减少寒冷干燥地区堆石坝面板混凝土裂缝的系统技术

王慧琴 章天长 易永军

(1.陕西省宁强县水土保持工作站，陕西宁强县 724400；2.中国水电十五局科研设计院，陕西咸阳 712000)

面板堆石坝钢筋混凝土面板裂缝一直是该坝型常见的通病，对大坝运行的安全及效益影响很大。国内对此问题的研究很多，涌现出很多好的工艺、技术，但中高坝中混凝土面板裂缝较多的现象一直没有得到有效的解决。笔者参与了青海黄河积石峡面板堆石坝建设的全过程，混凝土面板施工后裂缝很少，较同地区其他类似工程相比，裂缝减少近90%。

积石峡水电站位于青海省循化县境内的黄河干流积石峡出口处，该工程是以发电为主，兼顾灌溉、防洪等综合利用的水利枢纽工程；枢纽建筑物由混凝土面板堆石坝、左岸表孔溢洪道、左岸中孔泄洪洞、左岸泄洪排沙底孔、右岸引水发电系统、坝后厂房电站等组成；大坝坝顶海拔高程为1861m，最大坝高103m，坝顶全长325m，坝顶宽10m，坝顶上游侧设5.2m高“L”形混凝土防浪墙，上游坝坡1:1.5，下游坝坡1:1.4。积石峡坝址附近及以上流域气候干燥、雨量少，为高原半干旱型气候；多年最高气温38.2℃，多年最低气温-19.9℃； 多年各月最大风速 24m/s、平均风速 3.1m/s ；多年平均降雨量266.2mm，多年平均年蒸发量2131.4mm。

1 大坝设计分区

该工程自上游向下：垫层料（天然砂砾石）、过渡料（天然砂砾石）、反滤排水料、主堆石 3BI（天然砂砾石）、主堆石3BII（开挖料）、次堆石（开挖料），在两岸边坡处设置过渡层（天然砂砾石，最大粒径 300mm，宽 3m），在周边缝处设置特殊垫层料（天然砂砾石），共八种坝料。

设计理念是：自上而下，粒径逐渐增大，渗透能力依次增强，达到上堵下排，使得整个坝体具有良好的排水稳定性；在周边缝设置特殊垫层料，其粒径不大于20mm，并且薄层碾压，设计压实度高，使得周边缝具有良好的变形性能；在两岸边坡设置过渡层，有效提高边坡附近处坝料的压实效果，因其具有较好的变形能力，在大坝沉降时在岸坡处不至于脱空。总得来讲，坝料的设置充分体现了堆石坝具有良好的排水稳定性、沉降均匀性。分区明确、设置合理。

2 坝体填筑

大坝填筑在整个施工过程中除基坑填筑阶段外，基本保证了全断面填筑，大坝整体上升，有效避免了因小断面填筑而造成不均匀沉降的可能性，且填筑强度适中。料源质量，特殊垫层料、垫层料、过渡料、反滤排水料由专门的掺配料场生产，保证含水量及级配符合设计要求。主堆石 3BI（天然砂砾石）的料源是在经过详细的料场复查的区域内选用的。主堆石3BII、次堆石来源两岸边坡开挖料，根据岩石的状况分区堆放。

填筑质量，严格按照大坝填筑作业指导书进行施工，各工序遵守施工规范的规定，填筑质量检测遵从设计要求，填筑质量良好。料源级配检测见表1、填筑质量检测见表2、表3。

表1 大坝掺配料级配分析检测成果统计表

表2 坝体填筑质量检测结果统计表

表3 坝料相对密度检测结果统计表

3 坝体浸水预沉降技术

坝体填筑结束，在预留沉降期内，为加速坝体沉降，采用了浸水预沉降技术，该技术已获得水利部工法（中水协（2011）17号、工法编号：SDGF1059-2010），简要介绍如下。

该技术分为3个步骤，坝体充水、坝体浸水、坝体排水；针对EL1785以下的坝体。

坝体充水主要利用水泵从上游抽水至基坑，一次性将基坑水位达到EL1789；待坝内渗压计显示坝内水位达到预定值后再将上游基坑内水位降至EL1785坝体浸水主要利用坝前至上游围堰和左右岸山体围成的基坑蓄水至EL1789，坝体自然渗透达到坝料浸水的效果，以加速坝体下部沉降。

排水主要利用坝基底部的排水管进行排水。坝基排水利用坝基基坑前的水泵进行对外抽排水，抽排至上游导流洞口，坝体的排水主要利用坝体底部的排水进行排水，使坝外和坝内水位差最大不能超过1m（垫层区不产生破坏时临界水头差）。

在浸水预沉降过程中，坝体沉降量增加明显，沉降速率增大，后转为稳定，具体见图1。

图1 时间-沉降量关系曲线图

在浸水期间，坝体沉降明显，累计沉降量 128 mm。2009年9月2日至2009年11月5日坝体浸水期间的大坝沉降变形如下。

（1）9月2～7日坝体最大沉降量为11mm，沉降速率为1.57mm/d。

（2）9月～20日坝体沉降加速，最大沉降量为90mm，沉降速率为6.9mm/d。

（3）9月21日～10月31日坝体沉降趋缓，最大沉降量为27mm，沉降速率为0.68mm/d。

（4）11月1日以后坝体沉降趋于稳定。

4 面板混凝土配合比设计试验研究

积石峡面板混凝土配合比设计主要考虑： 采用水化热较低的水泥，达到降低混凝土内部绝热温升的目的；选择能提高混凝土极限拉伸值的外加剂，有效提高混凝土的变形性能；降低混凝土拌合物的出机塌落度，减少因混凝土干缩引起的裂缝；选择和易性、抗分离性、均匀性好的混凝土配合比，使得施工过程连续快捷，避免施工冷缝的出现。

