夾巖水利樞紐工程堆石壩面板脫空及裂縫成因分析

王凱 廖小康

摘要：混凝土面板脫空和裂縫直接影響水庫大壩的運行安全。為研究面板脫空和裂縫成因及其處理措施，以夾巖水利樞紐工程大壩為例，通過安全監(jiān)測手段對導致面板脫空和裂縫的各種因素進行了分析論證，并針對堆石體變體、降低面板混凝土澆筑溫差等問題提出了應對措施。分析研究成果可為混凝土面板預防脫空和裂縫的產(chǎn)生提供經(jīng)驗借鑒。

關(guān)鍵詞：面板堆石壩;脫空變形;裂縫;夾巖水利樞紐工程;貴州省

中圖法分類號：TV641.43文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.09.017

Abstract： Detaching and cracking of concrete face slab directly impact the reservoir safety. In order to analyze the causes of detaching and cracking， and come up with the corresponding measures， by taking the Jiayan Hydro-complex Project as an example， safety monitoring systems were adopted to analyze the factors that lead to detaching and cracking of the concrete face slab. Countermeasures were put forward to cope with the deformation of rockfilled body and the temperature differences of face slabs during concrete placing. The analysis results can provide references for the prevention and treatment of detaching and cracking of concrete face slab.

Key words： concrete face rock fill dam; detaching and deformation; cracking; Jiayan Hydro-complex Project; Guizhou Province

混凝土面板堆石壩對地質(zhì)和地形以及氣候條件的適用性非常廣泛，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，填筑速度快，且該種壩型具有較高的安全性、經(jīng)濟性，深受建設(shè)單位的青睞，在我國得到廣泛應用和迅速發(fā)展。椐不完全統(tǒng)計，在同期新開工的水利項目中堆石壩占比接近70%，不僅數(shù)量多，在建壩高度上也屢有突破。

通過對國內(nèi)天生橋一級（178.0 m）、洪家渡（179.5 m）、三板溪（185.5 m）、巴貢（205.0 m）、水布埡（233.0 m）和國外的墨西哥拉帕羅塔壩（169.0 m）、墨西哥拉耶斯卡壩（210.0 m）等混凝土面板壩的調(diào)查和研究，面板脫空變形普遍存在，針對面板脫空變形及裂縫的處理技術(shù)進展也備受關(guān)注。天生橋一級電站面板堆石壩運行后就出現(xiàn)面板與墊層間脫空現(xiàn)象，導致面板在局部范圍內(nèi)成為一端受約束的懸臂梁，最終呈現(xiàn)明顯的反彎點，產(chǎn)生較大的彎矩使得面板應力迅速惡化，從而導致面板表面出現(xiàn)裂縫。目前，面板脫空的成因及其影響已成為面板堆石壩建設(shè)的重要研究課題之一。

1 工程概況

夾巖水利樞紐工程（以下簡稱“夾巖工程”）大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高154 m，壩頂寬10 m，壩頂長428.93 m，最大壩寬454.085 m。大壩壩體從上游到下游分為混凝土防滲面板、墊層、過渡層、堆石區(qū)、下游框格梁植被護坡。大壩面板為C30鋼筋混凝土面板，面板底部坡比為1∶1.4，頂部坡比為1∶1.406;面板厚度0.4～0.923 m，平均厚度為0.662 m，面板內(nèi)布置雙層雙向鋼筋。

2 監(jiān)測方案及數(shù)據(jù)分析

夾巖工程面板堆石壩壩體高度達154 m，鑒于面板及壩體填筑分區(qū)比較復雜，面板采用滑模分兩期施工，其中，一期面板于2019年4月26日澆筑完成，二期面板于2020年5月10日澆筑完成。本文僅以一期面板作為研究對象來探究影響面板脫空變形的因素。

2.1 布設(shè)脫空計

在大壩面板橫左0+005、橫右0+005、橫左0+040、橫左0+072、橫右0+072共5個監(jiān)測斷面高程1 220 ～1 251 m處埋設(shè)6組脫空計。

根據(jù)脫空計的測值（見表1）情況來看，高程1 251.5 m處的5組脫空計實測脫空變形-1.12～2.64 mm，高程1 220 m處的1組脫空計實測脫空變形0.83 mm，表明面板無明顯脫空。由剪切變形觀測成果（見表2）可知，高程1251.5 m處的5組脫空計實測剪切變形4.98～19.09 mm，高程1 220 m處的1組脫空計實測剪切變形4.09 mm。典型測值變化過程線見圖1，順坡向剪切變形尚處于正常范圍內(nèi)。

2.2 布設(shè)電平器

一期面板橫左0+005斷面已完成14支電平器的埋設(shè)安裝。計算時，假定趾板處無撓曲變形，依次計算各測點傾斜量后累加，推求面板撓度。一期面板撓度分布見圖2，各測點變形量曲線見圖3。

由圖2可知：高程1 175 ～1 208 m區(qū)間，面板未出現(xiàn)明顯的上撓或下沉;高程1 208 m至頂部，面板表現(xiàn)出向上彎曲變形，整體分布規(guī)律合理。

