高海拔地區(qū)面板堆石壩面板混凝土研究

唐光雯

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰，611830)

0 引言

古瓦水電站位于四川省甘孜州鄉(xiāng)城縣境內，是碩曲河干流鄉(xiāng)城、得榮段“一庫六級”梯級開發(fā)方案的“龍頭水庫”電站，首部樞紐為面板堆石壩，壩頂高程3402.00m，最大壩高139.0m，壩頂長313.16m，面板混凝土工程量2.1萬m3，是已建成的海拔最高的150m級面板堆石壩。中國水利水電第十工程局有限公司作為土建承包商承建了該工程。

古瓦大壩工程區(qū)位于高海拔地區(qū)，氣候寒冷，晝夜溫差大，混凝土施工環(huán)境復雜，對面板混凝土施工有諸多不利影響。本文對高海拔地區(qū)面板混凝土存在的問題進行分析，提出了應對方案，并通過實驗和施工進行了驗證和研究，驗證了相關措施的有效性，并將相關研究成果用于指導施工，取得了良好效果。

1 高寒高海拔地區(qū)大壩面板混凝土容易出現的問題

1.1 溫度裂縫

溫度應力是高寒高海拔地區(qū)混凝土面板裂縫的主要因素，混凝土在澆筑后，由于水化熱產生溫度上升，并造成混凝土體積膨脹，混凝土初期處于塑性狀態(tài)，其彈性模量較低，這種膨脹不會在初期產生應力；當混凝土溫度達到高峰后，其水化和硬化雖然還在繼續(xù)，但其彈性模量已經升高，硬化后的混凝土溫度會有一個逐漸冷卻的過程，溫度逐步回歸到環(huán)境溫度，這個過程中，混凝土溫度降低體積縮小，在外界約束下就會產生拉應力。

同時，在高海拔地區(qū)，水位附近的混凝土面板位于空氣與水的交界面上，在冬季低溫時水面以上面板混凝土溫度較低，而在水位以下受庫水溫度影響，面板混凝土溫度相對較高，則在交界面上面板混凝土的溫度梯度較大，從而容易產生較大的溫度拉應力。當氣溫很低或者受到強烈寒潮影響時，該處的溫度梯度顯著增大，溫度拉應力也隨著增加，易發(fā)生面板混凝土開裂的現象[1]。

古瓦大壩工程區(qū)位于海拔3400m的高海拔地區(qū)，冬季極端低溫達到-20℃以下，無論上述哪種情況，都容易產生溫度應力，造成面板開裂。

1.2 干縮裂縫和溫度裂縫

干縮是高寒高海拔地區(qū)混凝土裂縫的另一主要原因。高海拔地區(qū)，水的沸點顯著降低，蒸發(fā)加快，混凝土表面可能產生收縮。早期混凝土水分的蒸發(fā)超過泌水上升到表面的速度，容易引起混凝土固、液、氣三項的體積變化，三項體積的改變通常會引起收縮，產生表面拉應力，由于早期混凝土抗拉強度幾乎為零[2]，這種干縮引起的拉應力通常造成表面裂縫。

古瓦大壩工程區(qū)附近沸點較低，在87℃～88℃，蒸發(fā)快，風速高，空氣濕度小，且面板混凝土采用C30F300W12，混凝土的水灰比小于0.4，水泥用量大，混凝土水化熱總量高，容易造成水分蒸發(fā)而引起干縮裂縫。干縮裂縫在高海報地區(qū)容易放大和加劇凍融破壞，對面板混凝土耐久度造成極大影響。

2 問題的應對方案

2.1 使用中熱水泥

中熱水泥相比普通水泥，其水化熱總量降低，水化熱釋放更為平緩，能有效降低終凝前的混凝土溫度，減少混凝土中水分的蒸發(fā)，降低水分損失，有效避免或減少表面干縮裂縫。同時降低水化熱有利于控制混凝土的最高溫度，防止混凝土內外溫差過大產生裂縫。

2.2 摻入粉煤灰

由于項目抗凍等級采用F300，面板混凝土中膠凝材料用量較大，混凝土中摻入25%粉煤灰能有效降低混凝土水化熱和改善混凝土和易性。

摻入粉煤灰后，一般情況下會降低混凝土的抗凍性，但在摻入引氣劑達到一定含量的條件下，混凝土仍能滿足抗凍性設計要求，同時摻入粉煤灰后混凝土早期強度較低，需要加強早期的養(yǎng)護。

