某水庫面板堆石壩混凝土面板裂縫成因分析

衡 陽，陳 強

（1.浙江省水利水電工程質量與安全管理中心，浙江 杭州 310012；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 問題的提出

面板堆石壩技術自引進以來得到快速發(fā)展，走出一條由引進到創(chuàng)新再到超越的發(fā)展之路[1]。面板堆石壩因造價低，結構簡單，安全性好，對自然條件有較強的適應性，已成為目前水利工程壩型比選的首選壩型之一[2]。面板堆石壩中，混凝土面板作為堆石壩的重要防滲主體，面板裂縫是影響其運行的重要病害，抗裂性研究始終是關鍵技術難題之一[3]。工程實踐表明，面板壩在施工及運行過程中，在壩體變形、各種外荷載、溫度應力、干縮應力及運行期水壓力等因素相互作用下，混凝土面板出現(xiàn)不同程度的裂縫問題比較普遍[4]。以某水庫面板堆石壩為研究對象，從混凝土面板施工工藝、施工環(huán)境及壩體沉降變形等綜合分析堆石壩面板裂縫產生的原因。

2 工程概況

某水庫面板堆石壩，壩頂高程337.00 m，最大壩高97.00 m，壩頂長度267.00 m，壩頂寬度10.00 m，壩前面板表面坡比為1：1.404?；炷撩姘遄畲笃麻L156.48 m，共計35 塊面板，面板厚度由庫底60 cm 漸變至壩頂40 cm，面板寬度主要分12.0，6.0，3.0，2.0 m 等4 種。其中河床部位受壓區(qū)寬12.0 m 面板7 塊，左岸坡部位受拉區(qū)板寬6.0 m 面板12 塊，寬度12.0 m 面板3 塊，寬度3.0 m面板2 塊。右岸受拉部位寬12.0 m 面板1 塊，寬度6.0 m 面板9 塊，寬度2.0 m 面板1 塊。澆筑混凝土標號為C30W10F100，二級配，普通硅酸鹽水泥，摻聚丙烯纖維。面板施工采用滑模工藝，從中間向兩側推進，分2 序跳倉澆筑，I 序為奇數倉，II 序為偶數倉。

3 混凝土面板裂縫分布

通過對大壩全部35 個面板結構塊混凝土裂縫的分布、數量、縫寬和縫深等進行調查和逐縫檢測。經匯總統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)除1、2、3、5、7、9、11、13、15、31、33、34 及35 塊面板無裂縫外，其余22 塊面板存在不同程度的裂縫。大壩混凝土面板現(xiàn)有裂縫186 條，其中70 條為面板結構塊水平向通長裂縫，面板各裂縫中，測得最大縫長為13.5 m，最小縫長為1.2 m；面板各裂縫中，縫寬大于0.2 mm 的裂縫共有110 條；測得的最大縫寬為0.6 mm，最大縫深為136 mm；其中24 號面板裂縫數最多達40 條，17 號面板次之，達27 條，12、18、22 號面板存在10 條貫通左右的水平通縫；大壩混凝土面板裂縫具體分布情況見圖1。從圖1可看出，研究區(qū)面板裂縫均為橫縫，從最大縫深看出，混凝土裂縫無貫穿縫，均為表面裂縫。

圖1 大壩混凝土面板裂縫分布情況圖

4 研究區(qū)面板裂縫成因分析

4.1 施工工藝影響分析

分析施工工藝對裂縫成因的影響，從面板澆筑倉面、入倉方式和澆筑順序角度進行分析。研究區(qū)混凝土面板中M15～M25 面板寬度為12 m，M1～M14、M26～M35 面板為6 m 及以下寬度；面板通過溜槽入倉分2 序跳倉澆筑，其中12 m 塊布置2 條溜槽，6 m 塊布置1 條溜槽，總體澆筑長度較長，溜槽布置長度較長。經統(tǒng)計得到面板澆筑倉面對應裂縫統(tǒng)計見表1，不同高程對應裂縫統(tǒng)計見表2，I 序和II 序面板裂縫統(tǒng)計見表3。

表1 面板澆筑倉面對應裂縫統(tǒng)計表

表2 面板不同高程對應裂縫統(tǒng)計表

表3 I 序和II 序面板裂縫統(tǒng)計表

由表1 可知：12 m 寬度面板與6 m 及以下寬度面板，裂縫分布占比與其面板面積占比基本接近，12 m 寬度的面板裂縫分布的密度略大，說明面板澆筑倉面的大小對裂縫產生略有影響，主要原因是12 m 寬度面板位于河床段，面板長度較長。由表2 可知：各高程裂縫分布數量較為平均，沒有明顯的中下部高程裂縫集中情況，高程290.00 m 以下的裂縫長度占比略有偏高，說明在施工時，長溜槽對裂縫產生有一定影響，雖然對溜槽進行覆蓋，但在外界環(huán)境溫度偏高以及較強日照影響下，存在混凝土水分散失加大，同時長距離輸送骨料易離析影響，造成混凝土局部不均勻；此外，12 m 寬度面板的澆筑過程中，2 條溜槽協(xié)調供料的要求較高，對工人平倉振搗及時性、均一性的要求也更高，總之12 m 寬度面板受長溜槽供料會存在影響，但根據統(tǒng)計分析結果，入倉工藝不構成面板裂縫的主要因素。

