呂興棟，李家正

(1.長江科學(xué)院 材料與結(jié)構(gòu)研究所， 武漢 430010； 2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010； 3.武漢理工大學(xué) 硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

1 研究背景

混凝土面板堆石壩因其具有良好的安全性、經(jīng)濟性、抗震能力強和對地形地質(zhì)條件的良好適應(yīng)性等優(yōu)勢，在水利水電工程中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。1971年澳大利亞福斯河上游修建壩高110 m的賽沙納壩(Cethana Dam) 是世界上第一座現(xiàn)代面板堆石壩[4]。1985年，壩高95 m的西北口混凝土面板堆石壩作為試點工程開啟了我國現(xiàn)代混凝土面板堆石壩技術(shù)的新征程。經(jīng)過30余年的實踐和發(fā)展，截止2017年底，我國壩高30 m以上的面板堆石壩已建277座，在建75座，擬建89座，總數(shù)超過440座，位居世界首位。楊澤艷等[5]認為我國現(xiàn)代面板堆石壩的技術(shù)發(fā)展走過了“引進、發(fā)展、創(chuàng)新、超越”的道路，可大致分為引進消化(1985—1990年)、自主創(chuàng)新(1990—2000年)和突破創(chuàng)新再發(fā)展(2000年以后)3個階段[6-7]，見圖1。我國混凝土面板堆石壩在設(shè)計、勘測、施工、科研、監(jiān)測、信息化和智能化等方面積累了豐富的經(jīng)驗，建設(shè)和研究達到國際領(lǐng)先水平，實現(xiàn)從跟跑到領(lǐng)跑的巨大轉(zhuǎn)變。

圖1 中國面板堆石壩發(fā)展階段Fig.1 Development stages of CFRD in China

混凝土面板作為面板堆石壩的主要防滲結(jié)構(gòu)，其整體性和耐久性關(guān)系到大壩的安全運行。因此面板防裂是面板設(shè)計施工中的重要問題之一。文章介紹了我國部分已建面板堆石壩混凝土面板裂縫現(xiàn)狀，從面板堆石壩混凝土面板設(shè)計、原材料及施工工藝等方面分析了裂縫產(chǎn)生的原因，總結(jié)了混凝土防裂的技術(shù)進展。

2 混凝土面板裂縫現(xiàn)狀

混凝土面板是典型的薄型長條板狀結(jié)構(gòu)， 長、寬、厚三向尺寸相差懸殊，產(chǎn)生裂縫的概率比普通水工大體積混凝土大?；炷撩姘逡坏┏霈F(xiàn)裂縫，會破壞結(jié)構(gòu)的整體性，導(dǎo)致面板漏水， 增加壩體滲漏量。而且將直接降低混凝土的抗?jié)B耐久性，加劇由于凍融循環(huán)、化學(xué)物質(zhì)侵蝕、碳化等造成的混凝土劣化，從而使結(jié)構(gòu)功能逐漸喪失。

表1列出了國內(nèi)部分堆石壩混凝土面板裂縫現(xiàn)狀。由表1可以看出，已建工程的混凝土面板裂縫呈現(xiàn)了一定的特點和規(guī)律：從裂縫走向上看，絕大多數(shù)工程的混凝土面板裂縫呈水平方向；只有極少數(shù)工程裂縫呈縱向分布，如公伯峽工程。從裂縫產(chǎn)生的部位來看，大多數(shù)工程的裂縫主要分布在面板的下部；少部分工程裂縫主要分布在中部，如阿爾塔什工程；少部分工程裂縫主要分布在上部，如公伯峽工程。從裂縫產(chǎn)生的面板分序來看，Ⅱ序面板裂縫遠多于Ⅰ序面板，如阿爾塔什工程Ⅱ序面板裂縫占總裂縫的七成。從裂縫產(chǎn)生的時間來看，部分工程是澆筑完成1～3個月后產(chǎn)生的裂縫，如吉林臺一級、水布埡、梨園、阿爾塔什等工程；部分工程為面板澆筑第一個冬天后產(chǎn)生裂縫，如西北口、公伯峽、江坪河等工程。

