度不符合国标要求），抗拉强度不够，过早疲劳，也是造成混凝土出现裂缝的原因。
    3.3混凝土配合比设计原因
    因为施工中业主提供的配合比没有做过配合比实验，是从有关混凝土配合比设计手册中随机查抄的，并且在施工过程中总共换了两种配合比，虽然两种配合比水灰比出入不大，但是施工过程中，业主过分强调水泥的用量。使得混凝土单方水泥用量较大、用水量过高，表现为水泥浆体积较大、坍落度较大，收缩量也随之增大。另外，配合比设计中砂率、水灰比选择不当造成混凝土和易性偏差，导致混凝土离淅、泌水、保水性不良，也增加了混凝土的收缩值。
    3.4施工及现场养护原因
    1．现场浇捣混凝土时，振捣或插入不当，漏振、过振或振捣棒抽撤过快，均影响了混凝土的密实性和均匀性，诱导裂缝的产生。
    2．大体积混凝土浇注，对水化计算不准、现场混凝土降温及保温工作不到位，引起混凝土内部温度过高或内外温差过大，混凝土产生温度裂缝