混凝土面板堆石坝的面板裂缝防治技术探索

刘春发

摘要：混凝土面板堆石坝的面板裂缝严重地影响了坝体的整体性、耐久性及结构安全，本文结合工程实践对面板裂缝成因及防治措施进行分析及探讨，以期能够对相类工程的建设提供借鉴。

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.

关键词：砼面板堆石坝；面板裂缝防治；UEA膨胀剂；措施

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

中图分类号：TV544 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）04-0125-02

0 前言

混凝土面板堆石坝在我国从60年代得以开始应用的，因其稳定性好、抗震性能强、施工简便、节省材料、造价低等优点，在我国已得到较为广泛的采用，也成为了以后坝体发展的方向之一。虽然随着工程施工技术及设计理念的发展与进步，更大、更高的混凝土面板堆石坝得以建设成功，但是混凝土面板容易出現裂缝的质量通病严重地影响了坝体施工质量及结构安全，该问题目前尚未得到完全解决。虽然缝宽小于0.2mm裂缝经修补处理后不影响坝体的正常安全使用，但从长期看来，对坝体的整体性及耐久性还是有很大影响。因此提高混凝土面板堆石坝面板的抗裂性，避免或减少面板裂缝出现为坝体建设者们急需解决的关键问题。

1 项目概况

***水电站采用混凝土面板堆石坝，其坝顶高程为536.5m，最大坝高208m，大坝上游坝坡度为1：1.4，下游平均坝坡度为1：1.4，混凝土面板总面积为9.68万m2，总方量为6.38万m3，面板竖向分成48块，设计宽度有16m及8m两种，厚度由上至下逐渐加厚，面板顶面厚度为30cm，底部最大厚度为100cm，面板分成三期浇筑，单块最大面板长136.82m。

2 面板裂缝的成因分析

影响混凝土面板出现裂缝的因素是多方面的，在学术上，根据裂缝产生的成因分成两种，一种为坝体各部分结构的不均匀变形及沉降引起的结构性裂缝，另一种为混凝土因凝固和温度降低后产生的收缩裂缝，也叫非结构性裂缝，这两种裂缝产生的成因及防治措施是不同的。

2.1 非结构性裂缝

混凝土因凝固和温度降低后收缩产生非结构性裂缝的成因如下：

①面板产生温度裂缝的成因：当混凝土面板的温度发生变化时产生热胀冷缩变形，而外部及内部存在限制其产生自由变形的约束，约束使混凝土内部产生拉应力，当拉应力超过混凝土的抗裂强度时使其产生裂缝。该类裂缝的产生受到温差及约束条件等因素的影响。通常影响裂缝产生的温差为：昼夜温差：因该温差改变的速率较大，在混凝土内部形成温度梯度，致使结构内各部分温差变形程度不同，从而使混凝土产生表面裂缝，该裂缝通常在混凝土早期强度较低时产生。季节性温差：来源于混凝土凝固时的温度与使用过程中外界环境最低温度的温差，此温差引面板整体的结构变形，并受到两侧约束、面板与垫层间摩阻力的限制而产生裂缝。

②面板混凝土凝固干缩产生裂缝的成因：当混凝土凝固时，其多余的拌和用水逐渐蒸发消散，使混凝土体积减小而失水干缩，在凝固期间，混凝土内各种微观结构不断收缩，受到面板与垫层、面板内部配筋的摩阻力产生约束，从而产生裂缝。

2.2 结构性裂缝

面板主要承受水压力，当坝基产生不均匀下降或移位，引起坝体的面板背部架空，在水压力等荷载作用下，产生结构性裂缝。

3 防止面板产生非结构性裂缝的技术思路

本项目施工时对混凝土因凝固和温度降低后产生的收缩裂缝的成因进行分析，并进行相应处治方法及措施的研究，以提混凝土面板的抗裂性，避免或防止面板出现裂缝，确保坝体质量及结构安全。

当混凝土温差收缩及凝固干缩在混凝土内部产生的拉应力（或变形值）大于当时混凝土的抗拉强度（或混凝土极限延伸率）时，将拉裂混凝土而出现裂缝。对此，吴中伟院士提出了混凝土凝固干缩和温差收缩的联合补偿模式，即：|ε-S-ST|≤（SK+CT）（1）

式中：ε-采取一定技术措施后混凝土的限制膨胀率；S-混凝土凝固干缩值；ST-混凝土温差收缩值；SK混凝土极限延伸率；CT-混凝土徐变值。

即对混凝土采取补偿收缩的技术措施，当其值满足（1）式后，即可避免混凝土面板产生裂缝。

4 本项目的混凝土面板抗裂性分析及非结构性裂缝防治措施

首先对本项目混凝土面板的抗裂性能进行分析，再根据分析的结果，研究及制定施工实际所采取的防止裂缝产生的技术措施。本项目对底部面板最厚处的抗裂性分析过程如下。

4.1 混凝土极限延伸率计算

混凝土极限延伸率采用中国建筑材料科学研究院游宝坤教授的经验公式进行计算。

Sk=0.5Rf（1+μ/d）×10-4（2）

式中：Sk-结构混凝土的极限延伸率；μ-面板结构的配筋率，×100；d-主筋直径（mm）；Rf-混凝土的抗拉强度（MPa）。

本项目面板混凝土的设计强度为C35，其设计抗拉强度值Rf取2.2N/mm2。面板配筋率为μ=1.2%，主筋直径d为28mm。

将以上参数代入（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 計算混凝土凝固期间的温度差干缩量

在混凝土凝固过程中，混凝土内部温度出现峰值，然后再逐渐降低至使用时的最低温度值时，混凝土产生的收缩变形值计算式为：St=αR（T2-T1）（3）

式中：α—面板混凝土的线膨胀系数；（T2-T1）—凝固的温度峰值与使用过程最低温度的温差（℃）；R—面板变形受垫层摩阻力及内部配筋的约束系数。

前期对相类似结构进行了相同材料、配合比及养护条件下混凝土内部水化温升试验，测得混凝土中心温度峰值在浇筑后第3天出现，其值为41.6℃，面板在外部自然环境下的最低温度为-7℃，最大温差（T2-T1）为48.6℃。

