面板堆石壩面板開裂原因分析方法

黃靜 伍言鳳

摘要：通過研究GD3項目面板開裂特征、適用規(guī)范、施工特征、現(xiàn)場試驗等，采用相關(guān)分析法、三維仿真計算等方法定量評估開裂主要原因。對中外研究面板開裂的成果進行了補充，提出了停止使用瀝青砂漿代之以薄膜做墊層的工程預(yù)防措施及專利技術(shù)。

Abstract： By studying the cracking characteristics， applicable specifications， construction characteristics， field tests， etc. of the panel of the GD3 project， quantitative analysis of the main causes of cracking is carried out using correlation analysis methods， three-dimensional simulation calculations and other methods. It complements the results of cracking of research panels at home and abroad， and proposes engineering preventive measures and patented technologies to stop the use of asphalt mortar and replace the film with a cushion.

關(guān)鍵詞：面板堆石壩;面板;開裂;原因;分析;方法

Key words： face rockfill dam;face plate;cracking;cause;analysis;method

中圖分類號：TV544 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）15-0187-02

0 ?引言

埃塞俄比亞GD3水利水電綜合利用項目大壩設(shè)計為壩高113m面板堆石壩，位于埃塞俄比亞北緯5°38′，東經(jīng)39°43′，屬熱帶雨林區(qū)，年平均氣溫25℃，面板開始澆筑后實測最低日溫17.6℃，實測最大日溫差17℃。防滲面板采用ACI設(shè)計施工。壩面最大面板長度180.5m，采用90天齡期圓柱體抗壓強度25MPa混凝土，面板布雙層鋼筋。面板后結(jié)構(gòu)依次為：噴陽離子瀝青砂漿，三油兩砂1cm厚、5MPa擠壓邊墻混凝土、3m寬墊層料、4m寬過渡料、主堆石、次堆石。

1 ?面板施工特征

GD3面板混凝土塌落度4～7cm，水灰比0.54，WHDF密實劑摻量5.7kg/m3，纖維摻量0.5kg/m3，粉煤灰摻量50kg/m3。未摻EEA即引氣劑。GD3大壩面板按設(shè)計一次澆筑成型;跳倉澆筑右岸相鄰塊。流水養(yǎng)護。攪拌車轉(zhuǎn)料、滑槽垂直運輸、人工移動滑槽就位下料。溜槽數(shù)量：在8m長的面板上設(shè)置2條，在16m長面板上設(shè)置3條溜槽。

在2014年7月2日澆筑完12塊后開始發(fā)現(xiàn)面板裂縫共256條，其中寬度方向通長裂縫數(shù)168條。個別裂縫貫穿，可見壩體涵水外滲。

2 ?早期裂縫特征及發(fā)生發(fā)展規(guī)律

本文沒有沿用業(yè)界結(jié)構(gòu)裂縫和收縮裂縫的分類法，認為早期裂縫包含收縮裂縫和結(jié)構(gòu)變形裂縫，從危害上講，把早期貫穿性收縮裂縫也歸為結(jié)構(gòu)裂縫。

面板在施工期已出現(xiàn)的裂縫有如下特征：

①面板長度小于68m的，沒有發(fā)現(xiàn)開裂。

②裂縫集中在面板中部，面板上部和下部兩端范圍內(nèi)沒有。

③沒有發(fā)現(xiàn)任何豎向裂縫或者任意方向裂縫。

④裂縫水平方向分布。

⑤裂縫長度。檢查發(fā)現(xiàn)ML2，ML4，ML8，M0，共55條長度大于1m;其中27/55=49%裂縫到邊墻;19/55=34%裂縫延伸到止水片鼻子，表明這部分裂縫中有部分貫穿面板全斷面。

⑥每塊板上裂縫間距小于20m，大部分約8m。

⑦裂縫寬度?？堪逯虚g裂縫寬度較邊上大。寬度在0.06～0.31mm之間。8月5日檢查面板MR2，發(fā)現(xiàn)18條裂縫，其中17條裂縫寬度小于0.2mm，只有一條寬度0.31mm，也是最終發(fā)現(xiàn)的全部裂縫中最大寬度。

