減少寒冷干燥地區(qū)堆石壩面板混凝土裂縫的系統(tǒng)技術(shù)

王慧琴 章天長 易永軍

(1.陜西省寧強縣水土保持工作站，陜西寧強縣 724400；2.中國水電十五局科研設(shè)計院，陜西咸陽 712000)

面板堆石壩鋼筋混凝土面板裂縫一直是該壩型常見的通病，對大壩運行的安全及效益影響很大。國內(nèi)對此問題的研究很多，涌現(xiàn)出很多好的工藝、技術(shù)，但中高壩中混凝土面板裂縫較多的現(xiàn)象一直沒有得到有效的解決。筆者參與了青海黃河積石峽面板堆石壩建設(shè)的全過程，混凝土面板施工后裂縫很少，較同地區(qū)其他類似工程相比，裂縫減少近90%。

積石峽水電站位于青海省循化縣境內(nèi)的黃河干流積石峽出口處，該工程是以發(fā)電為主，兼顧灌溉、防洪等綜合利用的水利樞紐工程；樞紐建筑物由混凝土面板堆石壩、左岸表孔溢洪道、左岸中孔泄洪洞、左岸泄洪排沙底孔、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)、壩后廠房電站等組成；大壩壩頂海拔高程為1861m，最大壩高103m，壩頂全長325m，壩頂寬10m，壩頂上游側(cè)設(shè)5.2m高“L”形混凝土防浪墻，上游壩坡1:1.5，下游壩坡1:1.4。積石峽壩址附近及以上流域氣候干燥、雨量少，為高原半干旱型氣候；多年最高氣溫38.2℃，多年最低氣溫-19.9℃； 多年各月最大風速 24m/s、平均風速 3.1m/s ；多年平均降雨量266.2mm，多年平均年蒸發(fā)量2131.4mm。

1 大壩設(shè)計分區(qū)

該工程自上游向下：墊層料（天然砂礫石）、過渡料（天然砂礫石）、反濾排水料、主堆石 3BI（天然砂礫石）、主堆石3BII（開挖料）、次堆石（開挖料），在兩岸邊坡處設(shè)置過渡層（天然砂礫石，最大粒徑 300mm，寬 3m），在周邊縫處設(shè)置特殊墊層料（天然砂礫石），共八種壩料。

設(shè)計理念是：自上而下，粒徑逐漸增大，滲透能力依次增強，達到上堵下排，使得整個壩體具有良好的排水穩(wěn)定性；在周邊縫設(shè)置特殊墊層料，其粒徑不大于20mm，并且薄層碾壓，設(shè)計壓實度高，使得周邊縫具有良好的變形性能；在兩岸邊坡設(shè)置過渡層，有效提高邊坡附近處壩料的壓實效果，因其具有較好的變形能力，在大壩沉降時在岸坡處不至于脫空?？偟脕碇v，壩料的設(shè)置充分體現(xiàn)了堆石壩具有良好的排水穩(wěn)定性、沉降均勻性。分區(qū)明確、設(shè)置合理。

2 壩體填筑

大壩填筑在整個施工過程中除基坑填筑階段外，基本保證了全斷面填筑，大壩整體上升，有效避免了因小斷面填筑而造成不均勻沉降的可能性，且填筑強度適中。料源質(zhì)量，特殊墊層料、墊層料、過渡料、反濾排水料由專門的摻配料場生產(chǎn)，保證含水量及級配符合設(shè)計要求。主堆石 3BI（天然砂礫石）的料源是在經(jīng)過詳細的料場復(fù)查的區(qū)域內(nèi)選用的。主堆石3BII、次堆石來源兩岸邊坡開挖料，根據(jù)巖石的狀況分區(qū)堆放。

填筑質(zhì)量，嚴格按照大壩填筑作業(yè)指導(dǎo)書進行施工，各工序遵守施工規(guī)范的規(guī)定，填筑質(zhì)量檢測遵從設(shè)計要求，填筑質(zhì)量良好。料源級配檢測見表1、填筑質(zhì)量檢測見表2、表3。

表1 大壩摻配料級配分析檢測成果統(tǒng)計表

表2 壩體填筑質(zhì)量檢測結(jié)果統(tǒng)計表

表3 壩料相對密度檢測結(jié)果統(tǒng)計表

3 壩體浸水預(yù)沉降技術(shù)

壩體填筑結(jié)束，在預(yù)留沉降期內(nèi)，為加速壩體沉降，采用了浸水預(yù)沉降技術(shù)，該技術(shù)已獲得水利部工法（中水協(xié)（2011）17號、工法編號：SDGF1059-2010），簡要介紹如下。

