混凝土面板堆石坝面板裂缝成因与防治

混凝土面板堆石坝面板裂缝成因与防治
丰启顺
摘要：混凝土面板堆石坝由于受工程地质、坝址地形等因素影响小，工程造价低，较高的安全性、可观的经济性和良好的适应性、工期短、施工简化，在水利水电工程中应用越来越广泛。堆石坝面板作为工程的主要防渗体，在工程功能、安全上起到至关重要的作用，但都存在或多或少的面板裂缝，影响防渗效果和使用寿命。本文就混凝土面板堆石坝面板裂缝的产生原因及其控制措施进行简单总结，为堆石坝混凝土面板施工时减少或避免裂缝产生的可能性提供参考。
关键词：面板堆石坝，混凝土面板，裂缝成因，裂缝防治
1 混凝土面板裂缝产生的成因
影响堆石坝混凝土面板发生裂缝的因素很多。如堆石体的沉降变形及混凝土面板下的垫层约束；混凝土面板的施工季节、温度控制措施以及养护情况；仓面施工工艺、混凝土的浇筑质量、原材料的性质和质量；混凝土配合比的水灰比和用水量，外掺粉煤灰及其品质和用量，掺外加剂的种类和性质等方面，都会直接或间接地影响混凝土面板裂缝的发生与发展。
因此混凝土面板裂缝的产生原因是多方面的，但是以下两方面的原因起了决定性的作用。

作者简介:丰启顺(1976—),男,贵州兴义人,工程师,从事工程质量监督、检测、试验工作。
1.1 结构性裂缝
结构性裂缝主要是面板在外力作用下产生的裂缝，成因主要是由于堆石坝面板支撑体在自重和施工期反向水压力等外荷载作用下，产生不均匀的沉降和水平位移，导致面板和垫层之间脱空，改变了面板以承压为主的力学模型而发生裂缝。
根据工程实践总结，结构性裂缝按其出现的位置可分为：（1）周边缝附近平行趾板的弯曲性裂缝，不同高度的坝都曾出现，主要由堆石薄、地基不平整、堆石厚度变化大引起的；（2）中央顶部弯曲性水平裂缝，都出现在高坝，距坝顶（0.15～0.20）H，发生的原因是堆石徐变产生面板的脱空趋势；（3）中央顶部拉伸性水平裂缝，距坝顶（0.20～0.30）H，由上下游堆石的沉降差引起。
1.2 非结构性裂缝
混凝土面板收缩变形引起的开裂，面板混凝土由于自身和环境的变化等因素要产生收缩变形，当面板收缩变形受到内、外约束的限制时，在面板内产生拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时就会产生裂缝。这种裂缝的产生不仅与收缩变形大小有关，而且与约束的强弱有关。这类裂缝也称为面板混凝土自身裂缝，主要可分为以下三种类型：
（1）混凝土浇筑完毕水分过早蒸发而导致的收缩裂缝；这类裂缝多呈水平分布，且裂缝间距大小不一。
（2）面板混凝土由于厚度较小，暴露面大，对环境温度变化比较敏感。混凝土本身释放出大量的水化热，引起混凝土膨胀，混凝土内部与外界温差过大而引起的温差裂缝，如季节温差、昼夜温差。
（3）高龄期水化热温降阶段混凝土收缩而引起的干缩裂缝。
2 混凝土面板裂缝防治
2.1 支撑混凝土面板的堆石体质量控制
混凝土面板是浇筑在垫层坡面上的薄板，面板裂缝受坝体某部位随地基不均匀沉降或局部填筑密度不够而导致的不均匀沉降影响。坝体填筑尽量采用全断面平起填筑的方式,以避免先、后填部分之间产生不均匀沉降。大坝填筑碾压前必须作碾压试验，填筑碾压中对施工参数及压实效果严格控制，结合挖坑检测进行双重控制。同时安设观测仪器进行定期和重点部位沉降观测。在混凝土面板施工前,要保证填筑压实并经过一定时间的自然沉降稳定后再进行，沉降一般为3个月。
2.2 面板混凝土下部的垫层控制
混凝土收缩变形受到约束形成拉应力,拉应力过大就会形成裂缝,因此要减少垫层的约束。在面板混凝土下部的垫层进行低强度、低弹模的面层防护措施，如碾压砂浆护坡、喷乳化沥青、挤压边墙等来减少基础约束和应力；减少或在浇筑混凝土时割除掉面板架立钢筋；避免出现局部的凸凹不平或护坡表面粗糙造成面板柔性降低而降低其抗拉能力。
