堆石坝面板裂缝成因分析

2023-08-31高珊

水科学与工程技术 2023年4期

高珊

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

混凝土面板堆石坝具有工程造价少、工程量相对较小、对地质条件适应较好、施工相对比较方便、坝体稳定性较好等特点，因此被大范围应用于水电工程中［1-2］。对于完整的面板堆石坝来说，坝体的混凝土面板、防渗墙、防渗帷幕等构成完整的防渗系统，当整个防渗系统正常工作时，就可保证大坝防渗安全。然而，在面板堆石坝快速发展的过程中却仍然面临着许多实际问题，主要集中在面板由于温度应力、干缩应力、坝体变形等原因引起的大量裂缝，导致坝体发生渗漏，威胁大坝的安全［3-7］。例如我国西北口面板堆石坝浇筑完混凝土面板后，第一次检查中发现面板存在少量裂缝，第二次检查中发现253条裂缝，其中有135 条裂缝的宽度超过0.3 mm，最大裂缝宽度达1.2 mm［8,9］。墨西哥的Aguamilpa 大坝由于面板上的水平裂缝，渗漏量达257.7 L/s［10］。因此，混凝土面板作为面板堆石坝的重要防渗结构，其对坝体安全性和稳定性是至关重要的。

此前整体对大量工程中混凝土面板出现裂缝的特点及规律研究依然有限，因此本文详细介绍了混凝土面板堆石坝面板裂缝成因，统计归类世界范围内混凝土面板堆石坝的面板裂缝特性，包括面板开裂原因、位置及阶段，并对其特点及规律进行深入分析。

1 面板裂缝成因

对于面板堆石坝来说，面板裂缝通常分为两类裂缝，一类为结构性裂缝，主要原因为坝体的不均匀变形和沉降。另一类为非结构裂缝，原因较多，主要包含温度应力、干缩应力及施工原因等［11］。也有大多数面板裂缝都同时包含结构性裂缝和非结构性裂缝，即在实际工程中，面板裂缝是由于多种原因共同造成的。

1.1 坝体的不均匀变形和沉降

由于坝体不均匀的变形和沉降所造成的面板裂缝称为结构性裂缝，通常在这种情况下，由于坝体变形造成面板与垫层之间出现脱空及面板与垫层的约束程度过高，当面板所产生的拉应力超过混凝土抗拉强度时，就会出现一些结构性裂缝。

1.2 温度应力

由于温度应力而造成的裂缝称为非结构性裂缝。由于温度改变，混凝土会相应出现膨胀或收缩，这种现象即为混凝土的温度变形。混凝土在温度改变的影响下发生相应变形，当这种由于温度所产生的变形表现为收缩，外界和自身也都会对混凝土进行约束，此时会引起混凝土产生较大的温度变形应力，当大于它的允许抗拉强度时，就会造成混凝土出现裂缝。温度改变是造成混凝土产生温度变形的关键原因。

1.3 干缩应力

由于干缩应力所造成的裂缝称为非结构性裂缝。混凝土的拌合水通常被分为两部分，其中用于水泥水化的占拌合水的五分之一，被蒸发的水分会占拌合水的五分之四，这种情况就会造成体积收缩，即为干缩现象。在水泥骨架的形成过程中，会发生水泥和水的水化且慢慢硬化，在这个过程中它会慢慢紧缩出现体积收缩的现象，即为凝缩现象。因此，混凝土的干缩现象和凝缩现象都称为混凝土的收缩现象。

1.4 施工原因

面板混凝土施工的强度未达到规定要求时就会产生施工冷缝，这种冷缝主要是由于施工不合理造成的。施工冷缝通常出现在气温过高时进行面板施工及浇筑面板和制作混凝土的距离过远。另外，在施工过程中面板局部也会出现裂缝，这种裂缝主要是由于混凝土的骨料发生分离现象或没有振捣密实造成。

2 案例统计分析

由于温度应力、干缩应力、坝体不均匀变形及施工等原因，国内外众多面板堆石坝都出现面板破损、大量裂缝等问题。本文收集大量面板堆石坝面板开裂信息，但限于篇幅，仅列出部分案例。面板裂缝通常包含结构性裂缝和非结构性裂缝，因此面板裂缝为结构性裂缝的统计，如表1；面板裂缝为非结构性裂缝的统计，如表2；面板裂缝同时有包含结构性裂缝和非结构性裂缝的统计，如表3。统计数据表明，国内外建造完成的多座面板堆石坝在面板施工期、水库蓄水期及后期运行期都出现裂缝。这些裂缝存在会对大坝安全构成威胁，因此面板开裂问题引起国内外坝工界的高度关注。