該技術(shù)分為3個步驟，壩體充水、壩體浸水、壩體排水；針對EL1785以下的壩體。

壩體充水主要利用水泵從上游抽水至基坑，一次性將基坑水位達到EL1789；待壩內(nèi)滲壓計顯示壩內(nèi)水位達到預(yù)定值后再將上游基坑內(nèi)水位降至EL1785壩體浸水主要利用壩前至上游圍堰和左右岸山體圍成的基坑蓄水至EL1789，壩體自然滲透達到壩料浸水的效果，以加速壩體下部沉降。

排水主要利用壩基底部的排水管進行排水。壩基排水利用壩基基坑前的水泵進行對外抽排水，抽排至上游導(dǎo)流洞口，壩體的排水主要利用壩體底部的排水進行排水，使壩外和壩內(nèi)水位差最大不能超過1m（墊層區(qū)不產(chǎn)生破壞時臨界水頭差）。

在浸水預(yù)沉降過程中，壩體沉降量增加明顯，沉降速率增大，后轉(zhuǎn)為穩(wěn)定，具體見圖1。

圖1 時間-沉降量關(guān)系曲線圖

在浸水期間，壩體沉降明顯，累計沉降量 128 mm。2009年9月2日至2009年11月5日壩體浸水期間的大壩沉降變形如下。

（1）9月2～7日壩體最大沉降量為11mm，沉降速率為1.57mm/d。

（2）9月～20日壩體沉降加速，最大沉降量為90mm，沉降速率為6.9mm/d。

（3）9月21日～10月31日壩體沉降趨緩，最大沉降量為27mm，沉降速率為0.68mm/d。

（4）11月1日以后壩體沉降趨于穩(wěn)定。

4 面板混凝土配合比設(shè)計試驗研究

積石峽面板混凝土配合比設(shè)計主要考慮： 采用水化熱較低的水泥，達到降低混凝土內(nèi)部絕熱溫升的目的；選擇能提高混凝土極限拉伸值的外加劑，有效提高混凝土的變形性能；降低混凝土拌合物的出機塌落度，減少因混凝土干縮引起的裂縫；選擇和易性、抗分離性、均勻性好的混凝土配合比，使得施工過程連續(xù)快捷，避免施工冷縫的出現(xiàn)。

選用 42.5中熱硅酸鹽水泥，其粉煤灰摻量在20%時，水化熱為236（kJ/kg）；粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰；外加劑分別選用聚羧酸減水劑、GYQ引氣劑（簡稱外加劑1），HL-PLC聚羧酸減水劑、AE引氣劑（簡稱外加劑 2），WHDF增密劑；砂石骨料采用積石峽骨料加工廠生產(chǎn)的砂石骨料。坍落度采用20～40mm，單方材料用量見表 4，力學、熱學、變形試驗數(shù)據(jù)見表5。

表4 積石峽堆石壩面板混凝土設(shè)計配合比

表5 混凝土性能試驗結(jié)果匯總

經(jīng)比較，施工選用的是摻增密劑類型配合比。

5 面板混凝土施工工藝

大壩經(jīng)過6個月的沉降期，并在浸水預(yù)沉降后，配合比經(jīng)論證通過，與2010年3月5日開始面板混凝土的施工，至2010年5月30日結(jié)束，共計36塊面板順利澆筑完成。

為確保面板施工成功，并實現(xiàn)20～40mm低坍落度混凝土入倉，特在壩頂右岸設(shè)置了拌合站（750L*2滾筒式拌和機），采用6輛0.5方翻斗車水平運輸混凝土。每盤拌制0.5方混凝土，采用袋裝水泥和粉煤灰，但在投入拌制前均進行二次稱量，確保每次投入的膠材總量偏差0.5%以內(nèi)。

外加劑為液態(tài)，添加的容器為特制，正好是0.5方混凝土所用的量，專人添加；粗細骨料自動稱量，系統(tǒng)精度經(jīng)過地方計量部門檢定合格。面板混凝土坍落度、含氣量檢測結(jié)果見表6。

表6 面板混凝土施工塌落度、含氣量實測值統(tǒng)計表

該項目在實施過程中，現(xiàn)場研究了新的混凝土面板施工方法和研制了新的澆筑模板，形成了專利施工方法《混凝土面板堆石壩的面板施工方法》（國家發(fā)明專利，ZL201010257417.8）及專利產(chǎn)品《混凝土面板堆石壩澆筑滑?！罚▏覍嵱眯滦蛯＠?，專利號：ZL 201020297578.5），使面板混凝土攤鋪均勻密實、快速進行澆筑，減少了不均勻收縮產(chǎn)生的裂縫。