3 面板堆石壩混凝土面板設(shè)計、原材料及施工工藝

統(tǒng)計了面板堆石壩混凝土面板設(shè)計指標、原材料及施工工藝，具體見表2。

3.1 混凝土面板設(shè)計

已建工程抗壓強度設(shè)計指標，在早期采用C2820(下標28為齡期28 d，下同)，近年來多為C2825和C2830兩種。采用極限拉伸值≥100×10-6，在溫和地區(qū)抗凍指標一般采用≥F100(凍融100次，下同)，在寒冷地區(qū)抗凍指標一般采用≥F200或≥F300，骨料均采用二級配。坍落度設(shè)計值分為出機口坍落度和倉面坍落度2種，大多數(shù)工程采用出機口坍落度作為設(shè)計值，范圍為30～100 mm。部分工程采用倉面坍落度作為設(shè)計值，如吉林臺一級、紫坪鋪等工程，范圍為30～70 mm，也有少量工程同時采用出機口和倉面坍落度作為設(shè)計值，如阿爾塔什工程，出機口坍落度范圍為70～90 mm，倉面坍落度范圍為30 ～70 mm。

3.2 原材料

水膠比為0.35～0.48，用水量為110～151 kg/m3，膠凝材料用量為260 ～366 kg/m3。在2005年以前一般采用525#早強中熱水泥、525#硅酸鹽水泥、42.5普通硅酸鹽水泥和425#、325#礦渣水泥，2005年后一般采用42.5普通硅酸鹽水泥和42.5中熱水泥，摻和料一般摻用Ⅰ級或Ⅱ級粉煤灰，摻量為20%～25%。在面板堆石壩早期建設(shè)過程中，未摻加纖維、MgO等功能性材料。隨著建設(shè)水平的提高，纖維在混凝土面板中得到廣泛應(yīng)用，并取得良好的抗裂效果。纖維主要有聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維和聚丙烯腈纖維等。部分工程同時采用2種纖維，如水布埡三期面板復(fù)摻聚丙烯腈纖維與鋼纖維。洪家渡同時采用聚丙烯纖維和MgO等功能性材料，極限拉伸值和抗拉強度均有所提高，自生體積變形呈微膨脹狀態(tài)，干縮值有所降低，取得了很好的抗裂效果。

表1 國內(nèi)部分面板堆石壩混凝土面板裂縫現(xiàn)狀Table 1 Current status of cracks in the face slab of CFRDs in China

表2 國內(nèi)部分面板堆石壩混凝土面板設(shè)計指標、原材料及施工工藝Table 2 Design indices, raw materials, and construction technologies of the concrete of some CFRDs in China

3.3 施工工藝

絕大多數(shù)工程混凝土面板初凝后覆蓋塑料布、草簾(草袋)、麻袋或土工膜等，不間斷灑水持續(xù)保持濕潤直至蓄水。部分工程還采用噴養(yǎng)護劑的方式進行保濕，如洪家渡、梨園等工程。在溫度變化幅度較大的時間和區(qū)域，同時采用保濕和保溫措施。采用海綿、絨毛氈保溫被、復(fù)合土工膜等保溫材料，如吉林臺一級、水布埡、吉音、阿爾塔什等工程。在墊層處理工藝方面，公伯峽是國內(nèi)首次使用擠壓邊墻工藝的工程。此后，大部分工程采用擠壓邊墻與混凝土面板之間噴改性乳化瀝青的方式來減少約束。

4 混凝土面板裂縫成因分析

4.1 結(jié)構(gòu)性裂縫

造成面板結(jié)構(gòu)性裂縫的原因主要有壩體沉降過大或不均勻沉降、壩體自重、庫水壓力，以及面板與墊層約束等。堆石體過大和不均勻變形極易引起混凝土面板的結(jié)構(gòu)性裂縫、脫空或接縫兩側(cè)混凝土的擠壓破壞[60]。

