高寒、高海拔地區水電站大體積混凝土裂縫防控措施

張會強

中交水利水電建設有限公司，浙江 寧波 315000

西藏加查水電站位于西藏自治區加查縣，該工程為二等大（2）型工程，電站總裝機360MW，采用河床式開發方式，擋水建筑物為常態混凝土重力壩，發電廠房壩后布置，建基面高程為3166m，最大壩高83m，壩頂高程3249m；加查水電站位于高原溫帶季風半濕潤氣候地區，根據實測資料統計，多年平均氣溫9.2℃，冬季最低氣溫-16.6℃。項目地區屬于西藏高寒、高海拔地區，氣溫低、溫差大、空氣含氧量低、紫外線輻射強等各項氣候條件給水電站大體積混凝土裂縫防控工作帶來一定挑戰。

1 裂縫成因

大體積混凝土在不適宜的條件下會產生裂縫，如表面裂縫、深層裂縫、貫穿裂縫，不同規模的裂縫將會給混凝土結構帶來不同程度的使用影響。造成大體積混凝土產生裂縫的原因有多種，主要包括溫度和濕度的變化、混凝土的脆性和不均勻性、結構不合理、原材料不合格（如堿骨料反應），以及模板變形和基礎不均勻沉降等。

該地區大體積混凝土產生裂縫的具體原因如下：（1）外界氣溫變化較大產生裂縫，西藏地區晝夜溫差較大，溫差基本達到20℃以上，白天太陽直射結構物表面，混凝土表面溫度較高，大體積混凝土不易散熱，夜晚氣溫驟降，會顯著增加混凝土內外溫差。溫差越大，混凝土內部溫度應力越大，混凝土越容易產生裂縫。（2）混凝土收縮產生裂縫，西藏地區紫外線較強，空氣濕度低，混凝土表面水分易揮發，導致混凝土產生大面積表面裂縫，長時間作用下發展成深層裂縫甚至貫穿裂縫，影響結構安全和使用性能。（3）水泥水化熱引起裂縫，大體積混凝土中水泥水化過程中要釋放一定熱量，而大體積混凝土結構表面系數相對較小，熱量不易散失，導致裂縫產生。

結合該工程，從混凝土結構設計、混凝土配合比設計、混凝土拌和、混凝土澆筑施工和混凝土的保濕、保溫及保護等方面闡述高寒、高海拔地區水電站大體積混凝土裂縫防控措施。

2 設計與構造措施

設計是否合理是影響結構使用和安全性能的最重要內容，同時也是影響大體積混凝土是否會產生裂縫的關鍵因素。首先，增加結構抗裂性能，適當增加混凝土結構配筋，適應混凝土干縮和溫度變形，設計過程中合理縮小壩段尺寸或澆筑塊，增設左右壩段橫縫或上下游壩段縱縫以利于適應干縮和溫度變形；其次，細化設計混凝土分區，采用“金包銀”的理念，即大壩迎水面后其他永久外露面使用抗滲、抗凍、強度均較高的細骨料混凝土，大體積混凝土中心部位采用強度較低的粗骨料（如三、四級配）混凝土，以減少混凝土的水化熱，降低混凝土內部溫度應力，控制溫度變形。

3 材料控制措施

3.1 配合比設計

配合比設計階段必須嚴格選取拌和所用原材料，避免選擇堿活性高的砂石料，盡量選擇水化熱低的水泥材料，同時應控制水灰比，可摻加一定量的粉煤灰或石粉，以降低混凝土的絕熱溫度。

混凝土中摻入一定量的優質粉煤灰，不但能代替部分水泥，而且粉煤灰顆粒呈球狀，起到潤滑作用，可以改善混凝土的和易性，粉煤灰后期強度高、溫升慢，降低混凝土最高溫度值，還可摻加一定量的石粉，增加混凝土的和易性和黏聚性，降低混凝土水化熱。配合比設計階段，通過外加摻料可改善混凝土可操作性，降低成本，同時降低水化熱，減小混凝土溫度值，一定范圍內降低混凝土溫度應力，控制溫度變形。

3.2 混凝土拌和及運輸

由于西藏夏季氣溫較高，太陽紫外線輻射較強，混凝土自拌和出料、運輸至澆筑現場溫升較大，嚴重影響成型混凝土的內部溫度。混合料溫度控制措施如下：（1）混凝土拌和過程中應對砂石骨料進行預冷或加冰、冰水進行拌和，以控制出料溫度；（2）混凝土水平運輸或垂直運輸過程中避免太陽直射，水平運輸車輛應加設可開啟式的液壓棚蓋或帆布覆蓋，車輛四周擋板及垂直運輸纜機吊罐使用聚乙烯苯板外部貼合，盡量避免太陽直射鐵板升溫。

4 澆筑施工階段控制措施

4.1 建基面施工

該工程建基面主要為巖石基礎面，由于巖石本身風化較嚴重及爆破開挖過程中外力作用導致建基面破碎嚴重，且存在條形斷層破碎帶，此類巖石建基面必須妥善處理，否則巖石斷面移動后將引起上部混凝土結構產生裂縫。條形巖石斷層破碎帶必須挖槽處理，槽深為槽寬的1.5倍，處理完成后于槽頂鋪設大直徑的鋼筋網，在抗拉鋼筋上安裝鋼筋應力監測設備；混凝土澆筑完成后及時觀測斷層鋼筋應力變化，直至基礎固結灌漿完成，若應力增加較大，則應根據實際情況增加固結灌漿深度并加大注漿量，以增加基巖整體穩定性，避免由于基巖斷層帶應力變化導致上層混凝土產生裂縫，影響結構使用安全。

