高溫差、高蒸發環境下高面板堆石壩防裂技術

張正勇，巫世奇，劉東方

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都610066)

1 阿爾塔什水利樞紐工程概述

阿爾塔什水利樞紐工程是葉爾羌河干流梯級規劃中“兩庫十四級”的第11個梯級。工程壩址距喀什地區莎車縣約120 km，距喀什約310 km。工程區位于新疆塔里木盆地西部，氣溫年內變化較大，日溫差大，日照長，蒸發強烈，降水量稀少，全年1月份最冷，7月份最熱；多年平均降水量69.98 mm，平均蒸發量1 758.0 mm；空氣極度干燥。混凝土面板施工期為每年3月～5月，多年平均風速為2.0～2.2 m/s，平均月蒸發量為143～382 mm。平均月降水量3.6～8.5 mm，平均相對濕度40%～47%。

工程區域具有高寒(冬季極端溫度低于-23 ℃)、溫差大(春秋季中午高溫達到30 ℃以上，夜間低溫低至0 ℃左右)、濕度小的氣候特點。這是混凝土面板施工及養護很大的難題。為此，本文對新疆地區已施工完成的面板堆石壩面板裂縫的成因及其防裂措施和效果進行分析、總結，以為阿爾塔什水利樞紐工程提出相應的面板裂縫防治措施。

2 新疆地區面板混凝土裂縫原因分析

2.1 壩體變形協調

(1)壩址區地形地勢。位于高山峽谷地帶的工程，其壩址左右岸多為不對稱地形。這種不對稱地形在壩體沉降過程中不利于壩體整體變形協調，易導致面板裂縫的產生。

(2)設計填筑標準。各種壩料設計填筑標準對壩體質量控制起主要作用。據統計分析，采取較高的壓實設計指標，壩體變形沉降值較小，混凝土面板產生裂縫較少。

(3)壩體填筑分期。合理的壩體填筑分期是保證壩體施工質量的重要部分，也是防止面板開裂的關鍵環節之一。根據對部分面板堆石壩填筑分期統計，在分期進行面板混凝土澆筑時，面板頂部壩體填筑超高較少，有的僅為2～3 m；在下一期壩體填筑時，上一期面板下部壩料沉降未收斂，導致面板下部脫空，易出現裂縫；另外，部分面板堆石壩分期填筑到設計高程后，壩體預沉降時間較短，壩體變形未收斂，也會導致面板脫空及裂縫的產生。

(4)填筑質量。混凝土面板是一個超大型的薄板結構，大壩作為混凝土面板最重要的支撐體，其填筑質量對壩體沉降變形影響較大。根據統計分析，部分面板堆石壩填筑完成后，壩體沉降值超過壩高1%，且較長時間內沉降不收斂，造成面板混凝土在水庫運行期仍會出現擠壓破碎、錯臺、開裂等問題。

(5)擠壓邊墻影響。由于擠壓邊墻位于墊層料和面板混凝土之間，作為一個需均勻受力的承載體，擠壓邊墻表面不平整，會對薄板結構面板產生影響。

2.2 混凝土配合比設計

混凝土原材料和配合比對混凝土的性能影響較大，很多工程由于配合比未充分考慮新疆當地“溫差大、蒸發大、濕度小”的氣候特點。在室內試驗時，混凝土各項性能均能滿足設計指標要求；但實際施工時，混凝土運輸至現場后，在大風、高溫、濕度小的自然條件下，混凝土塌落度損失大、流動性差，無法順利在溜槽內流動；作業人員被迫加水，改變水灰比，從而導致混凝土性能改變，混凝土易產生裂縫。

2.3 約束對面板的影響

混凝土面板是一個超大型的薄板結構，混凝土約束底面積尺寸遠遠大于板厚尺寸，對薄板混凝土沿厚度方向的約束影響十分突出。由于約束面的約束限制了混凝土的變形，而薄板混凝土溫度沿板的高度產生拉應力的變化很快，從而使得薄板混凝土表面產生的裂縫很快向下延展，形成貫穿性裂縫。同時，對新疆地區混凝土面板堆石壩面板裂縫規律的分析發現，混凝土面板Ⅰ序澆筑板塊裂縫明顯少于Ⅱ序澆筑板塊；在一個混凝土面板上，面板底部裂縫明顯多于面板上部裂縫。

2.4 混凝土澆筑的影響

面板混凝土施工與常規混凝土施工相比有很大區別，面板混凝土是超大薄板結構，混凝土施工工藝等一切活動，都是圍繞盡量減少混凝土面板裂縫進行的，在面板澆筑過程中易出現以下幾個問題：

(1)澆筑時段。由于新疆特殊的氣候條件，夏季高溫、秋季短暫、冬季高寒，面板混凝土施工黃金時節僅為春季4月～5月。因此，做好面板混凝土澆筑各項準備，安排4月、5月黃金澆筑時段進行施工，是有利于面板混凝土裂縫控制的重要手段。