根據(jù)室內(nèi)試驗提供的混凝土絕熱溫升值，控制養(yǎng)護水溫，防止因養(yǎng)護水溫與混凝土內(nèi)部溫度溫差較大引起的裂縫。積石峽水電站室內(nèi)試驗混凝土絕熱溫升 7天為 26.9℃～29.3℃，施工時段（2010年4-5月），當?shù)貧鉁卦?℃～18℃，河水自然溫度在1℃～2℃。根據(jù)氣溫不同，采用加熱溫水養(yǎng)護面板混凝土，使混凝土內(nèi)外溫差滿足小于20℃，效果良好。積石峽面板混凝土養(yǎng)護用水，是用鍋爐將水加熱至25℃左右，并采取土工布加塑料薄膜進行混凝土養(yǎng)護。

6 積石峽水電站混凝土面板裂縫檢查結(jié)果

經(jīng)現(xiàn)場普查，截止2010年6月積石峽水電站工程混凝土面板裂縫數(shù)量為 71條，總面積共計35516m2，裂縫率 2條/1000m2；積石峽水電站面板混凝土裂縫與相同氣候環(huán)境的類似工程相比，裂縫減少 90%以上，大大降低了后期裂縫處理費用，同時也保證了大壩運行安全。具體裂縫情況見表7。

表7 面板裂縫檢查統(tǒng)計匯總表

7 結(jié) 語

筆者認為，鋼筋混凝土面板堆石壩的建設(shè)是一個系統(tǒng)性的工程，其難點在于面板不裂縫或者少裂縫。但是形成裂縫的原因很多，表象是面板開裂，內(nèi)因則是大壩建設(shè)的各個環(huán)節(jié)。

（1）設(shè)計應(yīng)合理對大壩進行分區(qū)，并結(jié)合壩址區(qū)地材的實際情況優(yōu)化設(shè)計，選取符合要求的料場。

（2）施工方應(yīng)嚴格按照設(shè)計要求加工生產(chǎn)制備合格的上壩料用于壩體填筑。

（3）重視大壩填筑前的碾壓試驗，在碾壓試驗的過程中可以發(fā)現(xiàn)很多問題，也是驗證和校核設(shè)計指標的重要環(huán)節(jié)。

（4）應(yīng)重視料場的復(fù)查工作，在設(shè)計的基礎(chǔ)上，詳細摸清料場料源的詳細品質(zhì)，是確保質(zhì)量和進度的重要步驟。

（5）嚴格按照設(shè)計及規(guī)范的要求開展壩體填筑施工，重視各工序均要達標，嚴防為趕工期而出現(xiàn)的粗制濫造，力求實現(xiàn)壩體全斷面填筑，均衡上升，目的是使壩體能保持均勻沉降。

（6）預(yù)留合理的壩體沉降期，在面板施工前，壩體沉降量應(yīng)絕大部分完成，沉降速率應(yīng)減緩，在面板施工前從壩體沉降總量與時間過程線觀察，總量應(yīng)保持基本不變。

（7）應(yīng)由專門的試驗研究機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與工地情況相適應(yīng)的面板混凝土配合比，在國內(nèi)現(xiàn)有的生產(chǎn)制造水平下，優(yōu)選膠材、外加劑及其他摻合料，以力學、熱學、變形性能優(yōu)良、施工可操作性好的配合比用于混凝土拌制；與此同時務(wù)必加強混凝土拌制質(zhì)量控制，確保配合比設(shè)計意圖的實現(xiàn)。

（8）高度重視新澆筑混凝土的養(yǎng)生工作，應(yīng)制定適合工程所在地具體氣候特點的養(yǎng)生方案。

綜上，如能將面板防止、限制裂縫的出現(xiàn)這個單一的技術(shù)問題與面板堆石壩建設(shè)全過程結(jié)合起來，系統(tǒng)性的加以考慮，并在各個環(huán)節(jié)，參建各方不同的責任立場加以重視；設(shè)計優(yōu)化、業(yè)主方科學合理安排工期、施工方嚴格遵照設(shè)計及規(guī)范施工。重視從兩岸邊坡的處理、基坑的處理、壩體填筑的每一個細節(jié)、面板混凝土澆筑的每一個細節(jié)，只有這樣才是解決面板裂縫的根本性途徑。

按照系統(tǒng)工程思路提出的一個有效可行的系統(tǒng)技術(shù)，在積石峽水電站建設(shè)中得到了成功應(yīng)用，最終面板裂縫少，裂縫率低，值得推廣。