4.2 大體積混凝土澆筑施工

大體積混凝土澆筑施工前應按照設計要求合理劃分單元倉位面積尺寸和澆筑厚度，單元倉位面積宜小不宜大，以增加散熱系數，夏季澆筑厚度宜為1.5m，冬季澆筑厚度可以為1.5～3.0m，最厚不宜超過3m。

加查水電站大壩混凝土采用三、四級配澆筑施工，因此在澆筑過程中應加強振搗，以3遍為宜，一般非結構鋼筋部位采用Φ150mm的8頭振搗機進行機械振搗，結構鋼筋或距離模板1m范圍內采用Φ100mm的振搗棒進行人工振搗，保證混凝土的均勻密實性，保證混凝土的抗開裂能力。

（1）特殊季節施工。西藏地區夏季太陽直射溫度較高，白天最高氣溫在30℃以上；冬季夜間氣溫較低，最低氣溫在-16℃以下；環境極高溫和極低溫都會影響混凝土的強度，混凝土易開裂。①夏季，混凝土澆筑過程中除采取措施降低混合料溫度和運輸升溫程度，還必須采取措施降低倉面溫度和混凝土縫面溫度；混凝土入倉前采用噴霧機噴霧，降低倉面溫度，使其在15℃以下，保證基層混凝土縫面濕潤無積水；混凝土平倉振搗完成或單元工程澆筑完成后及時覆蓋塑料薄膜和保溫卷材，混凝土水平面沖毛完成后仍采用塑料薄膜和保溫卷材覆蓋，直至澆筑上層混凝土。②冬季，外界環境氣溫較低，夜間氣溫均在0℃以下，混凝土澆筑過程中應提高混合料的出機口溫度，加熱水拌和或將砂石骨料預熱，保證混凝土出機口溫度在10℃以上；混凝土運輸過程中對水平運輸自卸汽車和垂直運輸的纜機吊罐采取外部保溫措施，減少運輸過程中的溫度損失；混凝土入倉前，采用尺寸為20m×10m的電熱毯將縫面溫度提升至5℃以上，澆筑過程中倉面需配備足夠的柴油暖風機或電熱暖風機提高倉面澆筑部位溫度，倉面無積水和結冰；混凝土平倉振搗完成或單元工程澆筑完成后及時覆蓋塑料薄膜和保溫卷材，混凝土澆筑完成后在上部搭設保溫暖棚，暖棚內設置不少于4臺暖風機，加熱直至混凝土沖毛完成；混凝土澆筑7d后方可拆除已采取保溫措施的模板，一邊拆除模板一邊在混凝土的外露面粘貼5cm厚的保溫苯板；保證混凝土強度增長，提高抗開裂能力。

（2）溫度監測及通水冷卻降溫。該工程共配備4臺冷水機組，8臺電子測溫儀器，25臺紅外線測溫計；混凝土澆筑過程中在每個倉位埋設HDPE（高密度聚乙烯）冷卻通水管路和不少于3支測溫組件，自澆筑完成后開始每天測量混凝土內部溫度，根據每日測量平均溫度了解混凝土內部溫度情況，根據內部溫度升降速率調整每日冷卻通水流量，通過每日冷卻水流量的調整控制混凝土內部溫度升降在0.5℃范圍內；通過冷卻水降低大體積混凝土內部溫度峰值，冷卻通水時間一般為28d或直至內部溫度平穩后結束。

（3）裂縫處理。施工過程中若采取的各項措施做得不到位，則大體積混凝土不可避免會產生裂縫，無論是表面細微裂縫、深層裂縫，還是貫穿裂縫，都應對其予以重視并及時處理，處理完成前不得進行下道工序施工。對于表面裂縫，應在刻槽處理后澆筑上層混凝土，對于深層裂縫和貫穿裂縫，應待裂縫不再繼續發展后進行刻槽、預縮砂漿處理、埋設注漿管、安裝限裂半管和限裂鋼筋，經驗收合格后方可繼續澆筑上層混凝土，若未經處理澆筑上層混凝土，裂縫會繼續向上、向下發展，出現更大面積的混凝土開裂破壞。具體處理措施如圖1所示。

圖1 裂縫處理示意圖

5 成品保濕、保溫及保護

混凝土澆筑完成后，在達到一定強度前，不允許在上面走動、堆放材料和設備，混凝土澆筑完成3d后方可拆除非承重模板，模板拆除后及時粘貼保溫苯板。西藏地區屬于高寒高海拔地區，晝夜溫差大，紫外線強烈，陽光直射溫度高，濕度小，風速大，氣壓低，因此日均蒸發量很高，若保濕措施不完善，則會因為混凝土表面水分快速蒸發導致大體積混凝土產生裂縫。為了避免過大蒸發量的影響以及極寒天氣的侵蝕，在澆筑后必須及時采取保濕、保溫措施，達到良好的保溫、保濕的效果；同時直至澆筑上層混凝土前，對混凝土水平面采取灑水保濕措施，垂直面采取掛設花管噴水保濕措施，混凝土養護時間宜不少于14d。若冬季停止施工，應采用保溫材料將所有與外界空氣直接接觸的混凝土外露面覆蓋，避免內外溫差過大引起溫度裂縫。

6 結束語

大體積混凝土裂縫是影響水電站等工程結構使用性能和安全性能的重要因素，但其裂縫的產生與控制在施工過程中受諸多因素的影響，只有在結構設計、材料選擇、施工工藝、配合比設計以及成品的養護和保護過程中采取合理的控制措施，嚴格管理，嚴密組織施工，才能有效避免大體積混凝土裂縫的產生和發展。