李 斌，孟憲磊，王 磊，孔德軒，王 潤

（1.國網(wǎng)新源河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省承德市 068350；2.長江水利委員會長江科學(xué)院，湖北省武漢市 430071）

0 引言

面板堆石壩在國內(nèi)外是采用最廣泛的壩型。隨著筑壩技術(shù)的提高，混凝土面板壩以其優(yōu)越的特性得到了較快發(fā)展，壩高及面板長度也在不斷增加[1]。對高壩面板，普遍采用分期澆筑方式。1970年第一次出現(xiàn)了一次連續(xù)澆筑混凝土面板的施工方式，自此以后，對于中小混凝土面板壩，采用一次澆筑面板方式逐漸增多，而對于高混凝土面板壩則采用二期或三期連續(xù)澆筑的方式進(jìn)行施工[2-4]，很少采用一次張拉成型的方案[5]。近些年隨著面板防裂的深入研究及施工工藝的不斷提高，面板單次施工長度逐漸加長，并在高壩中面板混凝土施工逐漸采用了一次張拉施工工藝[6]。壩體全斷面平起填筑至壩頂，進(jìn)行面板混凝土的一次性施工，對防止面板產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫極具積極意義。

針對國內(nèi)外目前面板混凝土采用一次成型較少的實際，本文在分析國內(nèi)外混凝土面板堆石壩設(shè)計和施工資料的基礎(chǔ)上，對比了采用一次成型和分期成型的典型面板壩的混凝土原材料應(yīng)用、配合比、施工工藝以及開裂情況，探討了一次成型面板與分期成型面板混凝土壩的施工及防裂措施。

1 一次成型和分期成型典型面板壩的工程概況

公伯峽和吉音面板壩是近年來一次成型長面板的典型工程。公伯峽面板壩在2003年10月22日開始澆筑混凝土面板，2004年8月8日水庫蓄水發(fā)電。公伯峽面板壩壩高132.2m，原計劃面板分兩期施工，為了縮短施工工期，提高質(zhì)量，在采用擠壓墻固坡技術(shù)和壩體填筑到頂后沉降固體的基礎(chǔ)上，將超長面板一次性施工完成，最大塊長達(dá)218m，是國內(nèi)目前一次性澆筑面板長度最長的面板堆石壩工程。

吉音面板壩位于新疆和田地區(qū)于田縣克里雅河干流中游，為二等中型水利樞紐工程。吉音工程大壩混凝土面板，上游迎水面壩坡1∶1.4，最大坡長139.26m，面板厚度自上而下由30cm漸變到60cm。

水布埡面板壩是世界上最高的混凝土面板堆石壩，最大壩高233m。面板混凝土分三期澆筑，混凝土工程量8.66萬m3，最長面板單次施工長度達(dá)170余米。

蒲石河抽水蓄能電站是東北地區(qū)第一座大型抽水蓄能電站。上水庫面板斜長最大為128.5m，面板坡度為1∶1.4，2009年5月1日面板混凝土開始施工，2009年8月18日施工完畢。

十三陵抽水蓄能電站位于北京市昌平境內(nèi)，是我國北方地區(qū)建成的第一座大型抽水蓄能電站，也是中國首次在抽水蓄能電站上水庫大規(guī)模采用鋼筋混凝土全面防滲的工程。電站上水庫混凝土面板工程于1994年3月底開始澆筑，1995年6月上旬全部完工。上水庫混凝土面板最大長度65.4m，配筋率1%，鋼筋布置在面板以下1/3處，面板坡度為1∶1.5。

這幾座典型的面板壩混凝土設(shè)計指標(biāo)及配合比如表1所示。從表1可以看出這幾座典型面板壩的面板混凝土設(shè)計強度在C25～C30之間，水膠為0.38～0.49，粉煤灰摻量為15%～25%，除了公伯峽工程外都采用了纖維防裂技術(shù)，纖維摻量為0.6～0.9kg/m3。

