混凝土面板堆石壩面板裂縫成因與防治
混凝土面板堆石壩面板裂縫成因與防治
豐啟順
摘 要：混凝土面板堆石壩由于受工程地質、壩址地形等因素影響小，工程造價低，較高的安全性、可觀的經濟性和良好的適應性、工期短、施工簡化，在水利水電工程中應用越來越廣泛。堆石壩面板作為工程的主要防滲體，在工程功能、安全上起到至關重要的作用，但都存在或多或少的面板裂縫，影響防滲效果和使用壽命。本文就混凝土面板堆石壩面板裂縫的產生原因及其控制措施進行簡單總結，為堆石壩混凝土面板施工時減少或避免裂縫產生的可能性提供參考。
關鍵詞：面板堆石壩，混凝土面板，裂縫成因，裂縫防治
1 混凝土面板裂縫產生的成因
影響堆石壩混凝土面板發(fā)生裂縫的因素很多。如堆石體的沉降變形及混凝土面板下的墊層約束；混凝土面板的施工季節(jié)、溫度控制措施以及養(yǎng)護情況；倉面施工工藝、混凝土的澆筑質量、原材料的性質和質量；混凝土配合比的水灰比和用水量，外摻粉煤灰及其品質和用量，摻外加劑的種類和性質等方面，都會直接或間接地影響混凝土面板裂縫的發(fā)生與發(fā)展。
因此混凝土面板裂縫的產生原因是多方面的，但是以下兩方面的原因起了決定性的作用。
作者簡介:豐啟順(1976—),男,貴州興義人,工程師,從事工程質量監(jiān)督、檢測、試驗工作。
1.1 結構性裂縫
結構性裂縫主要是面板在外力作用下產生的裂縫，成因主要是由于堆石壩面板支撐體在自重和施工期反向水壓力等外荷載作用下，產生不均勻的沉降和水平位移，導致面板和墊層之間脫空，改變了面板以承壓為主的力學模型而發(fā)生裂縫。
根據(jù)工程實踐總結，結構性裂縫按其出現(xiàn)的位置可分為：（1）周邊縫附近平行趾板的彎曲性裂縫，不同高度的壩都曾出現(xiàn)，主要由堆石薄、地基不平整、堆石厚度變化大引起的；（2）中央頂部彎曲性水平裂縫，都出現(xiàn)在高壩，距壩頂（0.15～0.20）H，發(fā)生的原因是堆石徐變產生面板的脫空趨勢；（3）中央頂部拉伸性水平裂縫，距壩頂（0.20～0.30）H，由上下游堆石的沉降差引起。
1.2 非結構性裂縫
混凝土面板收縮變形引起的開裂，面板混凝土由于自身和環(huán)境的變化等因素要產生收縮變形，當面板收縮變形受到內、外約束的限制時，在面板內產生拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時就會產生裂縫。這種裂縫的產生不僅與收縮變形大小有關，而且與約束的強弱有關。這類裂縫也稱為面板混凝土自身裂縫，主要可分為以下三種類型：
（1）混凝土澆筑完畢水分過早蒸發(fā)而導致的收縮裂縫；這類裂縫多呈水平分布，且裂縫間距大小不一。
（2）面板混凝土由于厚度較小，暴露面大，對環(huán)境溫度變化比較敏感�；炷帘旧磲尫懦龃罅康乃療幔鸹炷僚蛎�，混凝土內部與外界溫差過大而引起的溫差裂縫，如季節(jié)溫差、晝夜溫差。
（3）高齡期水化熱溫降階段混凝土收縮而引起的干縮裂縫。
2 混凝土面板裂縫防治
2.1 支撐混凝土面板的堆石體質量控制
混凝土面板是澆筑在墊層坡面上的薄板，面板裂縫受壩體某部位隨地基不均勻沉降或局部填筑密度不夠而導致的不均勻沉降影響。壩體填筑盡量采用全斷面平起填筑的方式,以避免先、后填部分之間產生不均勻沉降。大壩填筑碾壓前必須作碾壓試驗，填筑碾壓中對施工參數(shù)及壓實效果嚴格控制，結合挖坑檢測進行雙重控制。同時安設觀測儀器進行定期和重點部位沉降觀測。在混凝土面板施工前,要保證填筑壓實并經過一定時間的自然沉降穩(wěn)定后再進行，沉降一般為3個月。
2.2 面板混凝土下部的墊層控制
混凝土收縮變形受到約束形成拉應力,拉應力過大就會形成裂縫,因此要減少墊層的約束。在面板混凝土下部的墊層進行低強度、低彈模的面層防護措施，如碾壓砂漿護坡、噴乳化瀝青、擠壓邊墻等來減少基礎約束和應力；減少或在澆筑混凝土時割除掉面板架立鋼筋；避免出現(xiàn)局部的凸凹不平或護坡表面粗糙造成面板柔性降低而降低其抗拉能力。