由圖3可知：高程1 175～1 208 m區(qū)間，面板歷次撓度變形量在-1.37～1.77 mm間小幅波動;高程1 208 m至頂部，面板歷次的上撓變形量為1.08～9.46 mm，且主要發(fā)生在高程1 208～1 235 m區(qū)間。面板上撓可能是誘發(fā)面板開裂的原因之一。

2.3 布設(shè)溫度計

溫度和濕度的變化會導致混凝土內(nèi)部變形，當變形受到約束后就會產(chǎn)生應力。為準確分析面板混凝土的溫度變化，大壩面板共布置了34支溫度計，對一期面板壩軸線附近布設(shè)的3支溫度計和長度最大的面板上布設(shè)的15支自帶測溫功能的傳感器數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析。

由數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知：混凝土開倉澆筑時的氣溫在18.8℃～25℃?；炷翝仓螅療釡厣畲鬁囟?7.7℃～55.2℃，之后開始下降，并逐漸與環(huán)境溫度相當。測值變化過程線見圖4。

因此，混凝土絕熱溫升、內(nèi)外溫差及溫降引起的干縮變形和溫度應力，可能是誘發(fā)面板開裂的原因之一。

2.4 壩體布設(shè)水管式沉降儀

選取最大壩高壩橫左0+005斷面為大壩內(nèi)部變形典型監(jiān)測斷面，在高程1 218 m處布置10個水管式沉降儀測點，4個引張線水平位移計測點;在高程1 235 m處布置8個水管式沉降儀測點，4個引張線水平位移計測點;在高程1 260 m處布置6個水管式沉降儀測點，4個引張線水平位移計測點;在高程1 285 m處布置4個水管式沉降儀測點，4個引張線水平位移計測點，詳見圖5。

2.4.1 歷時沉降

高程1 218 m累計沉降為47.28～267.38 mm，月變化量為2.10～31.90 mm。實測壩體最大累計沉降為267.38 mm，位于橫左0+005、縱上0+030.051測點SG5處。

高程1 235 m累計沉降為42.77～292.27 mm，月變化量為4.24～49.44 mm。實測壩體最大累計沉降為292.27 mm，位于橫左0+005、縱0+000測點SG15處。

高程1 260 m累計沉降為110.01～383.11 mm，月變化量為11.39～84.89 mm。實測壩體最大累計沉降為383.11 mm，位于橫左0+005、縱0+000測點SG22處。

高程1 285 m累計沉降為99.31～271.46 mm，月變化量為37.89～96.89 mm。實測壩體最大累計沉降位于橫左0+005、縱下0+080測點SG28處。

2.4.2 逐月變化量

在一期面板澆筑期間，面板以下壩體月沉降量均較小，6月份大壩恢復填筑后，各測點月沉降明顯增大，且表現(xiàn)為越靠近壩軸線越大，高高程處月沉降量大于低高程處。

從一期面板開始澆筑至2019年8月21日，壩體各高程最大累計沉降為：①高程1218.00 m的最大累計沉降為108.30 mm;②高程1 235.00 m的最大累計沉降為140.93 mm;③高程1 260.00 m的最大累計沉降為228.07 mm;④高程1 285.00 m的最大累計沉降為292.78 mm，詳見表3。

3 脫空變形和面板裂縫原因分析

（1）堆石體變形過大使面板產(chǎn)生脫空。由于混凝土面板堆石壩的壩體堆石料是一種松散的結(jié)合體，具有蠕變性，雖經(jīng)反復碾壓使壩體密實，但在完成壩體填筑直至水庫蓄水前這段時間內(nèi)，水管式沉降儀監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，受自重影響大的壩堆石體仍會繼續(xù)發(fā)生沉降變形，這樣的變形極易造成面板脫空。

（2）通過對面板上布設(shè)的電平器監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，認為分期填筑施工可能導致一期面板頂部上撓，進而產(chǎn)生脫空。一期面板施工完成后，在進行二期堆石體填筑施工時，一期壩體堆石料受二期壩體繼續(xù)填筑的影響，壩體將會發(fā)生變形，隨填筑高度增加，壩體變形不斷增大，墊層表面將偏離原有的幾何表面，變形一般表現(xiàn)為中下部位有外凸趨勢，面板中下部受到外推作用力，使得一期面板上部脫離墊層表面發(fā)生上撓，進而產(chǎn)生脫空變形。

（3）通過對溫度計監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析可知：溫度變化使面板混凝土產(chǎn)生變形，而這種變形因受到約束產(chǎn)生應力，而當應力超過某一數(shù)值即會導致面板開裂。

（4）庫水位變化導致面板脫空[1]。大壩蓄水后，面板受到橫向與豎向的水壓力作用，面板下部逐漸緊貼大壩坡面，面板上部出現(xiàn)翹起現(xiàn)象，并逐漸脫離大壩坡面。在蓄水過程中，堆石體及墊層料的變形量逐漸增大，面板變形較小。在退水過程中，面板變形得到緩解，但壩體變形卻難以恢復，極易造成脫空現(xiàn)象。