2 一次成型和分期成型的典型面板壩施工過程與問題

2.1 一次成型面板混凝土

公伯峽水電站施工度汛的特殊條件為面板一次性施工創(chuàng)造了條件，此外，采用面板一次性施工，可減少壩體堆石初期（包括施工期）沉降對面板的影響，簡化施工程序，加快工期。公伯峽面板混凝土施工工序主要包括：垂直縫墊層及坡面整修、噴涂乳化瀝青、鋼筋制安、側(cè)模止水制安、滑模制安、混凝土澆筑、拆模養(yǎng)護、周邊縫和垂直縫施工等。公伯峽大壩面板澆筑情況看，當(dāng)面板長度超過150m時，混凝土澆筑難度大，主要是混凝土入倉時，常會出現(xiàn)混凝土骨料分離現(xiàn)象。混凝土坍落度小時，溜槽容易堵塞，混凝土容易溢出溜槽，或溜槽被拉開，導(dǎo)致大量的混凝土落到坡面上?；炷撂涠葥p失大，待混凝土溜到倉號底部時，坍落度往往很小。為了解決這些難題，采取了以下措施：優(yōu)化混凝土配合比，降低砂料細(xì)度模數(shù)，用粉煤灰等量替代細(xì)砂，以增加混凝土的和易性。提高混凝土坍落度，以增加混凝土的流動性，并嚴(yán)格控制混凝土出機口坍落度。在混凝土運輸途中，做好保溫措施，減少混凝土坍落度損失?；炷寥雮}時，人工用鐵鍬沿垂直縫和周邊縫均勻布料，避免骨料集中現(xiàn)象。以上措施，有效解決了混凝土運輸、溜槽入倉和布料的困難[12]。

吉音面板壩混凝土采用“套筒絲接鋼筋接頭人工現(xiàn)場組裝、混凝土罐車運輸、坡面溜槽入倉、人工振搗、二次收面、Ⅰ/Ⅱ序板跳倉法一次到頂澆筑面板”的施工方案。吉音工程大壩面板澆筑前采用垂直縫砂漿條帶、乳化瀝青防滲隔離層和W型銅止水等措施控制壩面平整度、提高壩面防滲能力，有效地改善了面板基礎(chǔ)面的約束條件，消除了施工過程基礎(chǔ)面過大起伏、局部深坑或尖角、側(cè)模移位及架立筋未及時割除等不利因素的影響，確保了面板的一次澆筑成型。面板混凝土完成澆筑脫模后，使用無紡布和復(fù)合土工布及時覆蓋進(jìn)行保溫、保濕防護，采用溫水常流水方式將面板養(yǎng)護至水庫下閘蓄水；澆筑混凝土?xí)r整個工作倉面遮蓋彩條布防護來降低風(fēng)速影響；養(yǎng)護用水溫度控制在白天13～15℃，夜間18～20℃，通過上述措施，進(jìn)一步增強了混凝土養(yǎng)護過程中的保溫效果和保濕能力，養(yǎng)護取得了預(yù)期效果[6]。

表1 工程面板混凝土配合比及設(shè)計指標(biāo)[7-11]Tab.1 Concrete mix ratio and design index of panel concrete

2.2 分期成型面板混凝土

水布埡面板混凝土分三期施工，為期2年多。面板混凝土施工工序為：測量放樣、坡面清理、止水層鋪設(shè)或墊塊安裝、噴陽離子乳化瀝青、鋼筋安裝、止水片安裝、模板安裝、混凝土拌制與運輸、溜槽入倉及人工擺動溜槽布料、混凝土澆筑、抹面、養(yǎng)護、裂縫檢查與處理、表面止水安裝等。水布埡面板混凝土工程首次將羧酸類減水劑應(yīng)用于面板混凝土中。為降低成本，在一、二期面板混凝土中采用聚丙烯腈纖維（單絲型），三期面板部分處于水位變化區(qū)，要求面板混凝土具有更高的抗裂能力，采用了鋼纖維（冷拉型）和聚丙烯腈纖維復(fù)摻的方式。在分期成型面板的過程中不可避免產(chǎn)生施工縫，施工縫是面板防滲的薄弱環(huán)節(jié)，如施工縫不精心，處理不當(dāng)，可能形成滲漏隱患，施工中盡量避免產(chǎn)生施工縫。水布埡面板混凝土在鋼筋下部按水平方向控制面板水平施工縫，在鋼筋上部按面板法線方向留設(shè)。鋼筋穿過施工縫，露出施工縫的鋼筋長度不小于其錨固長度。水平施工縫不設(shè)止水，認(rèn)真鑿毛、沖洗、清除污物和排除表面積水，澆筑混凝土前預(yù)先鋪l層20～30mm厚與混凝土同強度等級的砂漿[13]。