2.3 面板的合理分縫及合理的配置鋼筋
根據(jù)面板的受力特點，受拉區(qū)面板宜采用窄型板，并設置張性縫;受壓區(qū)面板宜采用寬型板，并設置壓性縫。此外，在面板受拉區(qū)、壓應力較大部位、周邊縫等重點部位應布置雙層鋼筋，提高面板適應變形的能力。
2.4 試驗論證，優(yōu)化配比
混凝土原材料的優(yōu)劣及其配合比的優(yōu)選，對面板的抗裂性能影響較大。因此，必須從面板混凝土原材料選擇方面作大量的對比試驗。
2.4.1 外加劑的選擇
通常在面板混凝土配合比中摻減水劑和引氣劑，提高混凝土的和易性、不透水性和抗裂性。但不同品牌的外加劑在面板混凝土中的抗裂性能也有較大差別。所以，在混凝土面板施工以前，應結合設計、施工對面板混凝土的其它要求，選用多個品牌的外加劑進行配合比試驗，從中選出滿足設計和施工以及對面板抗裂最為有利的外加劑。?
2.4.2 水泥的選擇
面板混凝土應選用干縮小、水化熱低且不摻或少摻礦渣活性材料的的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。水泥標號的選用宜高不宜低。因在配制相同強度等級的混凝土時，用高標號比用低標號要少用水泥，對混凝土減少干縮有利。故有條件的工程，特別是高壩應盡量選用P•042.5MPa的水泥或更高強度等級水泥來配制面板混凝土。?
2.4.3 摻加優(yōu)質粉煤灰
優(yōu)質粉煤灰中含有大量微珠顆粒，摻入混凝土中能減少水泥的需水量，除使混凝土面板抗?jié)B性能大幅度提高外，還可減少干縮，從而提高抗裂性能。
隨著認識的不斷深入，加之粉煤灰收集工藝的提高，現(xiàn)在面板混凝土中摻入適量的優(yōu)質粉煤灰已較為普遍。國內已建或正在修建的面板堆石壩工程中，就有在面板中摻加15％～30％的優(yōu)質粉煤灰以替代部分水泥的例子，如省內松桃道塘水庫堆石面板壩、羅甸雙河口電站、盤縣白河溝水庫等面板混凝土均摻加優(yōu)質粉煤灰。
2.4.4 粗細骨料的選擇
為減少面板混凝土因溫度和干縮產生的拉應力，提高其抗裂性，應盡量采用熱膨脹系數(shù)小的母巖生產的人工骨料或天然骨料，使因溫度變化而引起的拉應力和拉應變盡量的小。關于砂的粗細程度，規(guī)范規(guī)定細度模數(shù)在2.5～2.8的砂為宜。
2.5 面板混凝土生產、運輸、澆筑的質量控制
在混凝土生產時，必須保證水泥、水、砂石、外加劑稱量準確，才能保證生產出的混凝土質量合格和穩(wěn)定。在運送過程中盡量減少轉運次數(shù)和時間，及時在最短的時間內將砼入倉澆筑，并及時振搗，以使混凝土密實并緊貼墊層。鋪料間隙時間要符合要求，以免造成施工冷縫而留下產生裂縫隱患。
2.6 混凝土澆筑工藝的控制
在混凝土澆筑過程中嚴格按照規(guī)范規(guī)定的滑行速度范圍內滑模,可減少滑行拉裂的發(fā)生。滑升速度過小,易發(fā)生粘連使混凝土拉裂�；羞^遲也會造成模體與混凝土的損傷。在電力行業(yè)執(zhí)行標準DL/T5128-2001中就有對滑行速度的規(guī)定“平均滑升速度1.5m～2.5m/h”。
2.7 面板施工時段的選擇
面板澆筑時環(huán)境溫度高導致混凝土溫度高，使表面水分急劇蒸發(fā)。為減少未凝固混凝土水分過多地蒸發(fā)，防止面板開裂，面板的最佳施工溫度應控制在22℃左右，濕度應控制在70％以上。
2.8 混凝土面板養(yǎng)護措施
養(yǎng)護好的混凝土面板，除強度增長較快外，還可降低因干縮產生裂縫的程度。實驗表明，養(yǎng)護濕度為70％的混凝土較養(yǎng)護濕度為90％的混凝土所測各齡期干縮大，其平均值前者是后者的近兩倍。
混凝土面板的養(yǎng)護，拉模抹面處理后覆蓋草(麻)袋并灑水養(yǎng)護。在壩頂安裝一根灑水花管連續(xù)自流灑水，養(yǎng)護至水庫蓄水。?
