水庫堆石壩混凝土面板防裂優化設計研究

摘 要：某水庫工程擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，面板堆石壩有很多優點，但混凝土面板在施工期、蓄水前及蓄水后容易產生裂縫。為了防止面板裂縫的產生，針對混凝土面板堆石壩面板出現裂縫的原因進行分析，在水庫工程設計中進行防治措施的探討，并將防治措施運用到施工中以減少裂縫的產生，以提高水庫工程施工建設質量。

關鍵詞：水庫；混凝土面板堆石壩；防止；裂縫

1 工程概況

某小（1）型水庫工程，其壩址以上流域集雨面積為21.7km2，多年平均徑流量1833萬m3，多年平均流量為0.67m3/s，總庫容865萬m3，工程等別為Ⅳ等。工程建成后可解決19886人及9233頭大小牲畜飲水問題，兼顧下游約6875畝的農業良田灌溉及園區工業供水，年供水量月1186萬m3。

2 混凝土面板易產生裂縫問題

水庫工程擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，壩頂高程699m，河床段趾板建基面高程629.00m，最大壩高70m。混凝土面板堆石壩技術發展迅速，在中國已有30多年的歷史，該壩型具有安全性強、施工簡便、經濟性好、運行維護方便、壩體填筑施工不受雨季影響等優點。但是防滲面板在施工期、蓄水前及蓄水后常產生裂縫一直是該壩型容易發生的問題。例如，位于南盤江干流的天生橋一級壩的面板在施工期、蓄水期共發現了4537條裂縫，水布埡二期面板壩共發生12條裂縫。針對面板堆石壩面板容易產生裂縫的問題，所以在設計時就應分析面板發生裂縫的原因，并在設計中提出防裂措施并運用到施工中，以使面板在施工期、蓄水前及蓄水后避免裂縫的發生[1]。

3 混凝土面板裂縫產生的原因及防裂設計措施

3.1 混凝土面板裂縫產生的原因

3.1.1 自身裂縫產生的原因

（1）混凝土剛澆筑完畢水分過早蒸發而導致的收縮裂縫；（2）混凝土澆筑完7d左右低齡期水化熱溫升30℃以上混凝土膨脹階段，混凝土內部與外界溫差過大而引起的溫差裂縫；（3）高齡期水化熱溫降階段混凝土收縮而引起的干縮裂縫。

3.1.2 結構性裂縫產生的原因

混凝土面板堆石壩大多為結構性裂縫，結構性裂縫會使面板后期呈規律性開裂作用，一旦發生此裂縫，面板將產生貫穿性張裂。

（1）壩上部區域的水平變形。高面板壩蓄水至高水位后，因巨大水壓力作用，壩頂易出現了水平位移，出現水平位移后面板易產生撓曲變形，從而產生了彎矩、拉應力及壓應變，直至產生一系列裂縫。水庫大壩最大壩高69m，混凝土面板分擔的水荷載及承受的彎矩較小可以忽略，所以可以不考慮壩上部因水壓力而產生的水平變形。

（2）壩上部區域的水平位移。若壩體下游次堆石區用軟巖填筑，軟巖填筑不僅會加劇下游次堆石區的施工期沉降，而且還容易造成了竣工后下游坡大范圍的水平位移，甚至有可能危及下游坡的變形穩定性，甚至會削弱壩體上部的整體剛度，在高水位下，有可能增大壩上部的水平位移。

（3）壩體沉降產生的影響。堆石壩壩體不管在施工中或施工后都會發生壩體沉降，壩體沉降會導致面板和墊層之間出現脫空，改變了面板的受力狀態，增大了面板的撓曲變形。當面板上作用荷載的應力大于混凝土的抗拉強度后便產生裂縫。因此，面板澆筑不宜過早，待設計沉降期過后，再澆筑面板。

水庫大壩壩體施工期的沉降值，按推薦公式進行估值，計算結果表明：沉降量沿壩高呈拋物線分布，h=0.5H處沉降量最大，Smax=0.638m。

水庫大壩壩頂蓄水期的沉降值，按推薦公式進行估值，計算結果表明：蓄水期沉降量為S2=0.145m。

為了克服壩體沉降可能對面板帶來的裂縫影響，水庫工程大壩在施工中采用擠壓邊墻技術，并預留3個月大壩沉降期，待大壩填筑完畢才澆筑面板，所以可忽略施工期大壩沉降的影響[2]。但水庫工程大壩竣工后沉降量與壩高的理論比值達到2.1‰，因此不能忽略竣工后沉降量所產生的影響，所以在水庫工程設計及施工中應采用多種面板防裂措施。