4.2 施工環(huán)境影響分析

根據研究區(qū)氣象局發(fā)布的歷史氣溫數據，在混凝土面板澆筑期間溫度變化明顯，在4 月7—10日、4 月16—20 日均出現(xiàn)較明顯的較大溫差情況，最大溫差為18℃；在5 月份后，平均氣溫上升明顯，出現(xiàn)超過30℃的天氣共計14 d，最高氣溫達到37℃，出現(xiàn)在5 月4 日，當天溫差達到17℃。根據混凝土溫控計算及參考類似工程，面板混凝土內部最大溫度出現(xiàn)在澆筑后的1.5～3.0 d，溫度應力破壞也一般在該時段內發(fā)生。因此，以面板最終澆筑完成時間節(jié)點與裂縫數量的關聯(lián)性進行分析，得到各時段裂縫統(tǒng)計分析見表4。由表4 可知：在5 月上旬氣溫高的時候面板所產生的裂縫條數及長度，都遠超于其他時段，且大于其他時段產生的總和。

表4 各施工時段裂縫統(tǒng)計分析表

考慮到研究區(qū)工程在高溫季節(jié)施工，故提前對面板混凝土施工溫度進行實時監(jiān)測，每塊面板內埋設1～2 個測點，其中19 號塊為3 個測點，每個測點有2 支溫度計，分別安裝在面板表面以下7 cm處和面板厚度中心處，埋設分布見圖2。

根據具體監(jiān)測成果對典型面板M7，M9，M11，M17，M18，M19，M20，M21，M22，M23，M24，M25 溫度情況進行統(tǒng)計分析。各典型面板溫度數據統(tǒng)計分析成果見表5。

表5 各典型面板溫度數據分析表

由表5 可知，M7～M11 面板未出現(xiàn)裂縫，混凝土澆筑主要集中在4 月初，此時混凝土入倉時的環(huán)境溫度相對較低，同時后期混凝土內部平均最高溫度相比較其他面板也較低。M17～M25 面板裂縫的條數、長度基本與混凝土最高溫度呈正相關性，可以看出，裂縫較多的II 序塊混凝土內部最高溫度均較高。在5 月平均氣溫上升的情況下，II 序塊入倉溫度較高，且受環(huán)境溫度影響，混凝土內部水化反應加劇，溫升發(fā)展速度較快，在1.0 d 左右內即可達到峰值，而此時混凝土的容許抗拉強度極低，極易受到溫度應力的破壞。

5 面板裂縫成因分析

（1）本工程面板混凝土施工時間為2020 年3月22 日—5 月19 日，期間壩區(qū)最高氣溫37℃，最低氣溫7℃，氣溫變化大，日溫差大，且面板混凝土屬于典型的薄型長條板狀結構，長、寬、厚三向尺寸相差懸殊，使得面板混凝土易產生裂縫，完全避免面板混凝土裂縫較為困難。

（2）從面板混凝土的施工工藝看，面板澆筑倉面的大小與入倉方式導致局部骨料離析和水分散失大等問題對面板裂縫的產生具有一定影響，但與裂縫的產生關聯(lián)性較小。

（3）從大壩面板裂縫分布以及特征看，裂縫主要集中在II 序塊，呈水平向分布，與II 序塊澆筑時環(huán)境溫度關聯(lián)性較為明顯，可見環(huán)境氣溫是面板裂縫產生的主要原因。根據溫度監(jiān)測情況看，面板混凝土內部溫度在1.5 d 已達到峰值，3.0 d 內產生溫度引起的收縮性裂縫。同時面板混凝土澆筑定在環(huán)境溫度為10℃～20℃的時段內，將有利于裂縫的控制，面板混凝土澆筑應盡可能避開夏季高溫時段。

6 結語

面板裂縫均為表面橫縫，無貫穿裂縫，主要集中在II 序塊面板；氣溫環(huán)境是面板裂縫產生的主要原因，面板裂縫的條數、長度基本與混凝土內部最高溫度呈正相關性，且II 序塊緊跟I 序塊施工，II 序塊受I 序塊兩側約束，散熱條件較差，使得II 序塊內部溫度進一步提高，加劇面板裂縫的產生?；炷撩姘逅a生的裂縫與澆筑時的氣溫環(huán)境密切相關，選擇適宜的氣溫環(huán)境將有利于混凝土面板的裂縫控制。