天生橋一級工程發(fā)生垂直縫兩側(cè)混凝土的擠壓破壞，該破壞是順壩軸線方向從兩岸向河床中間變形，應(yīng)變累積到一定程度后發(fā)生壓剪破壞[61]。水布埡面板堆石壩在施工期和運行期出現(xiàn)的面板裂縫主要出現(xiàn)在面板中下部，以橫向裂縫為主。2005年11月，壩體沉降率為0.10%～0.24%。2010年8月實測大壩堆積體累計沉降量為249.6 cm，沉降率為1.07%[27,62]。因此，壩體過大和不均勻沉降被認為是造成面板結(jié)構(gòu)性裂縫的主要原因。公伯峽工程面板多呈現(xiàn)縱向裂縫，王子健等[15]認為公伯峽水庫的水位波動很小且水位高，常年露出水面的面板部分為狹長的矩形，使得頂部軸向應(yīng)力遠大于順坡向應(yīng)力，導(dǎo)致面板產(chǎn)生縱向裂縫。

混凝土面板和墊層接觸面性能對混凝土面板開裂影響顯著。隨著墊層接觸面約束程度增加，混凝土面板內(nèi)部由壓應(yīng)力狀態(tài)向拉應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，增加面板開裂風險。圖2是某工程墊層約束程度對混凝土面板變形時內(nèi)部應(yīng)力的影響，可以看出在較低約束時(f=0.2)，混凝土面板內(nèi)部為壓應(yīng)力狀態(tài)，無開裂可能。當處于較高約束時(f=0.6或0.9)，混凝土面板內(nèi)部為拉應(yīng)力狀態(tài)，大大增加了混凝土面板開裂的風險[60]。此外，兩序面板間平整度對面板應(yīng)力存在一定的影響，Ⅱ序面板與Ⅰ序面板間存在較大約束，導(dǎo)致Ⅱ序面板產(chǎn)生的裂縫比Ⅰ序面板多。

圖2 某工程墊層約束程度與內(nèi)部應(yīng)力的關(guān)系(降溫10 ℃)Fig.2 Relation between degree of cushion restraint of a project and internal stress (temperature dropped by 10 ℃)

4.2 溫度裂縫

在混凝土水化早期，混凝土內(nèi)部應(yīng)力呈現(xiàn)為壓應(yīng)力，并在接近溫峰時達到最大值。隨后，由于應(yīng)力松弛等因素導(dǎo)致壓應(yīng)力不斷減小，并逐漸轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力。由于混凝土彈性模量的增加和徐變的減弱，拉應(yīng)力增幅明顯，當混凝土拉應(yīng)力超過同齡期混凝土抗拉強度，混凝土便會發(fā)生開裂[63]?；炷翜囟葢?yīng)力可近似由式(1)計算[64],即

(1)

式中：E0為混凝土最終彈性模量；α為混凝土的線膨脹系數(shù)；β為綜合計算系數(shù)；L為順坡面板長；H(t)為混凝土應(yīng)力松弛系數(shù)；ΔT為混凝土的累積降溫溫差。ΔT由式(2)計算，即

ΔT=T1(t)+T2+T3。

(2)

式中：T1(t) 為不同齡期混凝土收縮當量溫差；T2為水化溫升；T3為環(huán)境溫差。T1(t)可由式(3)計算，即

(3)

式中ε(t)為自生體積變形量和干燥收縮量之和。

由上述可以看出，混凝土溫度應(yīng)力是由混凝土收縮變形、水化溫升和環(huán)境溫差共同決定的。圖3是某工程混凝土面板溫度應(yīng)力歷程。在實際工程中常出現(xiàn)順坡向最大拉應(yīng)力大于抗拉強度，而水平向最大拉應(yīng)力小于抗拉強度，使得混凝土面板出現(xiàn)水平裂縫而未出現(xiàn)豎向裂縫。因此可知表1中列舉的已建工程出現(xiàn)的水平裂縫主要是由溫度應(yīng)力導(dǎo)致的。