(2)滑模提升速度。在一些工程實踐中發現，當滑模提升相對較緩慢時，混凝土面板裂縫數量和規模明顯較少。滑模上升速度宜控制在2.0 m/h左右。

(3)振搗。混凝土振搗在面板混凝土施工中是重要工序，振搗質量對裂縫產生有較大的影響。過振會使混凝土產生離析，水泥漿和粗骨料分離，粉煤灰及膠凝材料上浮，混凝土表面強度明顯降低，易產生表層裂縫；漏振則會造成混凝土表面氣泡過多、蜂窩、狗洞等缺陷。

(4)收面。滑模提升后要及時收面，當滑模滑升速度慢，溫度較高時，混凝土表面易出現“假凝”或接近半初凝狀態，混凝土面與滑模間的磨擦系數增大，滑模滑升后易在混凝土表面形成裂紋。雖然這樣形成的裂紋不會太深，但若養護不當易形成裂縫。

(5)現場加水。由于混凝土配合比設計在大風、高蒸發等氣候特點時適應性不足，導致配合比設計塌落度在現場損失嚴重，無法在溜槽內溜送，施工人員私自加水，改變了混凝土水灰比。

2.5 養護

(1)保濕。由于新疆河水多來自冰川融雪水，溫度低，一般為幾攝氏度。當混凝土內部溫度較高時，若直接采用河水養護，會使混凝土面板內外溫差大而產生溫度裂縫。若養護水對混凝土形成的溫降應力與干縮應力疊加，混凝土必將產生裂縫。

(2)保溫。對新疆地區部分面板堆石壩的統計分析表明，較大裂縫一般都是溫度應力的結果，而面板的溫度應力來自于內外溫差和均勻溫降兩個方面。在溫度驟降的情況下，若施工期不采取保溫措施，即使是驟降溫差僅為5 ℃，溫度應力仍會超過混凝土的允許應力，導致混凝土的開裂。

3 防治措施

3.1 做好壩體變形協調控制

(1)壩址區左右岸地形平順。壩址選址時，盡量選擇左右岸地形較為對稱，變形均勻部位；同時，開挖時將左右岸邊坡突出巖體部位等進行處理，使兩岸岸坡整體變形協調，從而保證好的適應性。

(2)采取高設計填筑標準。為減小壩體沉降變形，建議新疆地區超過150 m以上面板堆石壩，設計階段采取設計規范中填筑標準的上限進行控制；同時針對砂礫石面板堆石壩，在確定砂礫石最大、最小干密度時，應按照NT/B 35016進行現場原型級配相對密度試驗。阿爾塔什面板堆石壩，采取了SL228—2013《混凝土面板堆石壩設計規范》中最高指標，墊層料、過渡料和主堆石區砂礫石相對密度不低于0.9，次堆石區爆破料孔隙率不低于19%。

(3)合理壩體填筑分期。做好壩體填筑分期，對加快壩體施工進度，保證階段節點目標實現十分有益。在壩體分期填筑時，分期上游臨時斷面頂高程應至少超過分期面板澆筑頂高程10 m以上。超過150 m的高壩，臨時斷面頂高程超高不得低于15 m。同時，在壩體填筑時，盡可能采取“反抬式填筑方法”，以減小次堆石區的變形。

(4)加強填筑質量控制。應加強對料源質量控制，做好各種壩料碾壓試驗，確定最優碾壓參數，施工時嚴格控制施工參數；同時，針對墊層料、過渡料、岸坡料、臺階和接縫等重要和薄弱部位，尤其要加強對碾壓過程的控制。在阿爾塔什大壩填筑過程中，引進了數字化實時監控系統，對壩料填筑層厚、振動碾激振力、行走速度、碾壓遍數等各個重要參數實現自動化監控；從而減少了人為管理中的薄弱環節，更有利于壩體填筑質量的控制。

(5)減少擠壓邊墻影響。減少擠壓邊墻的影響首先要做好擠壓邊墻的配合比試驗，保證擠壓邊墻的低強度、低彈模屬性，以適應壩體變形協調。同時，在擠壓邊墻施工時，做好擠壓邊墻表面平整度控制，減小表面不平整對薄板結構面板的影響。SL49—2015新版《混凝土面板堆石壩施工規范》中強調，壩高超過150 m的混凝土面板堆石壩如采取擠壓邊墻護坡，需進行專題論證研究。

3.2 優化混凝土配合比設計

混凝土原材料和配合比對混凝土的性能影響較大，在很多工程中進行了研究。如采用中低熱硅酸鹽水泥，摻加優質混凝土礦物摻合料，摻加一定量的纖維，摻加優質外加劑(減水劑、抗裂減縮劑等)，降低混凝土入倉溫度和采用人工破碎骨料等。同時，為確保混凝土配合比能滿足新疆特殊的氣候條件，施工現場應在相似的施工環境中進行模擬試驗，通過模擬試驗對配合比的適宜性進行檢查、調整。

