混凝土面板堆石壩的面板裂縫防治技術探索

劉春發

摘要：混凝土面板堆石壩的面板裂縫嚴重地影響了壩體的整體性、耐久性及結構安全，本文結合工程實踐對面板裂縫成因及防治措施進行分析及探討，以期能夠對相類工程的建設提供借鑒。

Abstract： The cracks of concrete face rockfill dam seriously affect the overall performance of the dam， the durability and safety of the structure. Combined with the engineering practice， this paper analyzes and discusses the causes and prevention measures of cracks， in order to provide reference for the construction of similar engineering.

關鍵詞：砼面板堆石壩；面板裂縫防治；UEA膨脹劑；措施

Key words： concrete face rockfill dam；panel crack prevention；UEA expansive agent；measure

中圖分類號：TV544 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）04-0125-02

0 前言

混凝土面板堆石壩在我國從60年代得以開始應用的，因其穩定性好、抗震性能強、施工簡便、節省材料、造價低等優點，在我國已得到較為廣泛的采用，也成為了以后壩體發展的方向之一。雖然隨著工程施工技術及設計理念的發展與進步，更大、更高的混凝土面板堆石壩得以建設成功，但是混凝土面板容易出現裂縫的質量通病嚴重地影響了壩體施工質量及結構安全，該問題目前尚未得到完全解決。雖然縫寬小于0.2mm裂縫經修補處理后不影響壩體的正常安全使用，但從長期看來，對壩體的整體性及耐久性還是有很大影響。因此提高混凝土面板堆石壩面板的抗裂性，避免或減少面板裂縫出現為壩體建設者們急需解決的關鍵問題。

1 項目概況

***水電站采用混凝土面板堆石壩，其壩頂高程為536.5m，最大壩高208m，大壩上游壩坡度為1：1.4，下游平均壩坡度為1：1.4，混凝土面板總面積為9.68萬m2，總方量為6.38萬m3，面板豎向分成48塊，設計寬度有16m及8m兩種，厚度由上至下逐漸加厚，面板頂面厚度為30cm，底部最大厚度為100cm，面板分成三期澆筑，單塊最大面板長136.82m。

2 面板裂縫的成因分析

影響混凝土面板出現裂縫的因素是多方面的，在學術上，根據裂縫產生的成因分成兩種，一種為壩體各部分結構的不均勻變形及沉降引起的結構性裂縫，另一種為混凝土因凝固和溫度降低后產生的收縮裂縫，也叫非結構性裂縫，這兩種裂縫產生的成因及防治措施是不同的。

2.1 非結構性裂縫

混凝土因凝固和溫度降低后收縮產生非結構性裂縫的成因如下：

①面板產生溫度裂縫的成因：當混凝土面板的溫度發生變化時產生熱脹冷縮變形，而外部及內部存在限制其產生自由變形的約束，約束使混凝土內部產生拉應力，當拉應力超過混凝土的抗裂強度時使其產生裂縫。該類裂縫的產生受到溫差及約束條件等因素的影響。通常影響裂縫產生的溫差為：晝夜溫差：因該溫差改變的速率較大，在混凝土內部形成溫度梯度，致使結構內各部分溫差變形程度不同，從而使混凝土產生表面裂縫，該裂縫通常在混凝土早期強度較低時產生。季節性溫差：來源于混凝土凝固時的溫度與使用過程中外界環境最低溫度的溫差，此溫差引面板整體的結構變形，并受到兩側約束、面板與墊層間摩阻力的限制而產生裂縫。

②面板混凝土凝固干縮產生裂縫的成因：當混凝土凝固時，其多余的拌和用水逐漸蒸發消散，使混凝土體積減小而失水干縮，在凝固期間，混凝土內各種微觀結構不斷收縮，受到面板與墊層、面板內部配筋的摩阻力產生約束，從而產生裂縫。

