混凝土面板堆石壩的面板裂縫防治技術(shù)探索

劉春發(fā)

摘要：混凝土面板堆石壩的面板裂縫嚴(yán)重地影響了壩體的整體性、耐久性及結(jié)構(gòu)安全，本文結(jié)合工程實(shí)踐對(duì)面板裂縫成因及防治措施進(jìn)行分析及探討，以期能夠?qū)ο囝?lèi)工程的建設(shè)提供借鑒。

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.

關(guān)鍵詞：砼面板堆石壩；面板裂縫防治；UEA膨脹劑；措施

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TV544 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）04-0125-02

0 前言

混凝土面板堆石壩在我國(guó)從60年代得以開(kāi)始應(yīng)用的，因其穩(wěn)定性好、抗震性能強(qiáng)、施工簡(jiǎn)便、節(jié)省材料、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)已得到較為廣泛的采用，也成為了以后壩體發(fā)展的方向之一。雖然隨著工程施工技術(shù)及設(shè)計(jì)理念的發(fā)展與進(jìn)步，更大、更高的混凝土面板堆石壩得以建設(shè)成功，但是混凝土面板容易出現(xiàn)裂縫的質(zhì)量通病嚴(yán)重地影響了壩體施工質(zhì)量及結(jié)構(gòu)安全，該問(wèn)題目前尚未得到完全解決。雖然縫寬小于0.2mm裂縫經(jīng)修補(bǔ)處理后不影響壩體的正常安全使用，但從長(zhǎng)期看來(lái)，對(duì)壩體的整體性及耐久性還是有很大影響。因此提高混凝土面板堆石壩面板的抗裂性，避免或減少面板裂縫出現(xiàn)為壩體建設(shè)者們急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 項(xiàng)目概況

***水電站采用混凝土面板堆石壩，其壩頂高程為536.5m，最大壩高208m，大壩上游壩坡度為1：1.4，下游平均壩坡度為1：1.4，混凝土面板總面積為9.68萬(wàn)m2，總方量為6.38萬(wàn)m3，面板豎向分成48塊，設(shè)計(jì)寬度有16m及8m兩種，厚度由上至下逐漸加厚，面板頂面厚度為30cm，底部最大厚度為100cm，面板分成三期澆筑，單塊最大面板長(zhǎng)136.82m。

2 面板裂縫的成因分析

影響混凝土面板出現(xiàn)裂縫的因素是多方面的，在學(xué)術(shù)上，根據(jù)裂縫產(chǎn)生的成因分成兩種，一種為壩體各部分結(jié)構(gòu)的不均勻變形及沉降引起的結(jié)構(gòu)性裂縫，另一種為混凝土因凝固和溫度降低后產(chǎn)生的收縮裂縫，也叫非結(jié)構(gòu)性裂縫，這兩種裂縫產(chǎn)生的成因及防治措施是不同的。

2.1 非結(jié)構(gòu)性裂縫

混凝土因凝固和溫度降低后收縮產(chǎn)生非結(jié)構(gòu)性裂縫的成因如下：

①面板產(chǎn)生溫度裂縫的成因：當(dāng)混凝土面板的溫度發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生熱脹冷縮變形，而外部及內(nèi)部存在限制其產(chǎn)生自由變形的約束，約束使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗裂強(qiáng)度時(shí)使其產(chǎn)生裂縫。該類(lèi)裂縫的產(chǎn)生受到溫差及約束條件等因素的影響。通常影響裂縫產(chǎn)生的溫差為：晝夜溫差：因該溫差改變的速率較大，在混凝土內(nèi)部形成溫度梯度，致使結(jié)構(gòu)內(nèi)各部分溫差變形程度不同，從而使混凝土產(chǎn)生表面裂縫，該裂縫通常在混凝土早期強(qiáng)度較低時(shí)產(chǎn)生。季節(jié)性溫差：來(lái)源于混凝土凝固時(shí)的溫度與使用過(guò)程中外界環(huán)境最低溫度的溫差，此溫差引面板整體的結(jié)構(gòu)變形，并受到兩側(cè)約束、面板與墊層間摩阻力的限制而產(chǎn)生裂縫。

②面板混凝土凝固干縮產(chǎn)生裂縫的成因：當(dāng)混凝土凝固時(shí)，其多余的拌和用水逐漸蒸發(fā)消散，使混凝土體積減小而失水干縮，在凝固期間，混凝土內(nèi)各種微觀結(jié)構(gòu)不斷收縮，受到面板與墊層、面板內(nèi)部配筋的摩阻力產(chǎn)生約束，從而產(chǎn)生裂縫。