⑧裂縫深度0～板厚，大部分為表面縫，表面裂縫比例大于1-19/54=66%。用超聲檢測ML4，ML2和MR2裂縫寬度和深度，顯示能探測深度小于141mm。但是通過場外校核，超聲檢測裂縫深度值不可信。

⑨開裂時間和數(shù)量變化。澆筑后第4天可以觀察到裂縫，裂縫數(shù)量在10天后基本上沒什么變化。

⑩試驗塊MR4總長158m，分兩段澆筑，第二段在第一段20天后澆筑。第一段70m長沒有裂縫，第二段87.8m長段面板出現(xiàn)5條裂縫?；炷僚浜媳炔捎迷瓉淼呐浜媳?，原來13塊面板中7塊有裂縫。

{11}在ML9、ML1配合比優(yōu)化如下：w/c：水灰比從0.54減小到0.50。增加4.5引氣劑。密實劑：從5.7減少到4.6。

{12}開裂順序特征。

1）7月份觀察到MR2開裂順序顯示首條裂縫4天后出現(xiàn)在面板正中間，5天后第二條裂縫出現(xiàn)在斷開的兩節(jié)正中間附近，7天、19天后板節(jié)中間出現(xiàn)新裂縫。

2）裂縫從面板中部偏下開始出現(xiàn)，將板裂成兩塊;二序裂縫在這兩塊板上隨后出現(xiàn)，大部分裂縫再在其間相繼出現(xiàn)。

3）溫度分布計算結(jié)果與開裂順序吻合。

基于面板MO上預(yù)埋的鋼筋計測量數(shù)據(jù)，設(shè)計分包單位進行了溫度場三維仿真計算。三維仿真計算工況、結(jié)果如下。

a.混凝土澆筑后溫升快，1天左右到最高，溫升大約10℃。

b.內(nèi)部約束影響很大，應(yīng)力安全系數(shù)是1.0、混凝土可能開裂。

c.絕熱溫升每降低6℃時混凝土內(nèi)部溫度降低2℃。

d.混凝土防裂能力要提高，面板太長，以致需要很長時間才能澆筑完畢，內(nèi)部約束影響太大。

{13}“中舜ZHONGSHUN”水泥發(fā)熱和強度增長期特征：15小時溫度到峰值，第四天開始下降，10天后溫度下降進入相對平緩的過程線。

3 ?面板產(chǎn)生裂縫原因分析

3.1 壩體填筑質(zhì)量好，排除壩體沉降變形至裂

由上述裂縫分布，壩體變形或沉降也會導致裂縫分布如上述，但在業(yè)主代表美國MWH嚴格的現(xiàn)場控制背景下，通過壩體填筑材料、工藝、沉降觀測分析、壩體汛期排水、降水分析，排除沉降致裂，因此專家組排除了壩體沉降過大導致面板開裂。

3.2 GD3面板開裂原因

面板開裂是多種因素綜合作用的結(jié)果。在熟悉混凝土和結(jié)構(gòu)性能，研究材料、工藝、環(huán)境等等對裂縫發(fā)展趨勢和規(guī)律影響的基礎(chǔ)上，根據(jù)裂縫特征反推本項目雙層面板開裂原因和顯著誘因。

通過現(xiàn)場詳查、經(jīng)驗和國內(nèi)外相關(guān)施工、設(shè)計、材料與試驗規(guī)范研究，推斷出大部分原因。采用特征-因素分析法，列舉原因，每個原因都能與相關(guān)特征建立聯(lián)系或解釋它，表1中原因都能解釋、誘發(fā)、引起或者支持相關(guān)特征，標Y表示能夠說明，N表示其他。

從表1可以看出，29項開裂影響因素中，共有11個因素獲得5個以上的肯定評估項“Y”，可以判定Y=5以上或者4以上因素為要因，對此攻關(guān)。但是，只有1項能夠解釋全部13個裂縫特征。