2.2 結構性裂縫

面板主要承受水壓力，當壩基產生不均勻下降或移位，引起壩體的面板背部架空，在水壓力等荷載作用下，產生結構性裂縫。

3 防止面板產生非結構性裂縫的技術思路

本項目施工時對混凝土因凝固和溫度降低后產生的收縮裂縫的成因進行分析，并進行相應處治方法及措施的研究，以提混凝土面板的抗裂性，避免或防止面板出現裂縫，確保壩體質量及結構安全。

當混凝土溫差收縮及凝固干縮在混凝土內部產生的拉應力（或變形值）大于當時混凝土的抗拉強度（或混凝土極限延伸率）時，將拉裂混凝土而出現裂縫。對此，吳中偉院士提出了混凝土凝固干縮和溫差收縮的聯合補償模式，即：|ε-S-ST|≤（SK+CT）（1）

式中：ε-采取一定技術措施后混凝土的限制膨脹率；S-混凝土凝固干縮值；ST-混凝土溫差收縮值；SK混凝土極限延伸率；CT-混凝土徐變值。

即對混凝土采取補償收縮的技術措施，當其值滿足（1）式后，即可避免混凝土面板產生裂縫。

4 本項目的混凝土面板抗裂性分析及非結構性裂縫防治措施

首先對本項目混凝土面板的抗裂性能進行分析，再根據分析的結果，研究及制定施工實際所采取的防止裂縫產生的技術措施。本項目對底部面板最厚處的抗裂性分析過程如下。

4.1 混凝土極限延伸率計算

混凝土極限延伸率采用中國建筑材料科學研究院游寶坤教授的經驗公式進行計算。

Sk=0.5Rf（1+μ/d）×10-4（2）

式中：Sk-結構混凝土的極限延伸率；μ-面板結構的配筋率，×100；d-主筋直徑（mm）；Rf-混凝土的抗拉強度（MPa）。

本項目面板混凝土的設計強度為C35，其設計抗拉強度值Rf取2.2N/mm2。面板配筋率為μ=1.2%，主筋直徑d為28mm。

將以上參數代入（2）式得：

Sk=0.5Rf（1+μ/d）×10-4

=0.5×2.2×（1+0.012/0.028）×10-4=1.57×10-4

4.2 計算混凝土凝固期間的溫度差干縮量

在混凝土凝固過程中，混凝土內部溫度出現峰值，然后再逐漸降低至使用時的最低溫度值時，混凝土產生的收縮變形值計算式為：St=αR（T2-T1）（3）

式中：α—面板混凝土的線膨脹系數；（T2-T1）—凝固的溫度峰值與使用過程最低溫度的溫差（℃）；R—面板變形受墊層摩阻力及內部配筋的約束系數。

前期對相類似結構進行了相同材料、配合比及養護條件下混凝土內部水化溫升試驗，測得混凝土中心溫度峰值在澆筑后第3天出現，其值為41.6℃，面板在外部自然環境下的最低溫度為-7℃，最大溫差（T2-T1）為48.6℃。

查《混凝土結構設計規范》面板混凝土線膨脹系數α為1×10-5/℃。根據本項目實際情況，面板約束系數取經驗值R為0.5。所以St=1×10-5×0.5×52.6=2.63×10-4。

4.3 面板混凝土干縮值

混凝土凝固時因失水，其體積減小而干縮，受到面板與墊層、面板內部配筋的摩阻力產生約束，從而產生裂縫。干縮變形值按下式計算。S=ε0Y×M1×M2…M10 （4）

式中：ε0Y—標準狀態下混凝土的極限收縮值，按規范取3.24×10-4；M1·M2…M10為考慮不同水泥種類、骨料特性、配合比、施工時溫度、養護條件和配筋率等修正系數，根據面板施工時具體情況，按M1=M2=M3=M4=M5=1.0，M6=1.04，M7=0.88，M8=1.2，M9=1.0，M10=0.76取值。

