高溫差、高蒸發(fā)環(huán)境下高面板堆石壩防裂技術(shù)

張正勇，巫世奇，劉東方

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川成都610066)

1 阿爾塔什水利樞紐工程概述

阿爾塔什水利樞紐工程是葉爾羌河干流梯級(jí)規(guī)劃中“兩庫(kù)十四級(jí)”的第11個(gè)梯級(jí)。工程壩址距喀什地區(qū)莎車(chē)縣約120 km，距喀什約310 km。工程區(qū)位于新疆塔里木盆地西部，氣溫年內(nèi)變化較大，日溫差大，日照長(zhǎng)，蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水量稀少，全年1月份最冷，7月份最熱；多年平均降水量69.98 mm，平均蒸發(fā)量1 758.0 mm；空氣極度干燥?；炷撩姘迨┕て跒槊磕?月～5月，多年平均風(fēng)速為2.0～2.2 m/s，平均月蒸發(fā)量為143～382 mm。平均月降水量3.6～8.5 mm，平均相對(duì)濕度40%～47%。

工程區(qū)域具有高寒(冬季極端溫度低于-23 ℃)、溫差大(春秋季中午高溫達(dá)到30 ℃以上，夜間低溫低至0 ℃左右)、濕度小的氣候特點(diǎn)。這是混凝土面板施工及養(yǎng)護(hù)很大的難題。為此，本文對(duì)新疆地區(qū)已施工完成的面板堆石壩面板裂縫的成因及其防裂措施和效果進(jìn)行分析、總結(jié)，以為阿爾塔什水利樞紐工程提出相應(yīng)的面板裂縫防治措施。

2 新疆地區(qū)面板混凝土裂縫原因分析

2.1 壩體變形協(xié)調(diào)

(1)壩址區(qū)地形地勢(shì)。位于高山峽谷地帶的工程，其壩址左右岸多為不對(duì)稱地形。這種不對(duì)稱地形在壩體沉降過(guò)程中不利于壩體整體變形協(xié)調(diào)，易導(dǎo)致面板裂縫的產(chǎn)生。

(2)設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)。各種壩料設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)對(duì)壩體質(zhì)量控制起主要作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采取較高的壓實(shí)設(shè)計(jì)指標(biāo)，壩體變形沉降值較小，混凝土面板產(chǎn)生裂縫較少。

(3)壩體填筑分期。合理的壩體填筑分期是保證壩體施工質(zhì)量的重要部分，也是防止面板開(kāi)裂的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。根據(jù)對(duì)部分面板堆石壩填筑分期統(tǒng)計(jì)，在分期進(jìn)行面板混凝土澆筑時(shí)，面板頂部壩體填筑超高較少，有的僅為2～3 m；在下一期壩體填筑時(shí)，上一期面板下部壩料沉降未收斂，導(dǎo)致面板下部脫空，易出現(xiàn)裂縫；另外，部分面板堆石壩分期填筑到設(shè)計(jì)高程后，壩體預(yù)沉降時(shí)間較短，壩體變形未收斂，也會(huì)導(dǎo)致面板脫空及裂縫的產(chǎn)生。

(4)填筑質(zhì)量?；炷撩姘迨且粋€(gè)超大型的薄板結(jié)構(gòu)，大壩作為混凝土面板最重要的支撐體，其填筑質(zhì)量對(duì)壩體沉降變形影響較大。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，部分面板堆石壩填筑完成后，壩體沉降值超過(guò)壩高1%，且較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沉降不收斂，造成面板混凝土在水庫(kù)運(yùn)行期仍會(huì)出現(xiàn)擠壓破碎、錯(cuò)臺(tái)、開(kāi)裂等問(wèn)題。

(5)擠壓邊墻影響。由于擠壓邊墻位于墊層料和面板混凝土之間，作為一個(gè)需均勻受力的承載體，擠壓邊墻表面不平整，會(huì)對(duì)薄板結(jié)構(gòu)面板產(chǎn)生影響。

