堆石坝混凝土面板裂缝成因及防治

　　摘要：分析了面板堆石坝在施工期及蓄水时出现裂缝的原因，探讨面板混凝土结构性裂缝和非结构性裂缝产生的机理、规律和主要影响因素，结合公伯峡水电站大坝面板裂缝处理经验，从材料、结构和施工技术等方面提出了防治堆石坝混凝土面板裂缝的措施。

　　关键词：面板堆石坝；面板裂缝；成因分析；防治措施

　　Abstract: the author analyzes the face rockfill dam during construction and the cause of cracks when water storage, this paper discusses the concrete structural cracks and the panel structural cracks mechanism, and the rule and the main influence factors, combined with gongboxia hydropower station dam panel crack processing experience, from material, structure and construction technology and puts forward the concrete face rockfill dam of cracks in the prevention and control measures.

　　Keywords: face rockfill dam; Panel crack; Cause analysis; Prevention and control measures

　　我国用现代技术修建混凝土面板堆石坝始于1985年，已经过了20年的历程。实践证明，这种坝型具有安全可靠、投资省、工期短、施工简化、导流度汛方便等优点。在当地条件适当时，宜优先选用。

　　我国的混凝土面板堆石坝无论在数量、规模、坝高、技术难度等方面都居世界前列。但一些面板堆石坝在施工期和蓄水时或多或少地出现了面板开裂现象。造成这些裂缝的原因有哪些，如何解决面板裂缝，这是面板堆石坝的研究课题，本文从设计和施工方面对面板裂缝的成因及防治进行探讨。

　　1 面板混凝土裂缝成因分析

　　一般认为，根据面板产生裂缝的原因不同可将面板裂缝分为结构性裂缝和非结构性裂缝两类。结构性裂缝主要是面板在外力作用下产生的裂缝，成因主要是由于堆石坝面板支撑体在自重和施工期反向水压力等外荷载作用下，产生不均匀的沉降和水平位移，导致面板和垫层之间脱空，改变了面板以承压为主的力学模型而发生裂缝。结构性裂缝是造成面板后期呈规律性开裂的主要原因。非结构性裂缝主要是面板在非外力作用下产生的裂缝，面板非结构性裂缝的成因主要分为面板混凝土施工不当产生的裂缝、因面板混凝土材料化学反应造成的裂缝、因面板混凝土干缩和温度应力产生的裂缝。其中面板混凝土干缩和温度应力造成的裂缝是面板裂缝最普遍的现象，据统计，面板裂缝中有80％属于非结构性裂缝，成为面板裂缝的主要控制对象。由于面板厚度小、结构暴露面积大，因此对环境温度变化敏感。在混凝土浇筑时，由于水泥水化热引起的混凝土内外温差过大，产生温度应力，一旦温度应力大于混凝土的抗拉强度，就会产生裂缝。新浇混凝土因表面干燥过快、外层水分失去引起干缩，在表面产生拉应力，形成开裂。混凝土表面因混凝土干缩和温度而造成的开裂多发生在早期，且多呈龟裂状，一般为表面裂缝，但也可能形成贯穿性裂缝。

　　2 面板收缩裂缝形成的机理及分布规律

　　混凝土面板浇筑后，产生水化热，温度上升，受外界蒸发、降温影响，面板内产生干缩和温降变形引起的拉应力，超过面板某截面的抗拉强度时，即在该截面裂开，这种裂缝即是面板收缩裂缝。引发收缩裂缝的：f缩温降应力由混凝土自生应力和地基约束作用产生的应力两部分组成。

　　2．1 混凝土自生应力

　　自生应力是由于面板截面各点干缩和温降变形分布不：啕及其分布梯度产生的应力。设}昆凝土截面上的弹性模量为常量，则沿面板长度方向的自生应力QX 和沿宽度方向的自生应力QY均为：

　　计算时需将干缩量折合成温降当量一起计算。

　　由于面板很薄，其散热面积与面板混凝土浇筑量之比远比大体积混凝土大，因而面板混凝土的水化热温升和沿面板厚度温度分布的不均匀程度，均远比大体积混凝土小，只要注意及时养护、保温、保湿，如不遇到急剧大幅度的干缩和温降作用，这部分拉应力不是很大，不会产生缝宽较大的贯穿裂缝，即使产生裂缝也多为细小的表面缝。

　　2．2 地基约束作用产生的应力

　　这部分应力是由于面板平均干缩和温降变形受到面板地基约束作用产生的应力。这种约束作用力是面板基面的摩阻力和面板架立钢筋插入坝体引起的，向上传给面板，向下传给坝体，其大小由两者变形相容条件确定。由于面板的平均温降比大体积混凝土小，而且面板地基(挤压边墙或水泥砂浆层及其下的垫层等)具有一定的柔性，面板所受的约束作用力比刚性地基上大体积混凝土小的多。但面板长、宽尺度都很大，特别长度更大，而地基约束力沿长、宽方向都是可以积累的，因而对面板宽和长两向截面都可形成较大的拉应力。当遇到因施工不良等因素造成的抗拉强度薄弱的截面，面板必将首先在这里被拉裂。面板开裂后，面板和基础又产生新的变形相容，面板可能继续收缩，裂缝增宽，因而这样形成的裂缝多为缝宽较大的贯穿性裂缝。抗拉薄弱面越多、越密，贯穿性裂缝也越多、越密。