圖3 某工程混凝土面板溫度應(yīng)力歷程Fig.3 History of temperature stress of concrete face slab of a project

混凝土面板保溫措施對面板防裂極其重要，特別是冬季或遭遇寒潮時，環(huán)境溫差增大，面板開裂風險變大，越冬后面板的裂縫進一步擴展，如西北口和公伯峽等工程在嚴冬后裂縫會進一步發(fā)展。因此目前絕大多數(shù)工程面板澆筑安排在每年的春、秋季節(jié)，以減少環(huán)境溫差。

4.3 施工工藝不當引起的裂縫

混凝土面板長度長，施工難度大，工序控制復(fù)雜，質(zhì)量要求高。需在混凝土拌和、運輸、溜槽和滑模使用、倉面振搗、分序澆筑、保溫保濕各環(huán)節(jié)進行控制。圖4是某工程采用帆布對混凝土溜槽遮陽。

圖4 某工程采用帆布對混凝土溜槽遮陽Fig.4 Canvas sunshade for concrete chute

目前大部分工程的混凝土以出機口坍落度作為設(shè)計值，范圍為30～90 mm。由于攪拌站和溜槽頂部運輸距離和時間的不同，導(dǎo)致混凝土到達溜槽頂部時出現(xiàn)坍落度損失較大的情況，混凝土通過長距離的溜槽到達倉面后，坍落度進一步損失，造成和易性變差、骨料分離等情況，進一步加劇干燥收縮。有些工程的混凝土到達溜槽頂部后，坍落度損失過大，混凝土難以順利到達倉面，甚至出現(xiàn)溜槽中直接加水的行為，給工程質(zhì)量控制帶來了極大不確定性。

由于砂的含水率的波動，在不改變施工配合比用水量情況下，極易造成混凝土工作性能大幅波動。以新疆某大型工程為例，該工程細骨料飽和面干吸水率為1.19%，當飽和面干含水率從0.85%增至2.98%，施工配合比的用水量降低高達16 kg/m3。若不隨著細骨料含水率的變化而實時改變混凝土用水量，混凝土坍落度將增加60～80 mm，造成混凝土質(zhì)量波動。

混凝土保濕措施是影響面板干縮的重要因素。在西北口工程建設(shè)時期，僅僅用水養(yǎng)護28 d，這也是該工程裂縫較多的原因之一。隨著對混凝土養(yǎng)護認識的深入，采用覆蓋草袋或土工膜，灑水至工程蓄水等方式進行養(yǎng)護。

5 混凝土面板防裂技術(shù)

混凝土面板防裂技術(shù)思路是：采用以耐久性為主導(dǎo)的面板混凝土性能調(diào)控技術(shù)，將材料試驗與數(shù)值仿真相結(jié)合，建立面板抗裂能力數(shù)值分析方法，研發(fā)混凝土面板制備和養(yǎng)護技術(shù)，從而形成室內(nèi)材料試驗與調(diào)控—過程分析與控制—現(xiàn)場應(yīng)用與保障的全過程高抗裂混凝土面板制備及性能調(diào)控技術(shù)體系。

5.1 減少結(jié)構(gòu)性裂縫

2000年之前，部分工程填筑完成不到一個月即開始面板澆筑。此后，絕大多數(shù)工程都為堆石體預(yù)留了足夠的沉降期，確保壩體不會產(chǎn)生過大的變形。洪家渡工程首次提出了沉降期和沉降收斂控制標準，沉降期和沉降收斂控制標準在每期面板施工前，壩體應(yīng)有3～6個月預(yù)沉降期和監(jiān)測顯示的沉降曲線已過拐點趨于平穩(wěn)，月沉降變形量≤2～5 mm[65]。