2.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

混凝土原材料和配合比對(duì)混凝土的性能影響較大，很多工程由于配合比未充分考慮新疆當(dāng)?shù)亍皽夭畲?、蒸發(fā)大、濕度小”的氣候特點(diǎn)。在室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，混凝土各項(xiàng)性能均能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求；但實(shí)際施工時(shí)，混凝土運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后，在大風(fēng)、高溫、濕度小的自然條件下，混凝土塌落度損失大、流動(dòng)性差，無(wú)法順利在溜槽內(nèi)流動(dòng)；作業(yè)人員被迫加水，改變水灰比，從而導(dǎo)致混凝土性能改變，混凝土易產(chǎn)生裂縫。

2.3 約束對(duì)面板的影響

混凝土面板是一個(gè)超大型的薄板結(jié)構(gòu)，混凝土約束底面積尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于板厚尺寸，對(duì)薄板混凝土沿厚度方向的約束影響十分突出。由于約束面的約束限制了混凝土的變形，而薄板混凝土溫度沿板的高度產(chǎn)生拉應(yīng)力的變化很快，從而使得薄板混凝土表面產(chǎn)生的裂縫很快向下延展，形成貫穿性裂縫。同時(shí)，對(duì)新疆地區(qū)混凝土面板堆石壩面板裂縫規(guī)律的分析發(fā)現(xiàn)，混凝土面板Ⅰ序澆筑板塊裂縫明顯少于Ⅱ序澆筑板塊；在一個(gè)混凝土面板上，面板底部裂縫明顯多于面板上部裂縫。

2.4 混凝土澆筑的影響

面板混凝土施工與常規(guī)混凝土施工相比有很大區(qū)別，面板混凝土是超大薄板結(jié)構(gòu)，混凝土施工工藝等一切活動(dòng)，都是圍繞盡量減少混凝土面板裂縫進(jìn)行的，在面板澆筑過(guò)程中易出現(xiàn)以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1)澆筑時(shí)段。由于新疆特殊的氣候條件，夏季高溫、秋季短暫、冬季高寒，面板混凝土施工黃金時(shí)節(jié)僅為春季4月～5月。因此，做好面板混凝土澆筑各項(xiàng)準(zhǔn)備，安排4月、5月黃金澆筑時(shí)段進(jìn)行施工，是有利于面板混凝土裂縫控制的重要手段。

(2)滑模提升速度。在一些工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滑模提升相對(duì)較緩慢時(shí)，混凝土面板裂縫數(shù)量和規(guī)模明顯較少。滑模上升速度宜控制在2.0 m/h左右。

(3)振搗?；炷琳駬v在面板混凝土施工中是重要工序，振搗質(zhì)量對(duì)裂縫產(chǎn)生有較大的影響。過(guò)振會(huì)使混凝土產(chǎn)生離析，水泥漿和粗骨料分離，粉煤灰及膠凝材料上浮，混凝土表面強(qiáng)度明顯降低，易產(chǎn)生表層裂縫；漏振則會(huì)造成混凝土表面氣泡過(guò)多、蜂窩、狗洞等缺陷。

(4)收面?；Ｌ嵘笠皶r(shí)收面，當(dāng)滑?；俣嚷?，溫度較高時(shí)，混凝土表面易出現(xiàn)“假凝”或接近半初凝狀態(tài)，混凝土面與滑模間的磨擦系數(shù)增大，滑?；笠自诨炷帘砻嫘纬闪鸭y。雖然這樣形成的裂紋不會(huì)太深，但若養(yǎng)護(hù)不當(dāng)易形成裂縫。

(5)現(xiàn)場(chǎng)加水。由于混凝土配合比設(shè)計(jì)在大風(fēng)、高蒸發(fā)等氣候特點(diǎn)時(shí)適應(yīng)性不足，導(dǎo)致配合比設(shè)計(jì)塌落度在現(xiàn)場(chǎng)損失嚴(yán)重，無(wú)法在溜槽內(nèi)溜送，施工人員私自加水，改變了混凝土水灰比。

2.5 養(yǎng)護(hù)

