堆石壩面板裂縫成因分析

高 珊

（上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

混凝土面板堆石壩具有工程造價(jià)少、工程量相對(duì)較小、對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)較好、施工相對(duì)比較方便、壩體穩(wěn)定性較好等特點(diǎn)，因此被大范圍應(yīng)用于水電工程中［1-2］。對(duì)于完整的面板堆石壩來說，壩體的混凝土面板、防滲墻、防滲帷幕等構(gòu)成完整的防滲系統(tǒng)，當(dāng)整個(gè)防滲系統(tǒng)正常工作時(shí)，就可保證大壩防滲安全。然而，在面板堆石壩快速發(fā)展的過程中卻仍然面臨著許多實(shí)際問題，主要集中在面板由于溫度應(yīng)力、干縮應(yīng)力、壩體變形等原因引起的大量裂縫，導(dǎo)致壩體發(fā)生滲漏，威脅大壩的安全［3-7］。例如我國西北口面板堆石壩澆筑完混凝土面板后，第一次檢查中發(fā)現(xiàn)面板存在少量裂縫，第二次檢查中發(fā)現(xiàn)253條裂縫，其中有135 條裂縫的寬度超過0.3 mm，最大裂縫寬度達(dá)1.2 mm［8,9］。墨西哥的Aguamilpa 大壩由于面板上的水平裂縫，滲漏量達(dá)257.7 L/s［10］。因此，混凝土面板作為面板堆石壩的重要防滲結(jié)構(gòu)，其對(duì)壩體安全性和穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。

此前整體對(duì)大量工程中混凝土面板出現(xiàn)裂縫的特點(diǎn)及規(guī)律研究依然有限，因此本文詳細(xì)介紹了混凝土面板堆石壩面板裂縫成因，統(tǒng)計(jì)歸類世界范圍內(nèi)混凝土面板堆石壩的面板裂縫特性，包括面板開裂原因、位置及階段，并對(duì)其特點(diǎn)及規(guī)律進(jìn)行深入分析。

1 面板裂縫成因

對(duì)于面板堆石壩來說，面板裂縫通常分為兩類裂縫，一類為結(jié)構(gòu)性裂縫，主要原因?yàn)閴误w的不均勻變形和沉降。另一類為非結(jié)構(gòu)裂縫，原因較多，主要包含溫度應(yīng)力、干縮應(yīng)力及施工原因等［11］。也有大多數(shù)面板裂縫都同時(shí)包含結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫，即在實(shí)際工程中，面板裂縫是由于多種原因共同造成的。

1.1 壩體的不均勻變形和沉降

由于壩體不均勻的變形和沉降所造成的面板裂縫稱為結(jié)構(gòu)性裂縫，通常在這種情況下，由于壩體變形造成面板與墊層之間出現(xiàn)脫空及面板與墊層的約束程度過高，當(dāng)面板所產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一些結(jié)構(gòu)性裂縫。

1.2 溫度應(yīng)力

由于溫度應(yīng)力而造成的裂縫稱為非結(jié)構(gòu)性裂縫。由于溫度改變，混凝土?xí)鄳?yīng)出現(xiàn)膨脹或收縮，這種現(xiàn)象即為混凝土的溫度變形?；炷猎跍囟雀淖兊挠绊懴掳l(fā)生相應(yīng)變形，當(dāng)這種由于溫度所產(chǎn)生的變形表現(xiàn)為收縮，外界和自身也都會(huì)對(duì)混凝土進(jìn)行約束，此時(shí)會(huì)引起混凝土產(chǎn)生較大的溫度變形應(yīng)力，當(dāng)大于它的允許抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)造成混凝土出現(xiàn)裂縫。溫度改變是造成混凝土產(chǎn)生溫度變形的關(guān)鍵原因。

1.3 干縮應(yīng)力

由于干縮應(yīng)力所造成的裂縫稱為非結(jié)構(gòu)性裂縫。混凝土的拌合水通常被分為兩部分，其中用于水泥水化的占拌合水的五分之一，被蒸發(fā)的水分會(huì)占拌合水的五分之四，這種情況就會(huì)造成體積收縮，即為干縮現(xiàn)象。在水泥骨架的形成過程中，會(huì)發(fā)生水泥和水的水化且慢慢硬化，在這個(gè)過程中它會(huì)慢慢緊縮出現(xiàn)體積收縮的現(xiàn)象，即為凝縮現(xiàn)象。因此，混凝土的干縮現(xiàn)象和凝縮現(xiàn)象都稱為混凝土的收縮現(xiàn)象。