2.3 面板的合理分缝及合理的配置钢筋
根据面板的受力特点，受拉区面板宜采用窄型板，并设置张性缝;受压区面板宜采用宽型板，并设置压性缝。此外，在面板受拉区、压应力较大部位、周边缝等重点部位应布置双层钢筋，提高面板适应变形的能力。
2.4 试验论证，优化配比
混凝土原材料的优劣及其配合比的优选，对面板的抗裂性能影响较大。因此，必须从面板混凝土原材料选择方面作大量的对比试验。
2.4.1 外加剂的选择
通常在面板混凝土配合比中掺减水剂和引气剂，提高混凝土的和易性、不透水性和抗裂性。但不同品牌的外加剂在面板混凝土中的抗裂性能也有较大差别。所以，在混凝土面板施工以前，应结合设计、施工对面板混凝土的其它要求，选用多个品牌的外加剂进行配合比试验，从中选出满足设计和施工以及对面板抗裂最为有利的外加剂。?
2.4.2 水泥的选择
面板混凝土应选用干缩小、水化热低且不掺或少掺矿渣活性材料的的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。水泥标号的选用宜高不宜低。因在配制相同强度等级的混凝土时，用高标号比用低标号要少用水泥，对混凝土减少干缩有利。故有条件的工程，特别是高坝应尽量选用P•042.5MPa的水泥或更高强度等级水泥来配制面板混凝土。?
2.4.3 掺加优质粉煤灰
优质粉煤灰中含有大量微珠颗粒，掺入混凝土中能减少水泥的需水量，除使混凝土面板抗渗性能大幅度提高外，还可减少干缩，从而提高抗裂性能。
随着认识的不断深入，加之粉煤灰收集工艺的提高，现在面板混凝土中掺入适量的优质粉煤灰已较为普遍。国内已建或正在修建的面板堆石坝工程中，就有在面板中掺加15％～30％的优质粉煤灰以替代部分水泥的例子，如省内松桃道塘水库堆石面板坝、罗甸双河口电站、盘县白河沟水库等面板混凝土均掺加优质粉煤灰。
2.4.4 粗细骨料的选择
为减少面板混凝土因温度和干缩产生的拉应力，提高其抗裂性，应尽量采用热膨胀系数小的母岩生产的人工骨料或天然骨料，使因温度变化而引起的拉应力和拉应变尽量的小。关于砂的粗细程度，规范规定细度模数在2.5～2.8的砂为宜。
2.5 面板混凝土生产、运输、浇筑的质量控制
在混凝土生产时，必须保证水泥、水、砂石、外加剂称量准确，才能保证生产出的混凝土质量合格和稳定。在运送过程中尽量减少转运次数和时间，及时在最短的时间内将砼入仓浇筑，并及时振捣，以使混凝土密实并紧贴垫层。铺料间隙时间要符合要求，以免造成施工冷缝而留下产生裂缝隐患。
2.6 混凝土浇筑工艺的控制
在混凝土浇筑过程中严格按照规范规定的滑行速度范围内滑模,可减少滑行拉裂的发生。滑升速度过小,易发生粘连使混凝土拉裂。滑行过迟也会造成模体与混凝土的损伤。在电力行业执行标准DL/T5128-2001中就有对滑行速度的规定“平均滑升速度1.5m～2.5m/h”。
2.7 面板施工时段的选择
面板浇筑时环境温度高导致混凝土温度高，使表面水分急剧蒸发。为减少未凝固混凝土水分过多地蒸发，防止面板开裂，面板的最佳施工温度应控制在22℃左右，湿度应控制在70％以上。
2.8 混凝土面板养护措施
养护好的混凝土面板，除强度增长较快外，还可降低因干缩产生裂缝的程度。实验表明，养护湿度为70％的混凝土较养护湿度为90％的混凝土所测各龄期干缩大，其平均值前者是后者的近两倍。
混凝土面板的养护，拉模抹面处理后覆盖草(麻)袋并洒水养护。在坝顶安装一根洒水花管连续自流洒水，养护至水库蓄水。?