(1)保濕。由于新疆河水多來(lái)自冰川融雪水，溫度低，一般為幾攝氏度。當(dāng)混凝土內(nèi)部溫度較高時(shí)，若直接采用河水養(yǎng)護(hù)，會(huì)使混凝土面板內(nèi)外溫差大而產(chǎn)生溫度裂縫。若養(yǎng)護(hù)水對(duì)混凝土形成的溫降應(yīng)力與干縮應(yīng)力疊加，混凝土必將產(chǎn)生裂縫。

(2)保溫。對(duì)新疆地區(qū)部分面板堆石壩的統(tǒng)計(jì)分析表明，較大裂縫一般都是溫度應(yīng)力的結(jié)果，而面板的溫度應(yīng)力來(lái)自于內(nèi)外溫差和均勻溫降兩個(gè)方面。在溫度驟降的情況下，若施工期不采取保溫措施，即使是驟降溫差僅為5 ℃，溫度應(yīng)力仍會(huì)超過(guò)混凝土的允許應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土的開(kāi)裂。

3 防治措施

3.1 做好壩體變形協(xié)調(diào)控制

(1)壩址區(qū)左右岸地形平順。壩址選址時(shí)，盡量選擇左右岸地形較為對(duì)稱，變形均勻部位；同時(shí)，開(kāi)挖時(shí)將左右岸邊坡突出巖體部位等進(jìn)行處理，使兩岸岸坡整體變形協(xié)調(diào)，從而保證好的適應(yīng)性。

(2)采取高設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)。為減小壩體沉降變形，建議新疆地區(qū)超過(guò)150 m以上面板堆石壩，設(shè)計(jì)階段采取設(shè)計(jì)規(guī)范中填筑標(biāo)準(zhǔn)的上限進(jìn)行控制；同時(shí)針對(duì)砂礫石面板堆石壩，在確定砂礫石最大、最小干密度時(shí)，應(yīng)按照NT/B 35016進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原型級(jí)配相對(duì)密度試驗(yàn)。阿爾塔什面板堆石壩，采取了SL228—2013《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中最高指標(biāo)，墊層料、過(guò)渡料和主堆石區(qū)砂礫石相對(duì)密度不低于0.9，次堆石區(qū)爆破料孔隙率不低于19%。

(3)合理壩體填筑分期。做好壩體填筑分期，對(duì)加快壩體施工進(jìn)度，保證階段節(jié)點(diǎn)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)十分有益。在壩體分期填筑時(shí)，分期上游臨時(shí)斷面頂高程應(yīng)至少超過(guò)分期面板澆筑頂高程10 m以上。超過(guò)150 m的高壩，臨時(shí)斷面頂高程超高不得低于15 m。同時(shí)，在壩體填筑時(shí)，盡可能采取“反抬式填筑方法”，以減小次堆石區(qū)的變形。

(4)加強(qiáng)填筑質(zhì)量控制。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)料源質(zhì)量控制，做好各種壩料碾壓試驗(yàn)，確定最優(yōu)碾壓參數(shù)，施工時(shí)嚴(yán)格控制施工參數(shù)；同時(shí)，針對(duì)墊層料、過(guò)渡料、岸坡料、臺(tái)階和接縫等重要和薄弱部位，尤其要加強(qiáng)對(duì)碾壓過(guò)程的控制。在阿爾塔什大壩填筑過(guò)程中，引進(jìn)了數(shù)字化實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)壩料填筑層厚、振動(dòng)碾激振力、行走速度、碾壓遍數(shù)等各個(gè)重要參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)控；從而減少了人為管理中的薄弱環(huán)節(jié)，更有利于壩體填筑質(zhì)量的控制。

(5)減少擠壓邊墻影響。減少擠壓邊墻的影響首先要做好擠壓邊墻的配合比試驗(yàn)，保證擠壓邊墻的低強(qiáng)度、低彈模屬性，以適應(yīng)壩體變形協(xié)調(diào)。同時(shí)，在擠壓邊墻施工時(shí)，做好擠壓邊墻表面平整度控制，減小表面不平整對(duì)薄板結(jié)構(gòu)面板的影響。SL49—2015新版《混凝土面板堆石壩施工規(guī)范》中強(qiáng)調(diào)，壩高超過(guò)150 m的混凝土面板堆石壩如采取擠壓邊墻護(hù)坡，需進(jìn)行專題論證研究。