1.4 施工原因

面板混凝土施工的強(qiáng)度未達(dá)到規(guī)定要求時(shí)就會(huì)產(chǎn)生施工冷縫，這種冷縫主要是由于施工不合理造成的。施工冷縫通常出現(xiàn)在氣溫過高時(shí)進(jìn)行面板施工及澆筑面板和制作混凝土的距離過遠(yuǎn)。另外，在施工過程中面板局部也會(huì)出現(xiàn)裂縫，這種裂縫主要是由于混凝土的骨料發(fā)生分離現(xiàn)象或沒有振搗密實(shí)造成。

2 案例統(tǒng)計(jì)分析

由于溫度應(yīng)力、干縮應(yīng)力、壩體不均勻變形及施工等原因，國內(nèi)外眾多面板堆石壩都出現(xiàn)面板破損、大量裂縫等問題。本文收集大量面板堆石壩面板開裂信息，但限于篇幅，僅列出部分案例。面板裂縫通常包含結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫，因此面板裂縫為結(jié)構(gòu)性裂縫的統(tǒng)計(jì)，如表1；面板裂縫為非結(jié)構(gòu)性裂縫的統(tǒng)計(jì)，如表2；面板裂縫同時(shí)有包含結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫的統(tǒng)計(jì)，如表3。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，國內(nèi)外建造完成的多座面板堆石壩在面板施工期、水庫蓄水期及后期運(yùn)行期都出現(xiàn)裂縫。這些裂縫存在會(huì)對(duì)大壩安全構(gòu)成威脅，因此面板開裂問題引起國內(nèi)外壩工界的高度關(guān)注。

表1 面板堆石壩面板結(jié)構(gòu)性裂縫統(tǒng)計(jì)

表2 面板堆石壩面板非結(jié)構(gòu)性裂縫統(tǒng)計(jì)

表3 面板堆石壩面板結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性裂縫統(tǒng)計(jì)

由表1～表3 統(tǒng)計(jì)結(jié)果得到面板開裂原因如圖1，面板開裂階段如圖2，大多數(shù)面板堆石壩的面板裂縫都發(fā)生在面板施工后，這類裂縫通常為非結(jié)構(gòu)性裂縫。也有部分面板堆石壩在施工期、蓄水前后、蓄水期及蓄水運(yùn)行期產(chǎn)生裂縫，裂縫呈現(xiàn)出逐漸增多的趨勢。

圖1 面板開裂原因統(tǒng)計(jì)

圖2 面板開裂階段統(tǒng)計(jì)

面板開裂位置如圖3，面板裂縫形態(tài)如圖4，面板堆石壩的面板裂縫基本呈水平狀，如圖5，另外有極少數(shù)面板堆石壩的裂縫呈縱向、斜向和網(wǎng)狀。

圖3 面板開裂空間位置統(tǒng)計(jì)

圖4 面板裂縫形態(tài)統(tǒng)計(jì)

大多數(shù)工程的面板裂縫都是非結(jié)構(gòu)性裂縫或兩類裂縫都存在，規(guī)律如下：

（1）混凝土面板裂縫的形態(tài)基本都是水平裂縫，這種水平形態(tài)的裂縫通常橫穿過相鄰垂直縫之間整個(gè)面板板塊的寬度。

（2）大多數(shù)的裂縫集中在面板中間比較長的板塊的中部和下部，出現(xiàn)在上部的裂縫比較少，僅有很少的裂縫會(huì)出現(xiàn)在靠近岸邊的左右兩側(cè)面板板塊。

（3）大多數(shù)裂縫是在面板澆筑后開始出現(xiàn)，這類裂縫大多數(shù)出現(xiàn)在面板中下部，且大部分是由于溫度應(yīng)力和干縮應(yīng)力造成的，還有一些裂縫是由于施工原因等造成的。

（4）裂縫大多貫穿混凝土面板整個(gè)厚度，貫穿裂縫對(duì)大壩造成較大影響，細(xì)微裂縫對(duì)大壩的影響較小。

而面板僅出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫的較少，這類裂縫大多出現(xiàn)在面板下部及周邊區(qū)域，且由于堆石的不均勻變形造成。

3 結(jié)語

（1）詳細(xì)介紹面板堆石壩面板裂縫成因，并統(tǒng)計(jì)歸類國內(nèi)外大量實(shí)例工程中面板裂縫相關(guān)信息，包括面板開裂的原因、位置及階段。

（2）對(duì)面板堆石壩面板開裂的位置、階段、形態(tài)與開裂原因之間關(guān)系進(jìn)行深入分析，可為相關(guān)工程提供參考，但因案例有限，后續(xù)會(huì)繼續(xù)對(duì)更多工程進(jìn)行總結(jié)分析。