所以

S=3.24×10-4×1.04×0.88×1.2×1×0.76=2.70×10-4（5）

4.4 面板混凝土徐變值

面板混凝土徐變值通常按其極限延伸率的1/2計取，其值偏于安全。

混凝土徐變按極限延伸率的0.5倍計算，其結果趨于安全，則：CT=0.5SK=0.5×1.57×10-4=0.79×10-4（6）

4.5 不采取補償措施的構件情況

在未對面板混凝土采取變形補償技術情況的情況下（ε=0），將上述計算值代入（1）式，得：

|ε-S-ST|=|0-2.7×10-4-2.63×10-4|=5.33×10-4，而SK+CT=1.57×10-4+0.79×10-4=2.36×10-4。

可見|ε-S-ST|=5.33×10-4>（SK+CT）=2.36×10-4

計算結果表明，如果不對面板混凝土采取技術措施，在正常施工及養護條件，面板將會產生非結構性裂縫。從而影響結構質量和使用安全。

4.6 摻入UEA膨脹劑進行收縮補償

為避免面板產生非結構性裂縫，參考了游寶坤教授的研究成果，即在面板中摻入一定數量的UEA膨脹劑，對面板混凝土的收縮進行補償，也就是改變ε值，使（1）式成立，從而避免混凝面板土非結構裂縫的產生。

經現場多次試驗，最終確定UEA摻入量為12%（替代水泥量），對面板混凝土產生的膨脹率ε=3.0×10-4。

5 結構性裂縫的防治措施

面板結構裂縫產生是由于壩體不均勻沉降或位移，使得面板后背出現脫空等現象，但剛性面板不能隨壩體共同變形，水壓力等荷載使面板產生較大局部應力，當應力過大時使面板原來存在的微小裂縫發展成貫穿性裂縫或產生新裂縫。其對結構安全使用的影響更為嚴重，且裂縫通常產生于使用期間，處理難度要較建設期產生的非結構性裂縫大許多，故為防治的重點。本項目采取的主要防治措施如下：

①合理進行面板的分縫及配筋。位于受拉區的面板盡量設計小寬度，并設張性縫。受壓區面板則可設計成寬型，設壓性縫，壓性縫采用適合的填料，防止面板因受壓而翹曲。在面板的受拉區、受壓區應力較大部位進行合理配筋，以改善面板整體強度，特別要提高面板抗拉強度。②采用雙層面板技術。將面板，特別是薄弱部位的面板設為雙層結構，使面板雙層承載。并在層間設置中間層，減少層間的相互約束作用，在一定程度內使面板能夠自由變形，能有效避免面板產生裂縫。③預留壩體沉降期。為避免后期因壩體沉降過大導致面板出現結構性裂縫，在壩體填筑完成后，不立即澆筑面板，而讓壩體經歷一段時間的自然沉降，當壩體完成大部分沉降再進行面板澆筑，可以有效減少面板脫空及產生結構性裂縫。通常預留沉降以150d為佳，壩體可以完成90%以上沉降。④優化石質填料級配，采用重型機械碾壓，運用先進壓實檢測方法，嚴格控制堆石填方壓實質量。提高壩體整體變形模量，減少后期壩體沉降及形變。同時確保不同區間的壓實標準均衡，下游堆石區不宜嚴重低于主堆石區，即確保兩區變形模量基本相同。⑤對主堆石和下游堆石的分區進行優化，使主堆石和下游堆石區傾向下游，兩區填料盡量利用相同料源及相同巖性，以減少主堆石與下游堆石間的不均勻沉降及變形。⑥壩體整個斷面同時水平填筑，盡量減少高差，也能有效減少壩體不同部位不均勻沉降。

6 結束語

文中對混凝土面板堆石壩面板產生裂縫的成因進行了分析，并針對性的提出了防治措施，在本項目施工中取得了良好效果，有效的防治了面板裂縫的產生，得到了設計及業主單位的高度評價。

參考文獻：

[1]楊勁松.混凝土面板堆石壩面板裂縫產生機理及防治措施[J].浙江水利科技，2010（4）.

[2]王瑞森.高混凝土面板堆石壩裂縫防治淺析[J].城市建設理論研究，2012（32）.

[3]酈能惠.高混凝土面板堆石壩新技術[M].北京：中國水電水利出版社，2007，06.