3.2 優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)

混凝土原材料和配合比對(duì)混凝土的性能影響較大，在很多工程中進(jìn)行了研究。如采用中低熱硅酸鹽水泥，摻加優(yōu)質(zhì)混凝土礦物摻合料，摻加一定量的纖維，摻加優(yōu)質(zhì)外加劑(減水劑、抗裂減縮劑等)，降低混凝土入倉(cāng)溫度和采用人工破碎骨料等。同時(shí)，為確?；炷僚浜媳饶軡M足新疆特殊的氣候條件，施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)在相似的施工環(huán)境中進(jìn)行模擬試驗(yàn)，通過(guò)模擬試驗(yàn)對(duì)配合比的適宜性進(jìn)行檢查、調(diào)整。

3.3 減少面板混凝土的約束

(1)減小擠壓邊墻對(duì)面板的約束。面板倉(cāng)位準(zhǔn)備前，應(yīng)對(duì)擠壓邊墻表部平整度進(jìn)行處理，形成一個(gè)平整的承載體，以更有利于面板受力時(shí)均勻傳遞。目前，規(guī)范允許擠壓邊墻體形偏差為+50、-80 mm。新疆阿爾塔什工程中，將擠壓邊墻表部平整度要求提升到+20、-30 mm，有效減小了對(duì)面板混凝土的影響；在擠壓邊墻表部噴涂乳化瀝青或?yàn)r青砂漿，將面板混凝土和擠壓邊墻隔離；在鋼筋倉(cāng)位準(zhǔn)備時(shí)，采取混凝土預(yù)制墊塊或者馬凳筋等替代架立鋼筋，減小架立鋼筋對(duì)面板的約束。

(2)減小面板Ⅰ、Ⅱ序垂直縫約束。首先，做好垂直縫模板的設(shè)計(jì)，確保模板平整度滿足要求，拆模后及時(shí)對(duì)Ⅰ序垂直縫面進(jìn)行處理。在部分工程中，針對(duì)受壓垂直縫，設(shè)計(jì)上采取設(shè)置瀝青模板或噴涂瀝青等，以便適應(yīng)Ⅰ、Ⅱ序縫面沉降。在洪家渡面板堆石壩中，垂直縫面設(shè)置苯板。在阿爾塔什面板堆石壩中，受壓區(qū)Ⅰ、Ⅱ序垂直縫間設(shè)置2 cm結(jié)構(gòu)縫，縫面間隔填充瀝青木板，減小了縫面約束。

3.4 做好混凝土澆筑過(guò)程控制

(1)控制滑模上升速度。部分工程實(shí)踐表明，滑模提升速度在低于2 km/h時(shí)，出現(xiàn)裂縫數(shù)量和規(guī)模明顯減小。因此，應(yīng)控制滑模提升速度，盡可能確?；Ｌ嵘俣炔怀^(guò)2 m/h。滑模每次提升高度控制在30～50 cm，避免長(zhǎng)時(shí)間不提升滑模，混凝土蠕動(dòng)造成裂縫。

(2)做好混凝土平倉(cāng)及振搗。面板倉(cāng)位寬度較寬時(shí)(12 m)，倉(cāng)內(nèi)均布2條溜槽入倉(cāng)，減小混凝土平倉(cāng)難度，加強(qiáng)對(duì)混凝土振搗，避免漏振或過(guò)振對(duì)混凝土影響；做好防曬和防風(fēng)工作，在溜槽上部安設(shè)牢靠的封閉式防風(fēng)遮陽(yáng)棚，減少混凝土水分蒸發(fā)和坍落度損失，以利于混凝土在溜槽內(nèi)流動(dòng)；由于新疆地區(qū)晝夜溫差變化較大，應(yīng)加強(qiáng)混凝土坍落度檢測(cè)，對(duì)出機(jī)口、入倉(cāng)、倉(cāng)面坍落度實(shí)時(shí)控制，及時(shí)調(diào)整混凝土配合比，確?；炷莲@得良好的和易性，提高面板混凝土實(shí)體質(zhì)量。