3.2 水庫工程設計中的防裂措施

（1）設計中指出工程施工時壩體填筑不宜在兩岸及上下游分區填筑，填筑速度應均衡上升[3]；（2）設計中提出面板建基面應平整，不應存在過大起伏差、局部深坑或尖角；（3）合理選用筑壩材料。主堆石區是面板壩的主體，是承受水荷載及其它荷載的主要支撐體，其巖石的性質、碾壓的效果，都要有嚴格的要求，一般要求低壓縮性即高密度，高抗壓剪強度，施工期及運行期均不產生空隙水壓力，為減少壩體的位移和周邊縫的三向變位，要求有高的壓縮模量，故該部分材料選用弱風化到新鮮基巖料，要求有良好的級配，以保證碾壓密度和較高的摩擦角，材料最大粒徑800mm，設計孔隙率≤20%，小于5mm的顆粒含量不超過20%，小于0.075mm顆粒含量不宜超過5%，設計干密度≥21.20kn/m3。下游堆石區處于壩體次要部位，位于壩軸線下游，由于下游壩坡為1：1.4，為保證碾壓密度和較高的摩擦角，故該部分采用選用中風化至新鮮基巖，材料最大粒徑800mm，設計孔隙率≤21%，小于5mm的顆粒含量為5%～20%，設計干密度≥20.90kn/m3；（4）提高堆石體壓實密度。面板應變與堆石體變形特性密切相關，而與面板自身厚度關系不大。提高堆石體壓實密度，減小其變形，是降低面板變形應變直至產生裂縫的重要措施；（5）運用監測儀器監測施工期壩體的水平位移、沉降位移，根據觀測數據判斷其變形是否在設計允許范圍內判斷壩體填筑質量，觀察控制壩體沉降，最終防止面板產生裂縫；（6）采用噴射混凝土作為墊層料的固坡保護，并將其28d抗壓強度控制在5MPa左右；（7）采用擠壓邊墻技術。水庫工程設計采用擠壓混凝土邊墻技術，因混凝土擠壓邊墻強度低、彈性模量小，有一定的透水性，能更好地適應壩前墊層區的變形，有效防止壩面脫空，防止面板產生不均勻受力直至產生裂縫的有效方法；（8）預留一定時間的大壩沉降期。水庫工程大壩沉降期為2016年6月至8月底，沉降期為3個月，以減小堆石徐變對面板產生裂縫的影響；（9）水庫工程設計面板壓性縫頂部的V形切口深度不宜大于5cm；（10）在大壩混凝土中摻加聚丙烯腈。水庫大壩混凝土面板設計中摻加聚丙烯纖維可以有效提高混凝土的極限拉伸值，使混凝土具有較高的拉壓比，降低彈性模量，從而增強其適應變形的能力，并在混凝土初裂以后，提高混凝土的斷裂韌度，使混凝土具備一定的止裂能力；（11）摻加輕燒氧化鎂。水庫大壩混凝土面板設計中摻加輕燒氧化鎂可以有效補償混凝土收縮，減少混凝土干縮變形和線膨脹系數，從而使混凝土具有不裂或少裂的特性。（12）水庫大壩面板混凝土選用VF-II防裂劑、BLY引氣劑、NMR高效減水劑復合摻用。（13）設計中提出面板混凝土澆筑后應及時采取保溫措施，收倉3d后，可采用流水養護。

4 結束語

水庫工程為農村安全飲水重點水源工程，為提供村鎮供水、工業園區供水和灌溉用水的綜合型水庫。為提高水庫工程質量，從分析該類型壩容易出現面板裂縫問題入手，設計中考慮以上13種措施方法運用到水庫工程施工中，以避免水庫大壩面板出現裂縫問題。

參考文獻

[1]易英仲，吳成源，韋孟康.堆石壩混凝土面板裂縫成因及防治[J].廣西水利水電，2006（3）：72-75.

[2]光明.混凝土面板堆石壩面板裂縫成因及防治[J].西北水力發電，2006，22（2）：99-101.

[3]馮美蘭.高混凝土面板堆石壩面板裂縫防治[J].東北水利水電，2012（1）：27-28.

作者簡介：鮑海霞（1977-），女，蒙古族，本科，高級工程師，現從事水利勘測設計工作。