2.3 添加聚丙烯纖維

在混凝土中摻入聚丙烯纖維后，其早期防裂效果隨著摻量的增加而顯著增加，當纖維摻入量達到0．6kg/m3時，其防裂效果已經表現得很明顯；當纖維摻入量達到0．9kg/m3時，其防裂效果很顯著[3]。混凝土的極限拉升值也可以提高5%至10%。摻聚丙烯纖維使混凝土抗裂能力有一定提高，阻止裂縫擴展的能力增長顯著。[4]

2.4 選擇施工時段

根據研究，古瓦大壩面板混凝土施工的最佳溫度在22℃，結合大壩防汛，將面板分期進行施工，選擇在4-5月和9-10月進行混凝土施工，既能避免夏季高溫引起混凝土表面裂縫，又能避免冬季低溫引起混凝土早凍。

2.5 加強養(yǎng)護

收面結束后及時采用薄膜覆蓋，進行保水養(yǎng)護，防止新澆混凝土表面水分損失過快，避免因為蒸發(fā)而產生干縮裂縫。終凝后，在混凝土表面覆蓋無紡布進行保濕養(yǎng)護，可以很好地保持混凝土表面濕度，減少裂縫產生。

3 實驗驗證

3.1 實驗驗證聚丙烯纖維對混凝土抗裂性能的影響

在研究過程中，對面板混凝土添加聚丙烯纖維的混凝土力學性能進行實驗驗證。實驗結合混凝土面板施工的實際情況，選取C30F300W12常態(tài)混凝土和泵送混凝土兩個標號，分別進行了添加聚丙烯纖維物理指標驗證實驗，其實驗結果如表1所示。

表1 混凝土物理指標實驗成果

根據實驗結果對比，添加聚丙烯纖維0.9kg后，可以顯著改善混凝土抗拉物理性能，其抗拉強度可以提高5%至10%，其抗裂系數可以提高30%左右。

3.2 實驗驗證摻加粉煤灰對抗凍性和抗?jié)B的影響

表2 混凝土抗凍實驗結果

實驗結果表明，適量加入引氣劑的情況下，摻加粉煤灰不會造成混凝土抗凍性能和抗?jié)B性能不滿足質量要求的情況。

4 古瓦大壩施工中的質量控制

古瓦大壩混凝土面板在2019年至2020年份兩期完成了施工，混凝土摻加聚丙烯纖維、采用中(低)熱水泥、摻加高品質粉煤灰進行混凝土配合比拌制，通過以上三種措施對混凝土性能進行改善，聚丙烯纖維摻量為0.9kg/m3，膠泥材料控制在350kg/m3，粉煤灰摻量控制在25%。

混凝土面板采用無軌滑模跳倉澆筑，攪拌運輸車運輸，半封閉式溜槽入倉，滑模上升速度控制在1.2m/h?；炷灵_倉澆筑前，要對拌和用水相應的加溫實際情況、拌和站相關升溫設施以及骨料加熱狀況等實施檢查，動態(tài)控制，有效保障混凝土實際入倉溫度高于低溫季節(jié)施工相應的最低入倉溫度。

澆筑過程中，根據面板高程對混凝土塌落度進行動態(tài)控制，保證混凝土順利入倉，避免骨料分離。混凝土入倉后及時平倉振搗，混凝土每上升30cm，滑模兩側的10t卷揚機控制滑模上升一次，下料強度保證脫模時間保持良好的適應性。脫模后的混凝土及時收面，當平整度超過5mm，進行二次收面保證混凝土外觀質量。

混凝土澆筑后，立即用PE膜進行覆蓋，確保覆蓋嚴密性，防止水分大量蒸發(fā)。收面完成后用無紡土工布對面板表面進行覆蓋，保溫保濕養(yǎng)護。

養(yǎng)護完成后，通過超聲波雷達檢測，未發(fā)現脫空跡象，混凝土澆筑密實。古瓦水電站于2020年11月通驗收并下閘蓄水。

5 結論

通過研究及過程中的試驗驗證、施工后的質量檢測，得到了以下結論：

(1)摻加聚丙烯纖維對改善面板混凝土抗裂性能效果明顯，極為有利；

(2)通過使用中熱水泥和摻加粉煤灰，能夠改善面板混凝土的熱力學性能，避免產生溫度裂縫和干縮裂縫，有利于高海拔地區(qū)面板混凝土抗裂；

(3)摻加粉煤灰的同時合理地使用引氣劑，面板混凝土可以滿足抗凍性能和防滲性能要求。