蒲石河面板混凝土施工主要包括：坡面清理、砂漿墊層（塊）鑿除成槽、墊層鋪設(shè)和墊塊安裝、鋼筋安裝、止水片埋設(shè)、模板安裝、混凝土拌制與運輸、溜槽入倉及人工擺動溜槽布料、混凝土澆筑、抹面、養(yǎng)護、裂縫檢查與處理、表面止水安裝等工序。在晝夜溫差大的惡劣氣候環(huán)境下，為了防止混凝土收縮開裂，工程中通過摻入粉煤灰，改善了混凝土的和易性，降低水泥用量、改善混凝土熱學(xué)性能和變形性能、減少混凝土收縮；摻入膨脹劑，利用其微膨脹性補償其收縮變形，可防止或減少裂縫的產(chǎn)生；摻入聚丙烯纖維，控制混凝土的收縮、龜裂，提高抗?jié)B性、耐磨損性、耐腐蝕性。摻入引氣劑顯著地改善混混凝土的和易性，極大提高混凝土的抗?jié)B性、抗凍性等指標(biāo)，并嚴(yán)格控制混凝土含氣量在4%～6%之間[14]。

十三陵抽水蓄能電站上池采用鋼筋混凝土面板全池防滲?；炷撩姘鍖?6m，厚30cm，配有單層雙向鋼筋。面板接縫采用底部及表面兩道止水。局部周邊縫中間增設(shè)一道橡膠止水帶，面板混凝土全部使用無軌滑模施工。銅止水使用現(xiàn)場液壓機械成型，其接頭采用工廠模壓成型，保證了面板接縫止水的可靠性。表面止水在橡膠板與混凝土面間增加一層“GB”板，黏結(jié)密實。面板混凝土施工中對連接板翹頭處和池坡面板起始段提出了一套較好的施工方法[11]。

3 面板混凝土開裂情況

3.1 一次成型面板開裂情況

2011年6月，中國水利水電科學(xué)研究院對公伯峽面板壩36塊面板進(jìn)行了裂縫檢查，發(fā)現(xiàn)36塊面板均有裂縫產(chǎn)生，在水位線以上135條，伸入水位線以下的裂縫有22條。騎縫鉆芯結(jié)果表明，面板混凝土裂縫相對較深，延伸到水位線以下的裂縫，垂直于面板方向的開裂深度在11～25cm，裂縫表面寬、下部窄，沒有出現(xiàn)貫穿性裂縫。公伯峽面板裂縫具有一定規(guī)律性：產(chǎn)生的裂縫在庫水位附近面板較多，延伸入水面以下很少；面板裂縫逐年在增加，且冬季產(chǎn)生的面板裂縫遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夏季。土石壩面板應(yīng)力通常包括結(jié)構(gòu)應(yīng)力和溫度應(yīng)力。結(jié)構(gòu)應(yīng)力是由大壩自重、庫水壓力以及堆石流變等因素造成的。公伯峽所處地冬季氣溫低，晝夜溫差大，溫度應(yīng)力是造成公伯峽面板堆石壩面板裂縫的主要因素。水位附近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(chǎn)生較大的溫度拉應(yīng)力。當(dāng)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(yīng)力也隨著增加，易發(fā)生面板混凝土開裂的現(xiàn)象[15]。

吉音工程壩址區(qū)多年平均氣溫9.6℃，極端最高氣溫43℃，極端最低氣溫-26.3℃，平均降水量123.3mm，平均蒸發(fā)量1847mm，濕度45.2%，平均風(fēng)速1.5m/s，最大風(fēng)速16m/s，自然環(huán)境惡劣。通過嚴(yán)格施工質(zhì)量管理，加強養(yǎng)護，有效消除了不利因素對混凝土面板的影響。施工完成的5.25萬m2面板上，僅有137條寬度0.20mm左右的裂縫，且未出現(xiàn)貫通性裂縫，取得了良好的防裂效果[9]。