2.9 坝体内水压力控制
砼面板浇筑完成，形成防水帷幕后必须控制上、下游水位差，在设计上须采取设置反压排水管，保证蓄水前排水通畅，上游水位高于下游，否则会发生面板裂缝，甚至脱空、折断等。因为砼面板为长条薄壁结构，又不能受到垫层的约束，主要承受向下的水压力。当砼面板形成防水帷幕后，坝体下游及两岸边坡地表水下渗将对砼面板产生向上的推力时，一旦内水压力达到一定程度，产生的推力会使砼面板产生裂缝，甚至折断。如独山谭尧水库在反压排水管关闭后，造成周边缝漏水；桐梓县天门河水库汛期下游水位高于上游水位后，上游处于临空的面板产生断裂和变形。
3 天门河水库砼面板坝的裂缝和变形处理实例
砼面板出现裂缝时，应针对产生原因，采取相应的处理措施进行处理。下面介绍混凝土面板堆石坝面板裂缝的成功处理实例。
天门河水库工程上游砼面板，于2003年6月24日共完成B1、B3～B10块砼面板浇筑。由于资金问题剩下B2、B11、B12、B13四块面板未浇筑即停工。
2007年元月该工程恢复施工前，对已浇筑成的9块砼面板裂缝及脱空检查发现面板裂缝共计73条，缝长0.5m～15m不等，其中大于0.2mm的21条（高程▽963.50m以上8条），小于0.2mm的52条。其中高程▽963.5m以下约1m范围内有平行于坝轴线的横向裂缝，缝宽0.5mm～7mm、缝长0.5m～15m，且为贯穿性裂缝。面板裂缝分布见下图。

经现场观测和观测数据分析：在工程停工期间汛期，下游水位上涨和周边大量地表水下渗，造成下游水位高于上游水位，在坝体内形成较大的反向渗水压力，上游处于临空的面板产生断裂和变形的主要原因。
3.1 面板裂缝和变形的处理
3.1.1 小于0.2mm的裂缝处理
裂缝表面清理后，用角向磨光机对裂缝两侧各10cm范围进行打磨，除去表面的浮尘和杂质后，刮涂2道PUA涂料进行处理。
3.1.2 大于0.2mm的裂缝处理
裂缝表面清理后，用角向磨光机对裂缝两侧各10cm范围进行打磨，除去表面的浮尘和杂质后，用HK—61低粘度环氧粘帖灌浆合，灌浆合间距为20～50cm。再用环氧涂料刷涂整条缝面两遍，以封闭裂缝表面。待封缝材料达到一定强度后，自下而上灌注HK—G环氧灌浆液，灌浆压力控制在0.3～0.5MPa,直到不再有浆液灌入，屏浆5min后停止灌浆。
3.2 处理效果
面板和趾板砼裂缝处理完成后，遭遇了三十年一遇的洪峰。在洪水过后，对大坝进行全面检查，砼面板和趾板都完好无损。坝内埋设的观测仪器显示，大坝一切正常，观测数据都在正常范围。说明处理效果明显。
4 总结
混凝土面板被广泛应用于各种水利水电工程中，但它受到较多因素和环节的影响极易产生裂缝，目前技术措施或手段还不能避免或杜绝面板裂缝的产生。裂缝易引起渗漏，小则影响蓄水，大则影响到大坝和人民生命财产的安全。
因此防止混凝土面板裂缝就成为面板堆石坝的关键问题，需要从事该项工程的设计、施工、检测试验等人员的不断探索和研究，认真分析面板裂缝产生原因，针对产生原因寻找更多的科学、合理的防治措施。