2.9 壩體內水壓力控制
砼面板澆筑完成，形成防水帷幕后必須控制上、下游水位差，在設計上須采取設置反壓排水管，保證蓄水前排水通暢，上游水位高于下游，否則會發(fā)生面板裂縫，甚至脫空、折斷等。因為砼面板為長條薄壁結構，又不能受到墊層的約束，主要承受向下的水壓力。當砼面板形成防水帷幕后，壩體下游及兩岸邊坡地表水下滲將對砼面板產生向上的推力時，一旦內水壓力達到一定程度，產生的推力會使砼面板產生裂縫，甚至折斷。如獨山譚堯水庫在反壓排水管關閉后，造成周邊縫漏水；桐梓縣天門河水庫汛期下游水位高于上游水位后，上游處于臨空的面板產生斷裂和變形。
3 天門河水庫砼面板壩的裂縫和變形處理實例
砼面板出現(xiàn)裂縫時，應針對產生原因，采取相應的處理措施進行處理。下面介紹混凝土面板堆石壩面板裂縫的成功處理實例。
天門河水庫工程上游砼面板，于2003年6月24日共完成B1、B3～B10塊砼面板澆筑。由于資金問題剩下B2、B11、B12、B13四塊面板未澆筑即停工。
2007年元月該工程恢復施工前，對已澆筑成的9塊砼面板裂縫及脫空檢查發(fā)現(xiàn)面板裂縫共計73條，縫長0.5m～15m不等，其中大于0.2mm的21條（高程▽963.50m以上8條），小于0.2mm的52條。其中高程▽963.5m以下約1m范圍內有平行于壩軸線的橫向裂縫，縫寬0.5mm～7mm、縫長0.5m～15m，且為貫穿性裂縫。面板裂縫分布見下圖。
經現(xiàn)場觀測和觀測數(shù)據(jù)分析：在工程停工期間汛期，下游水位上漲和周邊大量地表水下滲，造成下游水位高于上游水位，在壩體內形成較大的反向滲水壓力，上游處于臨空的面板產生斷裂和變形的主要原因。
3.1 面板裂縫和變形的處理
3.1.1 小于0.2mm的裂縫處理
裂縫表面清理后，用角向磨光機對裂縫兩側各10cm范圍進行打磨，除去表面的浮塵和雜質后，刮涂2道PUA涂料進行處理。
3.1.2 大于0.2mm的裂縫處理
裂縫表面清理后，用角向磨光機對裂縫兩側各10cm范圍進行打磨，除去表面的浮塵和雜質后，用HK—61低粘度環(huán)氧粘帖灌漿合，灌漿合間距為20～50cm。再用環(huán)氧涂料刷涂整條縫面兩遍，以封閉裂縫表面。待封縫材料達到一定強度后，自下而上灌注HK—G環(huán)氧灌漿液，灌漿壓力控制在0.3～0.5MPa,直到不再有漿液灌入，屏漿5min后停止灌漿。
3.2 處理效果
面板和趾板砼裂縫處理完成后，遭遇了三十年一遇的洪峰。在洪水過后，對大壩進行全面檢查，砼面板和趾板都完好無損。壩內埋設的觀測儀器顯示，大壩一切正常，觀測數(shù)據(jù)都在正常范圍。說明處理效果明顯。
4 總結
混凝土面板被廣泛應用于各種水利水電工程中，但它受到較多因素和環(huán)節(jié)的影響極易產生裂縫，目前技術措施或手段還不能避免或杜絕面板裂縫的產生。裂縫易引起滲漏，小則影響蓄水，大則影響到大壩和人民生命財產的安全。
因此防止混凝土面板裂縫就成為面板堆石壩的關鍵問題，需要從事該項工程的設計、施工、檢測試驗等人員的不斷探索和研究，認真分析面板裂縫產生原因，針對產生原因尋找更多的科學、合理的防治措施。
