聚丙烯纤维混凝土在混凝土面板堆石坝中的应用研究

□张华栋（山西省水利建设开发中心）

聚丙烯纤维混凝土在混凝土面板堆石坝中的应用研究

□张华栋（山西省水利建设开发中心）

混凝土面板堆石坝是近年来发展较快的坝型，上游防渗面板对大坝安全具有决定性作用，在面板混凝土中掺入聚丙烯纤维可有效提高面板质量。文章结合前期试验研究成果，对聚丙烯纤维混凝土的配合比、纤维掺量、施工技术进行研究，为聚丙烯纤维在面板堆石坝的应用提供指导，研究成果还特别对它在近年来新出现的溢流面板堆石坝坝顶溢洪道中的应用，提出合理性和可行性。

聚丙烯纤维；混凝土；面板堆石坝

0 前言

混凝土面板堆石坝以堆石料为坝面主体，该坝型对地形及地质条件限制条件少，工程造价低，施工简单，施工速度快，是具有相当竞争力的一种坝型。坝体由堆石体、以上游防渗面板及下部趾板为主体的防渗系统等组成。我国混凝土面板堆石坝在20世纪八九十年代迅速发展，但与重力坝相比，该坝型需另设泄洪设施，枢纽布置复杂，且增加了工程投资。我国新疆地区率先研究并使用坝顶溢流技术，通过在坝顶设置溢流堰，降低了对坝址区地形的要求，简化了该坝型的工程布置，进一步拓宽了混凝土面板堆石坝的适当范围，目前是山西地区重点推广的新坝型。该坝型将溢流堰布置于坝顶，泄槽位于后坝坡，由于是坝顶溢流对大坝上游防渗面板、溢流堰及泄槽混凝土衬砌提出更高的要求，包括抗裂、抗渗和抗冲击性能，参照工业及民用建筑中使用的纤维混凝土就具有很强的实用性。

1 纤维混凝土的应用现状

随着社会发展，工业及民用建筑中根据混凝土抗渗性能要求的提高，可采用的途径有2种，一是添加混凝土外加剂；二是使用纤维料混凝土。均匀分布的纤维料提高了混凝土的韧性，其抗裂、抗渗和抗冲击性得到了有效的改善，使混凝土构件能更好地适应冻胀、沉降变形。

纤维混凝土的使用在早期主要是掺入天然纤维，目前常用的是玻璃纤维和钢纤维。玻璃纤维抗剪能力差，与混凝土发生碱-基料反应，降低了混凝土强度，目前已基本不采用。掺入钢纤维能有效提高混凝土的强度，但由于比重大，混凝土构件重量增加，且抗渗性改善不明显，因此在水利工程中运用较少。

化学合成纤维具有稳定性好、比重轻的特点，通过掺入化学合成纤维，混凝土脆性、抗拉强度、抗渗性得到了明显改善，广泛应用于各行业建筑领域，特别是对水利工程，具有更强的实用性。目前，掺入的化学纤维主要是改性聚丙烯纤维，其为单丝改性聚丙烯短纤维，毫米级长度，掺入体积率约为0.01%～0.3%。

聚丙烯纤维混凝土已在水利工程中的大坝、渠道、护坡等施工中广泛应用。我国从20世纪90年代初引入该技术，用于包括二滩水电站、宁波白溪水库等工程，其主要作用是提高抗裂性、耐磨性，抑制过水面混凝土龟裂，采用的纤维掺入量为0.70kg/m3。

2 聚丙烯纤维混凝土的试验指标

研究表明，掺入聚丙烯纤维对混凝土早期塑性裂缝能明显改善，并减少混凝土析水量，可有效改善混凝土干缩性，从而减少混凝土沉降裂缝。纤维混凝土的增强机理，理论上有复合材料理论和纤维间距理论2种。纤维间距理论认为聚丙烯纤维在混凝土中的阻裂效应与纤维间距及单位体积混凝土中纤维根数有关。复合材料理论则是通过混合原理来推定纤维混凝土的抗拉及抗弯强度，构建混凝土强度与纤维掺量、长径比、方向、粘结力函数关系。

在室内试验中，0.02m3混凝土以复合材料理论为指导，以粉煤灰及纤维掺量、水灰比为变量因子，以抗拉强度为目标值，试件配合比见表1。

试验表明，纤维掺量0.90kg/m3的混凝土劈裂强度高，见图1；当纤维掺量为0.90kg/m3时，纤维越长，混凝土抗裂性越好，当纤维长度为19mm，强度最高，此时纤维长度大且在混凝土中分布均匀，当纤维长度增加到30mm时，强度开始降低，见图2。