面板底部和兩序面板間不平整度對面板應(yīng)力分布特性均有一定的影響。面板底部越粗糙，面板整體降溫所產(chǎn)生的最大坡向應(yīng)力越大。兩序面板間平整度對面板應(yīng)力的影響比底部小。采用乳化瀝青、土工膜、瀝青油氈均能有效減小面板底部對面板的約束，其中瀝青油氈的潤滑效果略優(yōu)于乳化瀝青和土工膜。

5.2 提升混凝土性能

合理的混凝土材料體系和嚴格的施工質(zhì)量控制是混凝土面板防裂的關(guān)鍵，需盡可能制備低絕熱溫升、低收縮、高抗拉強度的混凝土。對材料體系而言，采用中熱水泥、低熱水泥和復(fù)摻粉煤灰等摻和料的低水化放熱量膠凝體系，以降低混凝土絕熱溫升；合理使用補償收縮材料(輕燒MgO)，嚴格控制骨料中的石粉含量，以減少自生體積變形和干燥收縮；采用低彈性模量和線膨脹系數(shù)小的骨料，以減少塑性收縮；采用高彈性模量的纖維，以提高混凝土抗拉強度。

對混凝土設(shè)計指標而言，需建立面板混凝土工作性出機口和倉面“雙控”指標，即不僅要明確混凝土出機口坍落度設(shè)計指標，同時也要明確混凝土到達倉面的坍落度設(shè)計指標。不同工程應(yīng)根據(jù)運輸距離和時間，開展現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗，優(yōu)化和調(diào)整坍落度設(shè)計指標。在采用較低坍落度澆筑的同時，確?；炷聊軌蝽樌ㄟ^長距離溜槽到達倉面。

對施工工藝而言，應(yīng)嚴格控制混凝土坍落度變幅。在干熱、大風耦合的環(huán)境下，極易出現(xiàn)料倉上、中、下部細骨料含水率差距較大的情況，對細骨料含水率進行實時監(jiān)測尤為重要。長江科學(xué)院發(fā)明了一種基于介電常數(shù)測定混凝土細骨料含水率的方法，可以對混凝土骨料的含水率進行實時測定，通過終端控制設(shè)備對施工實際配合比進行相應(yīng)的調(diào)整，對混凝土用水量進行自動補償，實現(xiàn)混凝土智能化生產(chǎn)[66]。

5.3 強化保溫保濕措施

混凝土面板防裂的關(guān)鍵是控制面板沿厚度方向的內(nèi)外溫差。長江科學(xué)院提出了面板底部降糙、過程控溫澆筑、分期保溫保濕等全過程面板綜合防裂措施。澆筑早期應(yīng)采用合理保溫措施及遮陽措施。氣溫驟降將大幅加劇面板表面開裂風險，施工期須密切關(guān)注天氣情況做好氣溫驟降前的保溫措施。面板早期裂縫主要由溫度應(yīng)力及干縮應(yīng)力引起，面板澆筑完成后可采用噴涂養(yǎng)護密封劑，覆蓋塑料薄膜、稻草席或土工膜等材料保溫，根據(jù)環(huán)境溫度變化采用不同溫度流水養(yǎng)護，在施工條件允許的情況下，保溫保濕措施盡可能持續(xù)至蓄水。

6 結(jié) 語

我國高面板堆石壩筑壩技術(shù)已趨于成熟，形成了較為完整的技術(shù)體系，具有豐富和扎實的技術(shù)儲備。未來將面臨技術(shù)要求更加嚴苛，服役環(huán)境更加惡劣，施工難度更為艱巨的混凝土面板堆石壩工程，這些都對筑壩技術(shù)提出了更高的要求。為進一步推動面板堆石壩建設(shè)的高質(zhì)量發(fā)展，在已有發(fā)展成果的基礎(chǔ)上，一方面要優(yōu)化混凝土材料性能，制備溫升低、微膨脹、低線膨脹系數(shù)、高抗拉的混凝土;另一方面要探索混凝土智能化生產(chǎn)、智能化養(yǎng)護的方法，對混凝土質(zhì)量實現(xiàn)更加精細的管理。