3.3 減少面板混凝土的約束

(1)減小擠壓邊墻對面板的約束。面板倉位準備前，應對擠壓邊墻表部平整度進行處理，形成一個平整的承載體，以更有利于面板受力時均勻傳遞。目前，規范允許擠壓邊墻體形偏差為+50、-80 mm。新疆阿爾塔什工程中，將擠壓邊墻表部平整度要求提升到+20、-30 mm，有效減小了對面板混凝土的影響；在擠壓邊墻表部噴涂乳化瀝青或瀝青砂漿，將面板混凝土和擠壓邊墻隔離；在鋼筋倉位準備時，采取混凝土預制墊塊或者馬凳筋等替代架立鋼筋，減小架立鋼筋對面板的約束。

(2)減小面板Ⅰ、Ⅱ序垂直縫約束。首先，做好垂直縫模板的設計，確保模板平整度滿足要求，拆模后及時對Ⅰ序垂直縫面進行處理。在部分工程中，針對受壓垂直縫，設計上采取設置瀝青模板或噴涂瀝青等，以便適應Ⅰ、Ⅱ序縫面沉降。在洪家渡面板堆石壩中，垂直縫面設置苯板。在阿爾塔什面板堆石壩中，受壓區Ⅰ、Ⅱ序垂直縫間設置2 cm結構縫，縫面間隔填充瀝青木板，減小了縫面約束。

3.4 做好混凝土澆筑過程控制

(1)控制滑模上升速度。部分工程實踐表明，滑模提升速度在低于2 km/h時，出現裂縫數量和規模明顯減小。因此，應控制滑模提升速度，盡可能確保滑模提升速度不超過2 m/h。滑模每次提升高度控制在30～50 cm，避免長時間不提升滑模，混凝土蠕動造成裂縫。

(2)做好混凝土平倉及振搗。面板倉位寬度較寬時(12 m)，倉內均布2條溜槽入倉，減小混凝土平倉難度，加強對混凝土振搗，避免漏振或過振對混凝土影響；做好防曬和防風工作，在溜槽上部安設牢靠的封閉式防風遮陽棚，減少混凝土水分蒸發和坍落度損失，以利于混凝土在溜槽內流動；由于新疆地區晝夜溫差變化較大，應加強混凝土坍落度檢測，對出機口、入倉、倉面坍落度實時控制，及時調整混凝土配合比，確保混凝土獲得良好的和易性，提高面板混凝土實體質量。

(3)及時收面。由于混凝土的凝結是隨著氣溫、氣候和溫差等而改變的，為了消除混凝土早期出現的干縮裂縫，在常規收面工作后增加一次收面工序，在第一次收面與第二次收面之間，增加臨時覆蓋措施，減少水分散失，防止干縮縫的出現；在二次收面后開始養護覆蓋，邊覆蓋邊用水管噴灑養護，保證混凝土面保持濕潤，面板澆筑完成后，用鋪設的養護花管進行長流水養護直至蓄水。

3.5 及時養護

常用的養護方法是灑水和覆蓋，而且要保證90天以上，不能因為澆Ⅱ序板和做表層止水而中斷，最好能延長至水庫蓄水。

(1)保濕。吉音水庫、卡拉貝利水電站等工程，面板混凝土養護均采用溫水，壩頂安裝熱水鍋爐，面板混凝土內部埋設溫度探頭，專人負責監測氣溫、水溫及混凝土內外溫度，及時調整養護水溫，確保面板混凝土內外溫差小于20 ℃。新疆的氣候特點是晝夜溫差大，3月～4月份氣溫較低，養護溫水從頂部流到面板下部水溫損失較大，應采取工程措施避免這種現象的出現，養護水管應按高程分層布設。

(2)保溫。混凝土表面采取覆蓋措施后，內部最高溫度與表面溫度之差就會降低很多，混凝土內部受外界影響將減小，產生裂縫的可能性變小。這一點對氣溫驟降頻繁、晝夜溫差較大的地區尤為重要。

(3)凝土收面以后要及時覆蓋。及時覆蓋一方面可以避免混凝土表面水分蒸發產生干縮裂縫，另一方面可降低混凝土內外溫差避免產生溫度裂縫。覆蓋材料多種多樣，要選擇既能避免混凝土表面水分蒸發又能保溫的覆蓋材料，工程上常用的保溫材料有線毯、棉被和無紡布，避免混凝土表面水分蒸發的覆蓋材料有塑料布和土工膜。

(4)由于新疆地區春季風速較大，大風天氣頻繁，在混凝土面板施工時，要注意在面板兩側埋設地錨，用于固定面板養護覆蓋物。

4 結 語

新疆地區 “高寒、大溫差、濕度低”等自然環境，對面板型的薄板混凝土影響極大。被譽為新疆“三峽工程”的阿爾塔什水利樞紐的面板防裂問題尤為突出。施工中應通過優化混凝土配合比設計、加強混凝土澆筑過程控制、混凝土澆筑完成后及時養護等各方面細節控制，才能更好地控制面板混凝土質量，減少面板混凝土出現裂縫的可能。

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