纤维掺量0.90kg/m3时劈裂强度均高于掺量1.20kg/m3的混凝土，同时因掺量少还可降低工程造价，所以是工程混凝土的推荐掺入量。

表1 拌制0.02m3聚丙烯纤维混凝土各材料用量表

图1 纤维掺量与混凝土强度关系图

图2 纤维长度与混凝土强度关系图

普通聚丙烯纤维经过切割，长度较短且直径细，与混凝土粘着力差，采用改性聚丙烯纤维。由于其在纺丝过程中微孔有产生，纤维表面粗糙，与混凝土粘着力较强，且由于其本身所具有的化学稳定性，耐腐蚀，分布均匀，因此改性聚丙烯纤维掺入混凝土具有广泛的使用前景。

3 聚丙烯纤维用于混凝土面板堆石坝的防渗面板

混凝土面板堆石坝由堆石体、混凝土面板、过渡层、混凝土趾板等部分组成。防渗面板承载上游库水压力，是混凝土面板堆石坝防渗体系的主要部分，适应坝体的变形将其水压力传递给下游堆石体。因此要求面板具有足够的柔性及防渗、抗裂、耐久性。

聚丙烯纤维混凝土特性符合面板功能要求。纤维混凝土面板的性能要达到面板设计要求，主要应从混凝土配合比、施工方法2个方面进行控制。

3.1 混凝土配合比

成型混凝土的强度等级、和易性主要受混凝土配合比的影响，根据设计提出的强度、抗渗、抗冻的指标要求，由现场试验提出施工配合比。施工过程中应对混凝土中的水泥、骨料、水、外加剂等按进行检验，严格控制施工配合比，随机抽检坍落度。

另外，适量引气剂和减水剂的加入可改善混凝土抗冻性及耐久性。理论上，聚丙烯纤维是不吸水的，但由于纤维表面附水性，随纤维比表面积的增加附水量会增加,应用时针对纤维附水造成的拌和水减少现象，应根据附水情况补充少量拌和水及减水剂。

3.2 面板施工方法

无轨滑模技术浇筑在浇筑混凝土面板堆石坝的面板混凝土时，利用新浇混凝土的浮托力支承滑模的法向重量，由坝顶卷扬机牵引，侧模板控制,该施工方法材料节省、工期短、浇筑速度快，对面板变宽、变坡角具有较强的适应性。

3.2.1 侧模安装

侧模用于支撑滑动模板，是模板滑移轨道,限制拌和混凝土的侧向流动。侧模采用木模板，从下至上人工安装，侧模间无错台。

3.2.2 滑模安装

滑模分段运输，整体拼装，由坝顶施工平台下放，尾部抹面平台两侧支承滑轮，将滑模吊装于侧模，行走机构以手拉葫芦固定滑模，卷扬机牵引。滑模滑移至浇筑条块底部，滑模就位后钢筋网上设置溜槽，溜槽与钢筋网连系。溜槽顶部苫布覆盖。

3.2.3 混凝土浇筑与滑模滑升

混凝土浇筑时，施工人员在滑模前沿操作，插入式振捣器振捣仓面，侧模和止水片位置用软管振捣器振捣。滑升速度为1～2m/h，最后对尾部平台抹面压实。

浇筑后的混凝土喷水养护，苫布遮盖，润湿保温养护持续90d。

4 聚丙烯纤维用于溢流面板堆石坝的坝顶溢洪道

不同于常规面板堆石坝，溢流面板堆石坝坝顶溢流堰及后坝坡泄槽是建筑在以松散介质为材料，人工碾压填筑的堆石体上，溢洪道由溢流堰、泄槽及出口消能组成。除出口消能采用常规混凝土外，溢流堰及泄槽均可应用聚丙烯纤维混凝土，类似于上游防渗面板需具有较强的防渗性能。

目前普遍认可溢流堰采用圆弧与坝体上下边坡相切的圆形堰，堰身最大厚度3m；泄槽底板厚度0.60m，混凝土采用C45～C50高性能钢筋混凝土浇筑。采用聚丙烯纤维混凝土可将混凝土标号可降低至C25。但其配合比应由施工现场试验确定。施工方法同防渗面板。

5 结语

聚丙烯纤维混凝土在混凝土面板堆石坝的防渗面板中在国内外已具有广泛应用。实验和工程实践表明，纤维掺量0.90kg/m3为最佳，但要对混凝土配合比进行严格控制；无轨滑模技术浇筑面板的施工方法浇筑速度较快，对面板变宽度、变坡角的适应性强。

由于溢流面板坝是一种新型坝型，将其应用于坝顶溢洪道还需有实践支撑，其关键是在常态混凝土的基础上降低混凝土的标号，简化施工控制，初步判定混凝土可由C45～C50降低至C25，但在工程实践中还需做进一步现场试验研究。

[1]姚武，李杰，周钟鸣．聚丙烯纤维对混凝土抗拉强度的影响[J].混凝土，2001，10：40-42.

[3]任德林，张志军.水工建筑物[J].河海大学出版社，2007（09）：169-173.

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