堆石壩面板裂縫成因分析

高 珊

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434）

混凝土面板堆石壩具有工程造價少、工程量相對較小、對地質條件適應較好、施工相對比較方便、壩體穩定性較好等特點，因此被大范圍應用于水電工程中［1-2］。對于完整的面板堆石壩來說，壩體的混凝土面板、防滲墻、防滲帷幕等構成完整的防滲系統，當整個防滲系統正常工作時，就可保證大壩防滲安全。然而，在面板堆石壩快速發展的過程中卻仍然面臨著許多實際問題，主要集中在面板由于溫度應力、干縮應力、壩體變形等原因引起的大量裂縫，導致壩體發生滲漏，威脅大壩的安全［3-7］。例如我國西北口面板堆石壩澆筑完混凝土面板后，第一次檢查中發現面板存在少量裂縫，第二次檢查中發現253條裂縫，其中有135 條裂縫的寬度超過0.3 mm，最大裂縫寬度達1.2 mm［8,9］。墨西哥的Aguamilpa 大壩由于面板上的水平裂縫，滲漏量達257.7 L/s［10］。因此，混凝土面板作為面板堆石壩的重要防滲結構，其對壩體安全性和穩定性是至關重要的。

此前整體對大量工程中混凝土面板出現裂縫的特點及規律研究依然有限，因此本文詳細介紹了混凝土面板堆石壩面板裂縫成因，統計歸類世界范圍內混凝土面板堆石壩的面板裂縫特性，包括面板開裂原因、位置及階段，并對其特點及規律進行深入分析。

1 面板裂縫成因

對于面板堆石壩來說，面板裂縫通常分為兩類裂縫，一類為結構性裂縫，主要原因為壩體的不均勻變形和沉降。另一類為非結構裂縫，原因較多，主要包含溫度應力、干縮應力及施工原因等［11］。也有大多數面板裂縫都同時包含結構性裂縫和非結構性裂縫，即在實際工程中，面板裂縫是由于多種原因共同造成的。

1.1 壩體的不均勻變形和沉降

由于壩體不均勻的變形和沉降所造成的面板裂縫稱為結構性裂縫，通常在這種情況下，由于壩體變形造成面板與墊層之間出現脫空及面板與墊層的約束程度過高，當面板所產生的拉應力超過混凝土抗拉強度時，就會出現一些結構性裂縫。

1.2 溫度應力

由于溫度應力而造成的裂縫稱為非結構性裂縫。由于溫度改變，混凝土會相應出現膨脹或收縮，這種現象即為混凝土的溫度變形。混凝土在溫度改變的影響下發生相應變形，當這種由于溫度所產生的變形表現為收縮，外界和自身也都會對混凝土進行約束，此時會引起混凝土產生較大的溫度變形應力，當大于它的允許抗拉強度時，就會造成混凝土出現裂縫。溫度改變是造成混凝土產生溫度變形的關鍵原因。

1.3 干縮應力

由于干縮應力所造成的裂縫稱為非結構性裂縫。混凝土的拌合水通常被分為兩部分，其中用于水泥水化的占拌合水的五分之一，被蒸發的水分會占拌合水的五分之四，這種情況就會造成體積收縮，即為干縮現象。在水泥骨架的形成過程中，會發生水泥和水的水化且慢慢硬化，在這個過程中它會慢慢緊縮出現體積收縮的現象，即為凝縮現象。因此，混凝土的干縮現象和凝縮現象都稱為混凝土的收縮現象。

1.4 施工原因

面板混凝土施工的強度未達到規定要求時就會產生施工冷縫，這種冷縫主要是由于施工不合理造成的。施工冷縫通常出現在氣溫過高時進行面板施工及澆筑面板和制作混凝土的距離過遠。另外，在施工過程中面板局部也會出現裂縫，這種裂縫主要是由于混凝土的骨料發生分離現象或沒有振搗密實造成。

2 案例統計分析

由于溫度應力、干縮應力、壩體不均勻變形及施工等原因，國內外眾多面板堆石壩都出現面板破損、大量裂縫等問題。本文收集大量面板堆石壩面板開裂信息，但限于篇幅，僅列出部分案例。面板裂縫通常包含結構性裂縫和非結構性裂縫，因此面板裂縫為結構性裂縫的統計，如表1；面板裂縫為非結構性裂縫的統計，如表2；面板裂縫同時有包含結構性裂縫和非結構性裂縫的統計，如表3。統計數據表明，國內外建造完成的多座面板堆石壩在面板施工期、水庫蓄水期及后期運行期都出現裂縫。這些裂縫存在會對大壩安全構成威脅，因此面板開裂問題引起國內外壩工界的高度關注。

表1 面板堆石壩面板結構性裂縫統計

表2 面板堆石壩面板非結構性裂縫統計

表3 面板堆石壩面板結構性和非結構性裂縫統計

由表1～表3 統計結果得到面板開裂原因如圖1，面板開裂階段如圖2，大多數面板堆石壩的面板裂縫都發生在面板施工后，這類裂縫通常為非結構性裂縫。也有部分面板堆石壩在施工期、蓄水前后、蓄水期及蓄水運行期產生裂縫，裂縫呈現出逐漸增多的趨勢。

圖1 面板開裂原因統計

圖2 面板開裂階段統計

面板開裂位置如圖3，面板裂縫形態如圖4，面板堆石壩的面板裂縫基本呈水平狀，如圖5，另外有極少數面板堆石壩的裂縫呈縱向、斜向和網狀。

圖3 面板開裂空間位置統計

圖4 面板裂縫形態統計

大多數工程的面板裂縫都是非結構性裂縫或兩類裂縫都存在，規律如下：

（1）混凝土面板裂縫的形態基本都是水平裂縫，這種水平形態的裂縫通常橫穿過相鄰垂直縫之間整個面板板塊的寬度。

（2）大多數的裂縫集中在面板中間比較長的板塊的中部和下部，出現在上部的裂縫比較少，僅有很少的裂縫會出現在靠近岸邊的左右兩側面板板塊。

（3）大多數裂縫是在面板澆筑后開始出現，這類裂縫大多數出現在面板中下部，且大部分是由于溫度應力和干縮應力造成的，還有一些裂縫是由于施工原因等造成的。

（4）裂縫大多貫穿混凝土面板整個厚度，貫穿裂縫對大壩造成較大影響，細微裂縫對大壩的影響較小。

而面板僅出現結構性裂縫的較少，這類裂縫大多出現在面板下部及周邊區域，且由于堆石的不均勻變形造成。

3 結語

（1）詳細介紹面板堆石壩面板裂縫成因，并統計歸類國內外大量實例工程中面板裂縫相關信息，包括面板開裂的原因、位置及階段。

（2）對面板堆石壩面板開裂的位置、階段、形態與開裂原因之間關系進行深入分析，可為相關工程提供參考，但因案例有限，后續會繼續對更多工程進行總結分析。