选用 42.5中热硅酸盐水泥，其粉煤灰掺量在20%时，水化热为236（kJ/kg）；粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰；外加剂分别选用聚羧酸减水剂、GYQ引气剂（简称外加剂1），HL-PLC聚羧酸减水剂、AE引气剂（简称外加剂 2），WHDF增密剂；砂石骨料采用积石峡骨料加工厂生产的砂石骨料。坍落度采用20～40mm，单方材料用量见表 4，力学、热学、变形试验数据见表5。

表4 积石峡堆石坝面板混凝土设计配合比

表5 混凝土性能试验结果汇总

经比较，施工选用的是掺增密剂类型配合比。

5 面板混凝土施工工艺

大坝经过6个月的沉降期，并在浸水预沉降后，配合比经论证通过，与2010年3月5日开始面板混凝土的施工，至2010年5月30日结束，共计36块面板顺利浇筑完成。

为确保面板施工成功，并实现20～40mm低坍落度混凝土入仓，特在坝顶右岸设置了拌合站（750L*2滚筒式拌和机），采用6辆0.5方翻斗车水平运输混凝土。每盘拌制0.5方混凝土，采用袋装水泥和粉煤灰，但在投入拌制前均进行二次称量，确保每次投入的胶材总量偏差0.5%以内。

外加剂为液态，添加的容器为特制，正好是0.5方混凝土所用的量，专人添加；粗细骨料自动称量，系统精度经过地方计量部门检定合格。面板混凝土坍落度、含气量检测结果见表6。

表6 面板混凝土施工塌落度、含气量实测值统计表

该项目在实施过程中，现场研究了新的混凝土面板施工方法和研制了新的浇筑模板，形成了专利施工方法《混凝土面板堆石坝的面板施工方法》（国家发明专利，ZL201010257417.8）及专利产品《混凝土面板堆石坝浇筑滑模》（国家实用新型专利，专利号：ZL 201020297578.5），使面板混凝土摊铺均匀密实、快速进行浇筑，减少了不均匀收缩产生的裂缝。

根据室内试验提供的混凝土绝热温升值，控制养护水温，防止因养护水温与混凝土内部温度温差较大引起的裂缝。积石峡水电站室内试验混凝土绝热温升 7天为 26.9℃～29.3℃，施工时段（2010年4-5月），当地气温在2℃～18℃，河水自然温度在1℃～2℃。根据气温不同，采用加热温水养护面板混凝土，使混凝土内外温差满足小于20℃，效果良好。积石峡面板混凝土养护用水，是用锅炉将水加热至25℃左右，并采取土工布加塑料薄膜进行混凝土养护。

6 积石峡水电站混凝土面板裂缝检查结果

经现场普查，截止2010年6月积石峡水电站工程混凝土面板裂缝数量为 71条，总面积共计35516m2，裂缝率 2条/1000m2；积石峡水电站面板混凝土裂缝与相同气候环境的类似工程相比，裂缝减少 90%以上，大大降低了后期裂缝处理费用，同时也保证了大坝运行安全。具体裂缝情况见表7。

表7 面板裂缝检查统计汇总表

7 结 语

笔者认为，钢筋混凝土面板堆石坝的建设是一个系统性的工程，其难点在于面板不裂缝或者少裂缝。但是形成裂缝的原因很多，表象是面板开裂，内因则是大坝建设的各个环节。

（1）设计应合理对大坝进行分区，并结合坝址区地材的实际情况优化设计，选取符合要求的料场。

（2）施工方应严格按照设计要求加工生产制备合格的上坝料用于坝体填筑。

（3）重视大坝填筑前的碾压试验，在碾压试验的过程中可以发现很多问题，也是验证和校核设计指标的重要环节。

（4）应重视料场的复查工作，在设计的基础上，详细摸清料场料源的详细品质，是确保质量和进度的重要步骤。

（5）严格按照设计及规范的要求开展坝体填筑施工，重视各工序均要达标，严防为赶工期而出现的粗制滥造，力求实现坝体全断面填筑，均衡上升，目的是使坝体能保持均匀沉降。

（6）预留合理的坝体沉降期，在面板施工前，坝体沉降量应绝大部分完成，沉降速率应减缓，在面板施工前从坝体沉降总量与时间过程线观察，总量应保持基本不变。

（7）应由专门的试验研究机构优化设计与工地情况相适应的面板混凝土配合比，在国内现有的生产制造水平下，优选胶材、外加剂及其他掺合料，以力学、热学、变形性能优良、施工可操作性好的配合比用于混凝土拌制；与此同时务必加强混凝土拌制质量控制，确保配合比设计意图的实现。

（8）高度重视新浇筑混凝土的养生工作，应制定适合工程所在地具体气候特点的养生方案。

综上，如能将面板防止、限制裂缝的出现这个单一的技术问题与面板堆石坝建设全过程结合起来，系统性的加以考虑，并在各个环节，参建各方不同的责任立场加以重视；设计优化、业主方科学合理安排工期、施工方严格遵照设计及规范施工。重视从两岸边坡的处理、基坑的处理、坝体填筑的每一个细节、面板混凝土浇筑的每一个细节，只有这样才是解决面板裂缝的根本性途径。

按照系统工程思路提出的一个有效可行的系统技术，在积石峡水电站建设中得到了成功应用，最终面板裂缝少，裂缝率低，值得推广。