3.2 分期成型面板開裂情況

水布埡大壩面板混凝土裂縫檢查統(tǒng)計反映，面板共發(fā)生了914條裂縫，其中Ⅰ類裂縫794條（含裂紋275條），Ⅱ類和Ⅲ類裂縫120條。大壩面板混凝土裂縫大多為結(jié)構(gòu)性裂縫，同時也有干縮與溫度應(yīng)力、壩體沉降變形和兩岸壩坡地形的影響。2007年3月初，水布埡樞紐工程于2007年4月19日正式下閘蓄水。首臺機組于同年7月開始發(fā)電，樞紐工程運行正常。根據(jù)監(jiān)測資料，壩后量水堰平均過流量為30.5L/s，最大滲流量為40L/s[16]。

為跟蹤掌握十三陵抽水蓄能電站上水庫混凝土面板裂縫分布及發(fā)展變化情況，2005年、2010年和2012年分別對上水庫556.0m高程以上部分混凝土面板的裂縫進(jìn)行了檢查，由裂縫檢查結(jié)果可知，電站運行期混凝土面板裂縫一直呈增長趨勢，截至2012年556.0m高程以上面板裂縫共計1636條，其中縫寬≥0.2mm的裂縫844條，且寬度≥0.2mm的裂縫增長較快。上水庫556.0m高程以上面板裂縫的分布規(guī)律基本相同，面板裂縫主要為水平向裂縫，約占裂縫總長度的80%左右。冬季電站正常發(fā)電運行時，混凝土面板在夜間氣溫較低時段暴露于冷空氣中，易遭受冷空氣的“冷擊”作用，導(dǎo)致面板產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。根據(jù)混凝土面板結(jié)構(gòu)特點，混凝土面板長度遠(yuǎn)大于其寬度，導(dǎo)致面板順坡向溫度應(yīng)力大于垂直坡向溫度應(yīng)力，這是混凝土面板水平向裂縫居多的主要原因。巖坡面板的溫度應(yīng)力大于主壩坡面板的溫度應(yīng)力，主要原因是巖體的彈性模量大于堆石體的彈性模量，巖體對面板的約束更強，從而導(dǎo)致面板產(chǎn)生的溫度應(yīng)力更大[17]。

4 混凝土面板開裂成因及措施

面板混凝土作為堆石體大壩的主要防滲結(jié)構(gòu)，其整體性和耐久性關(guān)系到大壩的安全運行。對于一次成型或者分期成型的面板混凝土而言，面板裂縫絕大多數(shù)為水平方向，橫穿整個板塊的寬度，縱向裂縫較少，且多集中在較長板塊的中下部，上部較少。

在不考慮由于施工質(zhì)量造成開裂的前提下，一次成型或者分期成型的面板混凝土的裂縫可以分為兩類，第一類屬于結(jié)構(gòu)裂縫，主要由過大的堆石體變形、面板底部脫空以及面板受水壓力、冰壓力和地震力等外荷載引起。因此需要控制面板堆石壩變形，一是需要控制壩體總體變形，包括壩體的沉降和蓄水期的水平位移；另一方面需要減小壩體的不均勻變形，為面板和接縫提供良好的工作環(huán)境。變形控制的關(guān)鍵是確定合理的壩料參數(shù)和選擇恰當(dāng)?shù)拿姘鍧仓r機，做到澆筑面板時面板頂部高程對應(yīng)部分的壩體大變形過程已完成。

第二類裂縫屬于收縮裂縫，也即當(dāng)混凝土收縮變形受到約束（約束來自面板墊層/底部擠壓邊墻、兩側(cè)面板、趾板等），產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強度而引起。面板混凝土的收縮主要包括溫降收縮和干燥收縮。溫降收縮主要由水泥水化熱和外界氣溫變化引起，并在面板厚度方向產(chǎn)生溫度梯度，當(dāng)溫度變形受到混凝土的外部約束和內(nèi)部各質(zhì)點間的約束產(chǎn)生的應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度就會產(chǎn)生溫度裂縫。尤其是面板混凝土在澆筑后不久若受寒潮侵襲，會形成較大的內(nèi)外溫差，易形成溫度裂縫。此外，氣候環(huán)境對面板混凝土的溫度變形也有較大影響，較大的日溫差會使面板混凝土形成較大的內(nèi)外溫差，產(chǎn)生溫度裂縫。干燥收縮是由于環(huán)境濕度降低，混凝土水分散失產(chǎn)生的體積收縮。干燥收縮是一個長期的收縮過程，其收縮速率隨著干燥時間增加而急劇減小。面板混凝土表面積與體積之比很大，受干燥收縮影響很大，干燥的氣候環(huán)境將加劇混凝土干燥收縮程度。