2.2 結(jié)構(gòu)性裂縫

面板主要承受水壓力，當(dāng)壩基產(chǎn)生不均勻下降或移位，引起壩體的面板背部架空，在水壓力等荷載作用下，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫。

3 防止面板產(chǎn)生非結(jié)構(gòu)性裂縫的技術(shù)思路

本項(xiàng)目施工時(shí)對(duì)混凝土因凝固和溫度降低后產(chǎn)生的收縮裂縫的成因進(jìn)行分析，并進(jìn)行相應(yīng)處治方法及措施的研究，以提混凝土面板的抗裂性，避免或防止面板出現(xiàn)裂縫，確保壩體質(zhì)量及結(jié)構(gòu)安全。

當(dāng)混凝土溫差收縮及凝固干縮在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力（或變形值）大于當(dāng)時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度（或混凝土極限延伸率）時(shí)，將拉裂混凝土而出現(xiàn)裂縫。對(duì)此，吳中偉院士提出了混凝土凝固干縮和溫差收縮的聯(lián)合補(bǔ)償模式，即：|ε-S-ST|≤（SK+CT）（1）

式中：ε-采取一定技術(shù)措施后混凝土的限制膨脹率；S-混凝土凝固干縮值；ST-混凝土溫差收縮值；SK混凝土極限延伸率；CT-混凝土徐變值。

即對(duì)混凝土采取補(bǔ)償收縮的技術(shù)措施，當(dāng)其值滿足（1）式后，即可避免混凝土面板產(chǎn)生裂縫。

4 本項(xiàng)目的混凝土面板抗裂性分析及非結(jié)構(gòu)性裂縫防治措施

首先對(duì)本項(xiàng)目混凝土面板的抗裂性能進(jìn)行分析，再根據(jù)分析的結(jié)果，研究及制定施工實(shí)際所采取的防止裂縫產(chǎn)生的技術(shù)措施。本項(xiàng)目對(duì)底部面板最厚處的抗裂性分析過(guò)程如下。

4.1 混凝土極限延伸率計(jì)算

混凝土極限延伸率采用中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院游寶坤教授的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

Sk=0.5Rf（1+μ/d）×10-4（2）

式中：Sk-結(jié)構(gòu)混凝土的極限延伸率；μ-面板結(jié)構(gòu)的配筋率，×100；d-主筋直徑（mm）；Rf-混凝土的抗拉強(qiáng)度（MPa）。

本項(xiàng)目面板混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C35，其設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度值Rf取2.2N/mm2。面板配筋率為μ=1.2%，主筋直徑d為28mm。

將以上參數(shù)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(jì)算混凝土凝固期間的溫度差干縮量

在混凝土凝固過(guò)程中，混凝土內(nèi)部溫度出現(xiàn)峰值，然后再逐漸降低至使用時(shí)的最低溫度值時(shí)，混凝土產(chǎn)生的收縮變形值計(jì)算式為：St=αR（T2-T1）（3）

式中：α—面板混凝土的線膨脹系數(shù)；（T2-T1）—凝固的溫度峰值與使用過(guò)程最低溫度的溫差（℃）；R—面板變形受墊層摩阻力及內(nèi)部配筋的約束系數(shù)。

前期對(duì)相類(lèi)似結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相同材料、配合比及養(yǎng)護(hù)條件下混凝土內(nèi)部水化溫升試驗(yàn)，測(cè)得混凝土中心溫度峰值在澆筑后第3天出現(xiàn)，其值為41.6℃，面板在外部自然環(huán)境下的最低溫度為-7℃，最大溫差（T2-T1）為48.6℃。

查《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》面板混凝土線膨脹系數(shù)α為1×10-5/℃。根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況，面板約束系數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值R為0.5。所以St=1×10-5×0.5×52.6=2.63×10-4。

4.3 面板混凝土干縮值

混凝土凝固時(shí)因失水，其體積減小而干縮，受到面板與墊層、面板內(nèi)部配筋的摩阻力產(chǎn)生約束，從而產(chǎn)生裂縫。干縮變形值按下式計(jì)算。S=ε0Y×M1×M2…M10 （4）

式中：ε0Y—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下混凝土的極限收縮值，按規(guī)范取3.24×10-4；M1·M2…M10為考慮不同水泥種類(lèi)、骨料特性、配合比、施工時(shí)溫度、養(yǎng)護(hù)條件和配筋率等修正系數(shù)，根據(jù)面板施工時(shí)具體情況，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 面板混凝土徐變值

