堆石坝面板裂缝的成因及防控工程措施

2020-01-06

山西水利科技 2020年4期

（山西省水利水电工程建设监理有限公司山西太原030002）

1 工程概况

板涧河水库库容为3 336 万m3，大坝设计为混凝土面板堆石坝，坝顶长195 m，坝顶宽8 m，坝顶高程与趾板基础最低高程之间相差85 m，即最大坝高85.0 m，上下游坡均为1∶1.4。其面板共分16 块，垂直缝间距12 m。面板顶部厚30 cm，底部厚58.2 cm。面板顶与坝顶防浪墙底部相接，底部坐落在趾板上。面板混凝土强度等级C30，抗渗等级W10，抗冻等级F150。

2 面板裂缝成因

面板混凝土裂缝按深度不同，分非结构性裂缝（表层、非贯穿性裂缝）和结构性裂缝（深层、贯穿性裂缝）。非结构性裂缝多由混凝土表面与内部应力不均而产生的收缩变形所致，结构性裂缝则是由坝体变形、基面约束或外荷载作用导致的剪切破坏。

2.1 非结构性裂缝

非结构性裂缝的产生原因很多，主要有混凝土原材料比、施工工艺、后期养护及环境影响等因素。

1）混凝土原材料。面板混凝土原材料中水泥的体积安定性、粉煤灰的细度、砂石骨料的级配及含泥量、外加剂性能以及是否掺有纤维等均会影响混凝土裂缝的产生。

2）施工工艺。主要包括混凝土拌合时间、和易性、运输及溜槽（筒）入仓过程中的坍落度损失、振捣情况、滑模提升速度、收面是否及时等。

3）养护。包括养护的方式、养护的及时性以及是否存在干湿不均或时干时湿的现象。

4）环境影响。主要有风力影响造成的混凝土表面龟裂及因混凝土内外温差过大而产生拉应力的温度裂缝等。

2.2 结构性裂缝

1）坝体沉降影响。一般坝体主要变形是在施工期（堆筑后6 个月）和蓄水时已完成90%以上，而后由坝体长期引起的变形量却很小，这是堆石体瞬时变形的特征[1]。对于坝体的月沉降率未达到设计要求而因临时挡水度汛或其他原因提前浇筑的面板，很容易因坝体的沉降造成面板开裂。同样，因筑坝材料及施工质量影响也可能造成坝体局部沉降量异常，进而导致面板裂缝。

2）基面对面板的约束作用。混凝土面板能否自然伸缩，很大程度上受基面的影响。挤压边墙上游面的空鼓、破损、凸出或平整度不佳等质量问题会增大结合面的摩擦，形成应力集中。此外钢筋安装中的架立筋将基面和面板连成一个整体，浇筑时若不及时割除，也势必会增加裂缝产生的可能性。

3）外荷载作用。包括施工期的反向水压力、上游压载、面板自重等。

3 防控面板裂缝的工程措施

非结构性裂缝一般出现在面板表层，深度和宽度都十分有限，通常仅对混凝土的耐久性造成一定影响。相对而言，结构性裂缝的破坏性要大得多，它不仅会使水渗入裂缝，增加冻涨破坏，而且会使内部的钢筋外露，严重降低混凝土耐久性。更为严重的会形成渗流通道，若不及时防控，将会造成面板变形、破损，影响大坝安全运行和长期稳定。从工程施工角度，应以事前、事中及事后三个阶段全方位、全程进行控制。

3.1 事前控制

1）保证坝体填筑质量。主堆石区应选用强度达标、岩性均一的岩石，每层摊铺时不可超厚，振碾均匀，减少孔隙率。填筑作业应控制分段、分区数量，限制各区段高差。对坝体与坝肩以及坝体各区块之间的结合部位应重点控制，在这些薄弱环节可用夯板补充压实。避免出现不均匀沉降。

2）保证挤压边墙上游面的平整度，减少基面对面板的约束作用。因为挤压边墙随着垫层料填筑同期贴坡上升，各层间势必会有一定起伏，因此在填筑后必须人工整平，局部坑洼部位采用1∶10 水泥砂浆抹平。然后在上游面整体涂刷乳化沥青加以隔离。同时应控制挤压边墙的弹性模量及强度，避免因刚度过大而制约面板的正常变形。

3）合理选择施工时段。面板混凝土的浇筑时段选择宜避开气温过高或过低、昼夜温差大、汛期及多风季节，日均气温在10℃～20℃为宜。以山西省内为例，多选择4-6月及9-11月作为浇筑期。

4）做好人、材、机的资源配备。作业人员最好选择具有面板施工经验的队伍，然后根据工程特点对所有作业人员及工程管理人员进行系统的培训和技术及安全交底。混凝土原材料应就近选择质量合格供应充足的供应商，并提前采购足量的棉毡、钢管、彩条布等物资备用。施工机械应保证浇筑需要，根据以往经验，建议增加一台产能近似的混凝土拌合机械，以备检修和作业故障时所用，避免面板作业中断造成冷缝。板涧河水库首仓浇筑的8#面板，因未设置备用拌合站，导致浇筑中断2 h，后期监测发现该处出现贯穿性裂缝，不得不采用化学灌浆并设三元乙丙盖板的方式加以处理。