　　2．3 面板收缩裂缝分布规律

　　收缩裂缝多呈水平分布，且裂缝间距大小不一。原因是面板水平截面存在较多的抗拉薄弱面，而薄弱面多是施工不良造成的，其分布是随机的。同一块面板，在长、宽方向受到的干缩、温降、地基约束等作用基本相同，唯一区别是板长比板宽大。当出现水平贯穿裂缝后，裂缝间距常比面板宽度小。板宽范围很少出现顺坡的竖向裂缝，显然这是由于面板浇筑是平起的，施工不良时，容易在水平方向造成连续的抗拉薄弱面，而在竖向截面则不容易形成连续的抗拉薄弱面；另外，采用滑模浇筑方式，面板表面脱模过早，新浇混凝土受到拉模的破坏作用，也有可能造成水平方向的薄弱面。在出现浇筑不良的因素后，往往不能及时消除，造成不良混凝土的区段薄弱酊多，裂缝集中。长的面板和后浇筑块更容易出现大的裂缝显然也是由于它们受到沿板长积累的约束作用力更大，薄弱面存在的机会更多的原故。后浇筑块除面板底面受到约束外，还增加了已浇面板侧面的约束。

　　3 面板混凝土裂缝预防措施

　　完全避免面板混凝土裂缝是很困难的，必须采取综合措施加以预防。

　　3．1 结构性裂缝的防治

　　面板结构性裂缝的防治主要不是从面板本身而是从堆石坝的设计和控制坝体施工质量方面着手，应采取措施防止面板支撑部分过多的不均匀水平位移和沉降造成垫层和面板之间的脱空。设计时对坝坡的选择以及各项坝料的压实指标的选择应考虑面板支撑体的稳定，施工时要严格按照设计要求控制施工质量，待坝体沉降稳定后才可进行面板浇筑。

　　3.1.1建基面的处理。一般面板堆石坝建基面，着重在迎水面以下坝厚约1／3处范围内进行严格处理，而其他区域，如有较厚的砂砾石覆盖层，一般不全部挖除，只做压实度或孔隙率检测，基础满足设计要求后即可作为建基面。对两岸坝坡需进行植被和覆盖层清理，对局部坡度较陡或反坡位置进行削坡或用混凝土、浆砌石补坡至设计坡比。

　　3.1.2控制坝体填筑质量。堆石体变形的控制，主要控制填筑密实度和岩体强度。岩体强度的控制主要是施工过程中对不同填筑区按相应要求的岩性：来开挖取料。选择较高的填筑密实度，主要通过控制填筑料的级配及碾压质量实现，尤其是填筑料的级配，堆石体的压实度和力学性质与级配的关系极为密切，级配良好的堆石料经压实后可以获得较高的变形模量和较高的抗剪强度。

　　在大坝填筑过程中，严格按照设计参数进行施工，采用坑探法、质量附加法对施工参数及压实效果进行双重控制，保证大坝填筑碾压质量，避免大坝后期沉降过大。为减小坝体不均匀沉降，在填筑过程中，尽量使坝体全断面均匀上升。如由于度汛需要抢临时度汛断面的填筑，也应尽量避免上下游出现大的高差。

　　3.1.3面板合理分缝及合理配置钢筋。根据三维非线性有限元计算结果，面板在大坝两坝肩周边处呈三维复杂受力状态，且多为受拉区，而面板中部多为受压区。根据上述受力特点，受拉区面板宜采用窄型板，并设置张性缝；受压区面板宜采用宽型板，并设置压性缝。压性缝问布置隔缝材料，避免压应力过大而引起面板抬动或翘起。此外，在面板受拉区、压应力较大部位、周边缝等重点部位应布置双层钢筋，提高面板适应变形的能力。

　　3．2 非结构性裂缝的防治

　　面板非结构性裂缝的防治主要是从面板本身所用的材料和面板施工方法上采取措施。对由于施工不当和材料化学反应所引起的裂缝，只要采取合适的配合比、满足面板混凝土的施工度要求、加强施工管理控制面板施工质量等措施来避免。对具有碱活性的骨料，应按规范要求严格控制单方混凝土的总碱含量。面板收缩裂缝的防治是面板裂缝防治中最重要的也是最困难的工作。

　　3．2．1 优化面板混凝土配合比

　　在面板混凝土配合比设汁方面应选用优质的原材料配制面板混凝土。

　　3.2.1.1选用水化热低的水泥，用粉煤灰代换部分水泥，以减少水化热温升从而降低面板因内、外温差引起的表面裂缝和水化热消散后混凝土收缩而引起的贯穿性收缩裂缝。

　　3.2.1.2选用线膨胀系数小的骨料配制混凝土，以减少因温度变化引起混凝土的体积变形。

　　3.2.1.3选用优质混凝土减水剂，在满足混凝土施工坍落度的前提下，降低面板混凝土的单方用水量，以减少混凝土的干缩量。

　　3.2.1.4在满足设计强度的前提下，尽量降低混凝土胶凝材料的用量，以减少混凝土的凝缩量。

　　3.2.1.5使用掺纤维混凝土。在混凝土中掺加适量的聚丙烯纤维，可以抑制早期裂缝形成和发展；降低混凝土的弹性模量，提高混凝土的极限拉伸值；提高混凝土的抗冻等级，改善抗渗性和耐久性。此外，混凝土拌和物应满足面板施工的要求，具有较好的和易性、流动性、凝聚性。