上述工程控制面板裂縫的措施主要是從控制壩體沉降變形、減少壩體對面板的約束、混凝土原材料選擇及混凝土質(zhì)量控制、混凝土養(yǎng)護等幾個因素考慮的，主要包括：

（1）壩體沉降變形是造成面板混凝土裂縫的重要因素，提高壩體填筑質(zhì)量非常關(guān)鍵。控制壩料顆粒級配和碾壓參數(shù)，使用大功率的碾壓設(shè)備，可有效地解決不均勻變形對面板的影響。

（2）面板基礎(chǔ)對面板裂縫有密切關(guān)系。保證基礎(chǔ)面光滑平整，消除施工過程基礎(chǔ)面過大起伏、局部深坑或尖角、側(cè)模移位及架立筋未及時割除等不利因素影響，可改善面板工作環(huán)境。可在面板基礎(chǔ)面為擠壓邊墻表面噴涂一定厚度的乳化瀝青隔離保護層。

（3）在混凝土原材料的選擇上，摻入粉煤灰等摻和料替代水泥，進(jìn)一步減少混凝土用水量，延長坍落度損失時間，提高混凝土密實性，以達(dá)到減少混凝土水化熱、改善混凝土的和易性；摻入減水劑、膨脹劑和引氣劑其中一種或多種外加劑改善混凝土工作性能；摻入纖維提高混凝土抗拉強度和極限拉伸值，增強、改善混凝土早期抗裂性能，減小混凝土干縮率。

（4）混凝土制備工藝上，嚴(yán)格控制混凝土配合比；拌和質(zhì)量（原材料計量、投料順序、拌和時間、強度指標(biāo)、坍落度和含氣量指標(biāo)），檢測出質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的混凝土嚴(yán)格采用棄料處理。

（5）混凝土澆筑過程中控制拌合物運輸質(zhì)量，混凝土由溜槽送至工作面，人工均勻布料、及時平倉，然后振搗提高混凝土內(nèi)部密實度，為控制面板平整度打基礎(chǔ)，澆筑過程中，隨作業(yè)面升高要特別注意及時割除插在面板基礎(chǔ)上的架立筋，減小對面板的約束，控制好滑?；俣?，保證面板平整度。

（6）加強混凝土養(yǎng)護，是有效防止混凝土產(chǎn)生裂縫的一項重要措施。面板混凝土完成澆筑脫模后，應(yīng)使用無紡布和復(fù)合土工布及時覆蓋進(jìn)行保溫、保濕防護，采用溫水常流水方式將面板養(yǎng)護至水庫下閘蓄水；為保證脫模的混凝土表面得到及時覆蓋，在滑模底部托掛與面板同寬，長度為20m的無紡布，隨滑模同步升高及時覆蓋面板。

5 結(jié)論

（1）從選擇的幾座典型面板壩施工資料來看，采用一次成型和分期成型的面板混凝土的施工工藝較為類似，且面板混凝土的開裂與采用一次成型工藝或者分期成型工藝沒有必然的聯(lián)系。

（2）從選擇的幾座典型面板壩的開裂情況來看，一次成型或分期成型的面板混凝土的裂縫都可以分為兩類，一類屬于結(jié)構(gòu)裂縫，另一類裂縫屬于收縮裂縫。

（3）對于采用一次成型和分期成型的面板混凝土，減少面板混凝土裂縫的措施都是從控制壩體沉降變形、減少壩體對面板的約束、合理選擇混凝土原材料以及控制混凝土施工質(zhì)量、加強混凝土養(yǎng)護等幾個因素考慮。

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