5）正式浇筑前进行工艺试验，验证拌合物性能，并校验混凝土的拌制、运输、溜槽入仓、振捣及滑模提升等各个环节的协调性和稳定性，对作业人员来说，也是一个模拟演练的过程。

3.2 事中控制

1）严格检测程序。在每仓混凝土浇筑前，必须检测首盘混凝土的含气量、坍落度、出机口温度等指标，其中含气量一般控制在3%～6%之间，坍落度实际施工时出机口处以30～50 mm 为宜。由于运输线路较短（小于200 m），运输及入仓过程坍落度损失不大。开仓后每两个小时检测一次含气量等，并做好记录，确保无不合格料入仓。仓面处的技术人员随时观察混凝土状况，发现有离析、骨料集中、和易性差等问题时，及时通知试验人员重新检测。

2）混凝土入仓。混凝土运至坝顶后，由固定于钢筋网上的两道斜溜槽入仓。溜槽顶部应覆盖彩条布，以减少水分散失并防止石子飞溅伤人。两侧下部距仓面3～4 m 段应保证充分活动，随时调整位置，使入仓混凝土散布均匀，以免滑模浮起。

3）混凝土浇筑过程控制。混凝土入仓后，采用人工平仓，插入式振捣棒振捣。其中以用Φ70 mm 振捣棒为主，Φ50 mm 振捣棒对靠近模板和止水部位进行辅助振捣。振捣以做到“现浮浆、不沉落、无气泡”为止，同时应注意以下几点：首先不可漏振或超振，漏振会影响混凝土的密实度，严重的还会使脱模后的混凝土表面形成局部凹坑，既难以修补，又极大影响混凝土强度。超振则易造成离析及模板变形。其次作业时不得用振捣棒振、赶堆积在一处的混凝土，这样最易使滑模上浮。第三振捣棒不可插入过深，否则可能使混凝土从滑模底部涌出。

滑模提升是面板浇筑的一个关键步骤，混凝土振捣密实且基本稳定后，即可提升滑模。每20～30 min左右提升一次，提升幅度以每次20～30 cm 为宜。提升过早易使脱模的混凝土产生鼓包，过晚则会将混凝土面拉裂。

架立筋的应随着滑模提升逐排割除，以保持距滑模2 m 以内无固定的架立筋为宜，不可一次割除过多，以免钢筋网塌陷。

4）抹面和养护。滑模提升后，由紧随其后的两道抹面平台进行人工压光收面2 遍。混凝土终凝前，即可用放置在2 次抹面平台的毛毡覆盖养护，防止水分散失。一块面板全部浇筑完毕后，采用坝顶设置的花管不间断洒水养护90 d。施工时洒水养护1～2 d 后可将毛毡拆除回收，这样既能防止毛毡聚拢水流，使局部面板无法养护，又便于观察养护状况，随时调整花管水量及方向，保证了养护质量。

5）夜间施工。夜间气温降低，湿度增大，混凝土拌制时应适当调减用水量，增加滑模提升间隔时间。由于夜间施工温差小、风速低，且作业人员受外界干扰较小，施工质量较白天更为稳定。但应控制交接班时的浇筑间歇时间以及两班工人之间的质量波动。

3.3 事后控制

1）观察。由专人每日对面板进行全面检查，记录裂缝的位置、走向、深度、长度及发展状况等数据，作为日后分析和处理的依据。板涧河水库裂缝统计数据标明：非结构性裂缝多出现于面板浇筑后的3～7 d，位置多位于面板中部，且与是否养护到位存在密切关系，如4#、8#面板养护水流下时不断汇集，致使面板下部出现多处呈条带状的未养护面，均出现多条裂缝。结构性裂缝多发生于浇筑后7～40 d。其中8#、10#面板因浇筑较早，作业人员熟练度不足，且面板位于大坝中部，可能存在不均匀沉降因素，出现多条贯穿性裂缝。

2）观测。加强大坝的安全监测工作，对面板而言，主要观测坝体沉降量、面板应力应变、周边缝及面板间接缝变化、表面温度、坝体渗流及渗压观测等。结合对裂缝的观察数据，找出其内在联系，并进一步揭示裂缝成因。

3）处理。对于宽度小于0.2 mm 的裂缝，采用表面涂刷水泥基及三元乙丙复合盖板的表面封闭处理方式。对于宽度大于等于0.2 mm 的裂缝，采用缝内化学灌浆及表面封闭处理的方式进行全面处理。处理完毕后，对灌浆缝进行压水试验。板涧河水库对发现的裂缝均按要求进行了处理，处理后经试验满足要求。