（5）壩址左右岸不對稱地形、擠壓邊墻表面不平整、混凝土配合比、澆筑及養(yǎng)護等均有可能引起面板開裂。

4 應對措施

（1）在施工過程中增設(shè)監(jiān)測設(shè)施。面板脫空主要采用位移監(jiān)測法，該方法根據(jù)設(shè)計計算及施工進度安排，在堆石體沉降較大或一些典型斷面埋設(shè)。脫空計由2支大量程的位移計傳感器和固定支座組成，2支位移計和固定支座構(gòu)成一個等邊三角形。2支位移計的交點即為測點，通過將鉸支座固定在壩料的墊層區(qū)，將交點連接處的錨板澆筑在面板內(nèi)。當面板與壩體發(fā)生相對位移時，位移傳感器受到拉伸或擠壓作用，位移計活動部分伸長或壓縮，其變化量可通過固定的信號接收儀讀出，以及時了解脫空情況。該方法也存在一定弊端，面板脫空具有隨機性，難以做到儀器埋設(shè)位置恰好是脫空發(fā)生部位。

（2）加強施工過程控制。壩體填筑施工前應進行碾壓試驗，獲取合格的碾壓參數(shù)，確保壩體各個部位的填筑質(zhì)量。為滿足度汛要求，常采用大壩分期施工、分期蓄水等方式。因此，對堆石料（墊層、堆石體）的材質(zhì)和碾壓質(zhì)量需要由設(shè)計單位提出具體指標外，還需要設(shè)計合理的分期施工和分期蓄水程序，以減少面板的脫空值。有試驗研究表明，可將一期面板的澆筑高程控制在壩體一期填筑高程以下5～10 m，以便在二期面板澆筑之前，找平外露的一期壩體和部分二期壩體的上游面，再澆筑面板，這樣可將面板脫空控制在最小的范圍內(nèi)。

（3）面板脫空灌漿。在實際工程中，當脫空發(fā)生后，為不使其繼續(xù)惡化，可采用灌漿法密實面板與墊層之間的孔隙[2]。灌漿方案有：①在面板脫空部位鉆垂直孔灌漿，施工方法簡單，技術(shù)難度較低，可操作性強，但面板上鉆孔數(shù)量大，從一定角度上破壞了面板結(jié)構(gòu)，需慎重考慮該方法。②在壩頂鉆斜孔灌漿，但鉆孔難度較高，鉆孔角度需與面板平行，上部不能打到面板，下部不能穿過墊層底部，對鉆孔精度要求較高。

5 結(jié) 論

（1）夾巖工程大壩一期面板在高程1 175 ～1 208 m區(qū)間未出現(xiàn)明顯上撓或下沉，歷次撓度變形量在-1.37～1.77 mm間小幅波動;在高程1 208 m至頂部，面板表現(xiàn)為一定的上撓且主要發(fā)生在高程1 208～1 235 m區(qū)間，歷次最大上撓變形量9.46 mm。因此，面板上撓可能是誘發(fā)面板開裂的原因之一。

（2）2019年3月7日至4月26日，一期面板澆筑期間，壩前停止填筑，面板下部堆石體沉降變形量不大;2019年5月2日，恢復填筑后，面板下部堆石體沉降變形量有一定程度增大，同時大壩沉降變形逐步呈現(xiàn)中上部沉降變形大、下部小。目前堆石體最大沉降發(fā)生在約1/2壩高部位，符合一般規(guī)律。另外，目前高程1 251.5 m處的5組脫空計實測脫空變形-1.12～2.64 mm，高程1 220 m處的1組脫空計實測脫空變形0.83 mm，均未出現(xiàn)明顯脫空現(xiàn)象。

（3）一期面板混凝土開倉澆筑時的氣溫在18.8 ℃～25 ℃，澆筑期間僅個別時段氣溫達到28 ℃。澆筑后水化熱最大溫升47.7 ℃～55.2 ℃，之后開始下降，并逐漸與環(huán)境溫度相當?；炷两^熱溫升、內(nèi)外溫差及溫降引起的干縮變形和溫度應力，可能是誘發(fā)面板開裂的原因之一。

（4）工程一期面板裂縫絕大部分出現(xiàn)在Ⅱ序澆筑塊，且主要集中在高程1 190～1 230 m之間，局部存在強約束導致出現(xiàn)拉應力超限，是誘發(fā)面板開裂的原因之一。

參考文獻：

[1] 魏德榮，楊如萍，秦一海. 面板堆石壩面板脫空的溫度法監(jiān)測技術(shù)[J]. 大壩與安全，2009（2）：42-45.

[2] 沈長松，李艷麗，鄭福壽. 面板堆石壩面板脫空現(xiàn)象成因分析及預防措施[J]. 河海大學學報（自然科學版），2006（6）：635-639.

（編輯：李曉濛）