面板混凝土徐變值通常按其極限延伸率的1/2計(jì)取，其值偏于安全。

混凝土徐變按極限延伸率的0.5倍計(jì)算，其結(jié)果趨于安全，則：CT=0.5SK=0.5×1.57×10-4=0.79×10-4（6）

4.5 不采取補(bǔ)償措施的構(gòu)件情況

在未對(duì)面板混凝土采取變形補(bǔ)償技術(shù)情況的情況下（ε=0），將上述計(jì)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。

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

計(jì)算結(jié)果表明，如果不對(duì)面板混凝土采取技術(shù)措施，在正常施工及養(yǎng)護(hù)條件，面板將會(huì)產(chǎn)生非結(jié)構(gòu)性裂縫。從而影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量和使用安全。

4.6 摻入U(xiǎn)EA膨脹劑進(jìn)行收縮補(bǔ)償

為避免面板產(chǎn)生非結(jié)構(gòu)性裂縫，參考了游寶坤教授的研究成果，即在面板中摻入一定數(shù)量的UEA膨脹劑，對(duì)面板混凝土的收縮進(jìn)行補(bǔ)償，也就是改變?chǔ)胖?，使?）式成立，從而避免混凝面板土非結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)，最終確定UEA摻入量為12%（替代水泥量），對(duì)面板混凝土產(chǎn)生的膨脹率ε=3.0×10-4。

5 結(jié)構(gòu)性裂縫的防治措施

面板結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生是由于壩體不均勻沉降或位移，使得面板后背出現(xiàn)脫空等現(xiàn)象，但剛性面板不能隨壩體共同變形，水壓力等荷載使面板產(chǎn)生較大局部應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力過(guò)大時(shí)使面板原來(lái)存在的微小裂縫發(fā)展成貫穿性裂縫或產(chǎn)生新裂縫。其對(duì)結(jié)構(gòu)安全使用的影響更為嚴(yán)重，且裂縫通常產(chǎn)生于使用期間，處理難度要較建設(shè)期產(chǎn)生的非結(jié)構(gòu)性裂縫大許多，故為防治的重點(diǎn)。本項(xiàng)目采取的主要防治措施如下：

①合理進(jìn)行面板的分縫及配筋。位于受拉區(qū)的面板盡量設(shè)計(jì)小寬度，并設(shè)張性縫。受壓區(qū)面板則可設(shè)計(jì)成寬型，設(shè)壓性縫，壓性縫采用適合的填料，防止面板因受壓而翹曲。在面板的受拉區(qū)、受壓區(qū)應(yīng)力較大部位進(jìn)行合理配筋，以改善面板整體強(qiáng)度，特別要提高面板抗拉強(qiáng)度。②采用雙層面板技術(shù)。將面板，特別是薄弱部位的面板設(shè)為雙層結(jié)構(gòu)，使面板雙層承載。并在層間設(shè)置中間層，減少層間的相互約束作用，在一定程度內(nèi)使面板能夠自由變形，能有效避免面板產(chǎn)生裂縫。③預(yù)留壩體沉降期。為避免后期因壩體沉降過(guò)大導(dǎo)致面板出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，在壩體填筑完成后，不立即澆筑面板，而讓壩體經(jīng)歷一段時(shí)間的自然沉降，當(dāng)壩體完成大部分沉降再進(jìn)行面板澆筑，可以有效減少面板脫空及產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫。通常預(yù)留沉降以150d為佳，壩體可以完成90%以上沉降。④優(yōu)化石質(zhì)填料級(jí)配，采用重型機(jī)械碾壓，運(yùn)用先進(jìn)壓實(shí)檢測(cè)方法，嚴(yán)格控制堆石填方壓實(shí)質(zhì)量。提高壩體整體變形模量，減少后期壩體沉降及形變。同時(shí)確保不同區(qū)間的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)均衡，下游堆石區(qū)不宜嚴(yán)重低于主堆石區(qū)，即確保兩區(qū)變形模量基本相同。⑤對(duì)主堆石和下游堆石的分區(qū)進(jìn)行優(yōu)化，使主堆石和下游堆石區(qū)傾向下游，兩區(qū)填料盡量利用相同料源及相同巖性，以減少主堆石與下游堆石間的不均勻沉降及變形。⑥壩體整個(gè)斷面同時(shí)水平填筑，盡量減少高差，也能有效減少壩體不同部位不均勻沉降。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中對(duì)混凝土面板堆石壩面板產(chǎn)生裂縫的成因進(jìn)行了分析，并針對(duì)性的提出了防治措施，在本項(xiàng)目施工中取得了良好效果，有效的防治了面板裂縫的產(chǎn)生，得到了設(shè)計(jì)及業(yè)主單位的高度評(píng)價(jià)。

參考文獻(xiàn)：

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