查《混凝土结构设计规范》面板混凝土线膨胀系数α为1×10-5/℃。根据本项目实际情况，面板约束系数取经验值R为0.5。所以St=1×10-5×0.5×52.6=2.63×10-4。

4.3 面板混凝土干缩值

混凝土凝固时因失水，其体积减小而干缩，受到面板与垫层、面板内部配筋的摩阻力产生约束，从而产生裂缝。干缩变形值按下式计算。S=ε0Y×M1×M2…M10 （4）

式中：ε0Y—标准状态下混凝土的极限收缩值，按规范取3.24×10-4；M1·M2…M10为考虑不同水泥种类、骨料特性、配合比、施工时温度、养护条件和配筋率等修正系数，根据面板施工时具体情况，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 面板混凝土徐变值

面板混凝土徐变值通常按其极限延伸率的1/2计取，其值偏于安全。

混凝土徐变按极限延伸率的0.5倍计算，其结果趋于安全，则：CT=0.5SK=0.5×1.57×10-4=0.79×10-4（6）

4.5 不采取补偿措施的构件情况

在未对面板混凝土采取变形补偿技术情况的情况下（ε=0），将上述计算值代入（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。

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

计算结果表明，如果不对面板混凝土采取技术措施，在正常施工及养护条件，面板将会产生非结构性裂缝。从而影响结构质量和使用安全。

4.6 掺入UEA膨胀剂进行收缩补偿

为避免面板产生非结构性裂缝，参考了游宝坤教授的研究成果，即在面板中掺入一定数量的UEA膨胀剂，对面板混凝土的收缩进行补偿，也就是改变ε值，使（1）式成立，从而避免混凝面板土非结构裂缝的产生。

经现场多次试验，最终确定UEA掺入量为12%（替代水泥量），对面板混凝土产生的膨胀率ε=3.0×10-4。

5 结构性裂缝的防治措施

面板结构裂缝产生是由于坝体不均匀沉降或位移，使得面板后背出现脱空等现象，但刚性面板不能随坝体共同变形，水压力等荷载使面板产生较大局部应力，当应力过大时使面板原来存在的微小裂缝发展成贯穿性裂缝或产生新裂缝。其对结构安全使用的影响更为严重，且裂缝通常产生于使用期间，处理难度要较建设期产生的非结构性裂缝大许多，故为防治的重点。本项目采取的主要防治措施如下：

①合理进行面板的分缝及配筋。位于受拉区的面板尽量设计小宽度，并设张性缝。受压区面板则可设计成宽型，设压性缝，压性缝采用适合的填料，防止面板因受压而翘曲。在面板的受拉区、受压区应力较大部位进行合理配筋，以改善面板整体强度，特别要提高面板抗拉强度。②采用双层面板技术。将面板，特别是薄弱部位的面板设为双层结构，使面板双层承载。并在层间设置中间层，减少层间的相互约束作用，在一定程度内使面板能够自由变形，能有效避免面板产生裂缝。③预留坝体沉降期。为避免后期因坝体沉降过大导致面板出现结构性裂缝，在坝体填筑完成后，不立即浇筑面板，而让坝体经历一段时间的自然沉降，当坝体完成大部分沉降再进行面板浇筑，可以有效减少面板脱空及产生结构性裂缝。通常预留沉降以150d为佳，坝体可以完成90%以上沉降。④优化石质填料级配，采用重型机械碾压，运用先进压实检测方法，严格控制堆石填方压实质量。提高坝体整体变形模量，减少后期坝体沉降及形变。同时确保不同区间的压实标准均衡，下游堆石区不宜严重低于主堆石区，即确保两区变形模量基本相同。⑤对主堆石和下游堆石的分区进行优化，使主堆石和下游堆石区倾向下游，两区填料尽量利用相同料源及相同岩性，以减少主堆石与下游堆石间的不均匀沉降及变形。⑥坝体整个断面同时水平填筑，尽量减少高差，也能有效减少坝体不同部位不均匀沉降。

6 结束语

文中对混凝土面板堆石坝面板产生裂缝的成因进行了分析，并针对性的提出了防治措施，在本项目施工中取得了良好效果，有效的防治了面板裂缝的产生，得到了设计及业主单位的高度评价。

参考文献：

[1]杨劲松.混凝土面板堆石坝面板裂缝产生机理及防治措施[J].浙江水利科技，2010（4）.

[2]王瑞森.高混凝土面板堆石坝裂缝防治浅析[J].城市建设理论研究，2012（32）.

[3]郦能惠.高混凝土面板堆石坝新技术[M].北京：中国水电水利出版社，2007，06.