1.2 水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝问题
水工隧洞伴随着水利水电工程建设速度的加快而迅速发展，建设规模和断面尺寸越来越大，而且随着坝高的增大，泄水的流速越来越高，混凝土强度等级也越高。近些年建设的大断面高强度水工隧洞衬砌混凝土，只要不采取有效的温控措施，几乎无一例外地都在施工期产生了大量温度裂缝，而且一般都是贯穿性的。例如，小浪底水利枢纽孔板泄洪洞，截流前检查发现：3 条导流洞（后期改为孔板泄洪洞）有 132 条裂缝，1/3 为贯穿裂缝；2 条排沙洞有 103条裂缝；3条明流洞有703条裂缝。衬砌混凝土裂缝多以竖直裂缝为主，高强度等级混凝土的早期裂缝居多，深层和贯穿裂缝居多，而且都是温度裂缝。截流合龙导流洞过水后又对导流洞裂缝进行检查，发现裂缝比截流前数量多许多，仅 1 号导流洞中闸室（桩号 0+300）至桩号0+700之间400m长度内，有形状各异的裂缝93条。三峡工程永久船闸输水洞早期施工的北一延长段，有1/3以上的衬砌结构在1/2长度附近产生了贯穿裂缝，且边墙裂缝都达到顶拱弧段，后期与底板连通（采取温控措施后无裂缝）。深溪沟水电站导流洞衬砌混凝土裂缝几乎都是从边墙与底板的施工缝1/2长度附近发生，至边墙竖直结构缝低于1/2高度的弧线，而且裂缝贯穿，渗水严重。三板溪水电站泄洪洞衬砌混凝土，每个结构段都有3条以上的裂缝，表现形式主要是龟裂状，但大多较深甚至贯穿。另外，溪洛渡、糯扎渡、瀑布沟、锦屏、小湾、蔺河口等水电站导流洞也发生大量裂缝。
某大型水电枢纽于2002年7月开工，2006年1月下闸蓄水，2006年12月4台机组全部投产发电。泄洪洞布置于左岸，全长 815.189m，洞身断面型式为圆拱直墙式，边墙内侧宽度13.00～14.00m，净高度为20.3～13.693m，边墙和底板衬砌厚度1.2m（顶拱0.8m），过流面采用C40～C45HF抗冲耐磨混凝土，顶拱采用C30普通混凝土。浇筑块长度13m。洞身混凝土衬砌采用先底板，再边墙、顶拱的施工顺序。水平施工缝设在离底板1.5m高度的边墙上，与顶拱平行，边墙、顶拱一次浇筑。底板及边墙下部弧形结构采用组合模板施工，边墙与顶拱配置两台钢模台车施工。
针对泄洪洞衬砌混凝土施工期裂缝过多过密等情况，2005年4月，设计院组织专家进行了初步成因分析，认为裂缝主要为温度裂缝，其成因与围岩强约束、拆模时间早、温控（自然入仓浇筑温度高、没有通水冷却）、水泥用量偏多、混凝土干塑、砂石料石粉含量偏大、浇筑块长度大、混凝土坍落度、混凝土入仓方向等因素有关，并提出了减少裂缝的温控措施。按照设计意见并参照大坝趾板裂缝相对较少的情况，为减少温度裂缝的产生，施工采取了边顶拱混凝土通水冷却、边墙C45HF改为C40HF混凝土、用52.5普通水泥（315kg/m3）替代42.5中热水泥（426kg/m3）、边顶拱混凝土掺加膨胀剂和聚丙烯纤维、脱模后即喷洒混凝土养护剂等措施。对浇筑脱模的混凝土进行跟踪检查发现混凝土裂缝的情况未得到有效的控制。泄洪隧洞混凝土浇筑完成后，裂缝检查结果见表1.1，典型裂缝情况如图1.1所示。可以看出，泄洪洞衬砌混凝土裂缝比较严重，每个施工段都有，多为3～4m长的裂缝，裂缝宽0.1～1.0mm不等，且出现渗水现象的裂缝较多。
表1.1 某大型水电枢纽水工隧洞混凝土裂缝统计表
此后，进一步采用三维有限元法对裂缝原因进行了计算分析[9]。认为：衬砌混凝土发生大量、杂乱无章分布且很多是贯穿性的裂缝是强约束、高温升和大而快的温降、自生体积变形、施工养护不当、拆模过早、结构分缝过长、地质条件及施工超挖等综合作用的结果。强约束（包括围岩、新老混凝土、锚杆等）使得衬砌混凝土成为近似完全固定板，温降和温差产生拉应力的效应得到充分发挥。高强度、水泥用量大及其品种发热量大（包括配合比设计优化）、浇筑温度高，使得衬砌混凝土的温升高、最高温度高，衬砌结构温降大和内表温差大；而衬砌结构厚度小，散热快，使得早期的温降快且内表温差也大。由于温降大，在强约束作用下必定产生很大的拉应力，从而导致裂缝的发生、发展，甚至贯穿，而早期温降快及内表温差大，使得衬砌混凝土早期就产生了很大的拉应力，在衬砌混凝土早期强度小的条件下，必定很早就产生裂缝，这也是薄壁衬砌结构裂缝早且容易早期贯穿的原因。拆模过早和衬砌混凝土分缝长度较大，也促使了裂缝的发生发展，前者使得衬砌结构早期拉应力增大，特别是缝端附近区域有显著增加；后者则在一定程度增加约束，使后期拉应力有一定增大。由于衬砌混凝土结构的绝大部分区域在8～28d的拉应力均超过了混凝土的抗拉强度，从而地质条件（含断层、裂缝、岩性等不均）不同产生的约束不同、锚杆约束影响、超挖引起的厚度不均或突起体的作用、混凝土强度的离散性（含施工质量的均匀性）等，使得衬砌混凝土的裂缝可能随机在任意部位发生和发展，形成杂乱无章的裂缝。干缩、自生体积变形、养护不当不能完全保湿、骨料自生收缩等使衬砌混凝土在早期便可能产生大量（龟背型）浅层裂缝，这些裂缝成为诱导缝，在早期、中后期温降产生的拉应力作用下继续发展和贯穿，使得衬砌混凝土产生了大量看似干缩龟背型的裂缝，但因其贯穿，又不能认为是干缩型的干缩裂缝。
图1.1 某水电枢纽泄洪洞衬砌混凝土裂缝情况
泄洪洞完工期修补裂缝303m，修补费达数十万元，考虑到混凝土裂缝导致衬砌结构安全性下降，2012 年对泄洪洞进行了安全加固，采取加强固结灌浆、增加系统锚杆、将锚杆深度从3m加深到5m等措施，增加工程造价达200多万元，而且运行期，还多次修补。另外，由于溢洪道和泄洪洞缺陷修补导致工期延长，下闸蓄水不能及时达到正常蓄水位影响发电，验收延迟等也造成较大的经济损失。