(3)及時(shí)收面。由于混凝土的凝結(jié)是隨著氣溫、氣候和溫差等而改變的，為了消除混凝土早期出現(xiàn)的干縮裂縫，在常規(guī)收面工作后增加一次收面工序，在第一次收面與第二次收面之間，增加臨時(shí)覆蓋措施，減少水分散失，防止干縮縫的出現(xiàn)；在二次收面后開(kāi)始養(yǎng)護(hù)覆蓋，邊覆蓋邊用水管?chē)姙B(yǎng)護(hù)，保證混凝土面保持濕潤(rùn)，面板澆筑完成后，用鋪設(shè)的養(yǎng)護(hù)花管進(jìn)行長(zhǎng)流水養(yǎng)護(hù)直至蓄水。

3.5 及時(shí)養(yǎng)護(hù)

常用的養(yǎng)護(hù)方法是灑水和覆蓋，而且要保證90天以上，不能因?yàn)闈并蛐虬搴妥霰韺又顾袛?，最好能延長(zhǎng)至水庫(kù)蓄水。

(1)保濕。吉音水庫(kù)、卡拉貝利水電站等工程，面板混凝土養(yǎng)護(hù)均采用溫水，壩頂安裝熱水鍋爐，面板混凝土內(nèi)部埋設(shè)溫度探頭，專人負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)氣溫、水溫及混凝土內(nèi)外溫度，及時(shí)調(diào)整養(yǎng)護(hù)水溫，確保面板混凝土內(nèi)外溫差小于20 ℃。新疆的氣候特點(diǎn)是晝夜溫差大，3月～4月份氣溫較低，養(yǎng)護(hù)溫水從頂部流到面板下部水溫?fù)p失較大，應(yīng)采取工程措施避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，養(yǎng)護(hù)水管應(yīng)按高程分層布設(shè)。

(2)保溫?；炷帘砻娌扇「采w措施后，內(nèi)部最高溫度與表面溫度之差就會(huì)降低很多，混凝土內(nèi)部受外界影響將減小，產(chǎn)生裂縫的可能性變小。這一點(diǎn)對(duì)氣溫驟降頻繁、晝夜溫差較大的地區(qū)尤為重要。

(3)凝土收面以后要及時(shí)覆蓋。及時(shí)覆蓋一方面可以避免混凝土表面水分蒸發(fā)產(chǎn)生干縮裂縫，另一方面可降低混凝土內(nèi)外溫差避免產(chǎn)生溫度裂縫。覆蓋材料多種多樣，要選擇既能避免混凝土表面水分蒸發(fā)又能保溫的覆蓋材料，工程上常用的保溫材料有線毯、棉被和無(wú)紡布，避免混凝土表面水分蒸發(fā)的覆蓋材料有塑料布和土工膜。

(4)由于新疆地區(qū)春季風(fēng)速較大，大風(fēng)天氣頻繁，在混凝土面板施工時(shí)，要注意在面板兩側(cè)埋設(shè)地錨，用于固定面板養(yǎng)護(hù)覆蓋物。

4 結(jié) 語(yǔ)

新疆地區(qū) “高寒、大溫差、濕度低”等自然環(huán)境，對(duì)面板型的薄板混凝土影響極大。被譽(yù)為新疆“三峽工程”的阿爾塔什水利樞紐的面板防裂問(wèn)題尤為突出。施工中應(yīng)通過(guò)優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)、加強(qiáng)混凝土澆筑過(guò)程控制、混凝土澆筑完成后及時(shí)養(yǎng)護(hù)等各方面細(xì)節(jié)控制，才能更好地控制面板混凝土質(zhì)量，減少面板混凝土出現(xiàn)裂縫的可能。

[1] NB/T35016—2013 土石筑壩材料碾壓試驗(yàn)規(guī)程[S]．

[2] SL49—2015 混凝土面板堆石壩施工規(guī)范[S]．

[3] 謝玉杰, 張光碧, 馮景德. 混凝土面板堆石壩裂縫原因分析的成因及對(duì)策探討[J]. 四川水力發(fā)電, 2007, 26(5)： 76- 78．

[4] 劉昭. 混凝土面板裂縫的因素迭加分析[J]. 陜西水力發(fā)電, 2001(4)： 38- 41．