　　3．2．2 降低地基约束作用力

　　取消或减少面板架立钢筋插入坝体，并在面板浇筑前在基面上喷涂乳化沥青，使面板与其基面之间可以产生小量相对位移。此时基面对面板收缩变形产生的约束作用力可认为等于面板和其基面之间的摩阻力。因而该约束作用力可人为加以控制。如使面板摩阻力(阻滑力)小于面板在坝坡上的滑动力，这样不仅可大幅度减少面板致裂的约束力，还增加了面板水平截面的预压应力，有利提高面板抗裂能力。

　　3．2．3 加强面板施工质量管理，避免抗拉薄弱面

　　3.2.3.1采用面板二次压面的施工工艺。面板二次压面工艺有助于消除面板表面因温度骤降和失水而产生的表面裂缝。

　　3.2.3.2降低面板混凝土人仓温度以减少基础温差从而达到减少冷缩裂缝的目的。面板浇筑的环境温度一般以5～25℃为宜。

　　3.2.3.3面板施工期间做好面板的保温、保湿、防风等养护工作，以减小面板混凝土的冷缩和干缩。①保湿。面板长期保湿养护是面板防裂的主要措施之一。在面板混凝土脱模并二次抹面后，表面覆盖带塑料薄膜的保温被，定时洒水保湿，防止混凝土表面水分过快蒸发而形成干缩裂缝；②保温。在中后期，在覆盖带塑料薄膜的保温被的基础上，不问断洒水保湿，达到保温的目的，避免水化热作用或外界温度影响产生混凝土内外部温差，从而产生温度裂缝；③防风。风速是引起面板裂缝的重要原因。风速增大将引起混凝土热交换系数增大，从而导致面板表面温度降低，面板内外温度梯度变陡，拉应力剧烈增加，导致面板裂缝。

　　4 公伯峡水电站大坝面板裂缝处理技术

　　4．1 工程概况

　　某峡大坝混凝土面板为不等厚结构，顶部厚度30cm，底部最大厚度70cm，面板分块宽度为12m和6m，共计38块，其中宽度12 m的有34块，宽度为6m的有4块，面板最大单块长度为218m(从下到上一次拉成)。面板混凝土设计标号为C25w12 00，二级配混凝土。面板基础为挤压边墙混凝土，标号为2～5 MPa左右。

　　在大坝面板混凝土浇筑养护期间，发现绝大部分面板表面出现裂缝，截止水库蓄水前，共发现裂缝594条，其中缝宽≥0．2 mm的199条，缝宽<0．2mm的395条。宽度≥0．2 mm的面板裂缝为41．6延米／1 000 m2。裂缝多在混凝土浇筑4 d以后发生，并多发生在天气、气温突变时段。

　　4．2 裂缝处理措施

　　裂缝处理按裂缝宽度分为以下两类：

　　4.2.1缝宽<0．2 mm的裂缝采用"GB胶板及三元乙丙复合板"表面粘贴封闭处理方法。施工处理流程为：裂缝两侧混凝土面清理一一涂刷SK底胶一粘贴GB胶板一涂刷SK底胶一粘贴GB三元乙丙复合板一封边处理。

　　4.2.2缝宽>／0.2mm的裂缝采用化学灌浆、柔性GB止水材料表面粘贴封闭处理方法。施工处理流程为：裂缝两侧混凝土面清理一钻孑L一压水试验一配制浆液一灌浆一灌浆管封堵一裂缝两侧混凝土面清理一涂刷XYPEX浓缩剂一涂刷SK底胶一粘贴GB胶板一涂刷SK底胶一粘贴GB三元乙丙复合板一封边处理。

　　4．3 裂缝处理效果

　　对于表面封闭粘贴的GB复合板及GB胶板现场检查具体做法为采用一看、二按、三剥离的方式进行检查施工质量。对于>0．2 mm面板裂缝处理前后采用了取芯对比，判断裂缝处理效果。从取芯试样分析，裂缝缝面灌浆密实，充满化学灌浆材，并且具有一定强度。

　　结束语：

　　堆石坝混凝土面板由于受到各种因素的作用极易产生裂缝引起渗漏从而影响到大坝的安全，必须引起堆石坝设计和施工方面的高度重视。工程实践证明，只要采取行之有效的措施，达到减少和避免面板混凝土裂缝的产生是完全可能的。

　　作者简介：姓名：于鸿波；1985年3月29日出生；男：汉族；籍贯：黑龙江省哈尔滨市南岗区；现供职于广东十六冶建设有限公司；职称：水利水电助理工程师；学历：专科；研究方向：水利水电工程施工；