3.3 國際上對于混凝土開裂原因分析方法

ACI224R研究了結(jié)構(gòu)混凝土體積變形裂縫機理，面板參照ACI224.3R。

ACI224R給定得假定與力學模型顯示混凝土在約束條件下體積變化至裂，取面板在長度方向上橫截面的一個微分條受長度方向兩側(cè)拉力，該力上大下小，因為板底受地面約束力。該模型適用于解釋所有體積變化致裂的裂縫，尤其適用于貫穿板厚的裂縫。

ACI報告揭示了一個全斷面貫穿開裂情況，作者認為另有一種局部多個等強面張開用來補償體積變形的情形。ACI委員會在ACI224R-90《混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制》報告以示意圖解釋了結(jié)構(gòu)性裂縫機理：可見有約束時累積了過大的體積變形不協(xié)調(diào)、不同步必然產(chǎn)生裂縫，尤其是貫穿性結(jié)構(gòu)裂縫。

3.4 國際大壩委員會（ICOLD）公報公布的面板開裂原因的結(jié)論

國際大壩委員會在2010年CFRD?？?41期中（6.3）對面板開裂總體上分了兩種：收縮裂縫和由不同機理導致的結(jié)構(gòu)裂縫（shrinkage cracks and structural cracks caused by a variety of mechanisms）。很明顯這里把溫度和干縮列入了收縮范圍，沒列入結(jié)構(gòu)裂縫，把荷載、移位等變形裂縫列入了結(jié)構(gòu)裂縫中。這種大類比較籠統(tǒng)。作者認為，約束條件下的收縮體積變形過大必然產(chǎn)生構(gòu)件斷裂的裂縫，以適應(yīng)收縮變形需要，這時產(chǎn)生的貫穿裂縫不管它有多寬，他們同樣應(yīng)該是結(jié)構(gòu)裂縫范疇。

3.5 國內(nèi)研究機構(gòu)研究裂縫成因的結(jié)論

中國水科院等很多機構(gòu)對面板裂縫成因進行了較系統(tǒng)的研究。尤其是結(jié)構(gòu)性裂縫研究成果與本課題應(yīng)用研究結(jié)論相互印證，也是本課題新型長面板防裂措施的重要理論依據(jù)。

3.6 面板約束力驗證試驗

作者利用擠壓邊墻工藝試驗塊（暴露近3年）做了噴陽離子瀝青砂漿墊層與面板砼之間粘結(jié)力試驗。采用三種瀝青含量的瀝青砂漿（少瀝青：砂子體積比=1：15，仿GD3面板墊層、面板設(shè)計配比1：10、濃1：5）施做的墊層，每種墊層做凌晨和正午兩種溫度下粘結(jié)力檢測，用邊長50mm的立方體現(xiàn)澆砂漿塊做水平方向粘結(jié)拉力檢測，申請的發(fā)明專利進入實質(zhì)審查階段。

4 ?結(jié)語

本文采用的面板開裂成因的特征-因素相關(guān)性分析法適用于很多場合下解決復(fù)雜問題;試驗驗證法取得數(shù)據(jù)將原因進一步量化，并引導了預(yù)防措施中國專利技術(shù)的誕生——申報中;中外對比法、專家論證法暴露了全球范圍內(nèi)研究深度和水平，凸顯了本課題分析方法的實用性、合理性和研究結(jié)論的原創(chuàng)性，新穎性，先進性。

參考文獻：

[1]ACI 224R-90，Control of Cracking in Concrete Structures Reported by ACI Committee 224.

[2]BUILDING CODE REQUIREMENTS FOR STRUCTURAL CONCRETE ?AND COMMENTARY （ACI 318M-05）， ACI Committee 318 Structural Building Code.

[3]國際大壩協(xié)會公報，第141期（ICOLD bulletin 141），CONCRETE FACE ROCK DAMS， Concepts for design and construction，2010年全球發(fā)布.

[4]黃靜.中國葛洲壩集團第一工程有限公司，堆石壩面板墊層：中國，zl 2016 2 0120599.7[P]. 2016-07-26.

作者簡介：黃靜（1972-），男，湖北麻城人，教授級高級工程師，研究方向為面板堆石壩面板防裂技術(shù)。