闲林水库堆石坝趾板及面板混凝土防裂试验研究

金 海，杨志祥，金建峰，徐 敏

(1.杭州市闲林水库管理处，浙江 杭州 310007；2.中国水利水电第十二工程局有限公司，浙江 杭州 311600)

0 引 言

混凝土面板堆石坝的建设发源于美国,自19世纪末建成54 m高的Movena坝以来,经过100余年的发展，目前技术已基本成熟.现代面板堆石坝绝大多数采用混凝土趾板、面板作为防渗结构，因其具有造价低、工期短等优点，得到了蓬勃的发展[1].

由于堆石体的沉降、混凝土收缩等原因，混凝土面板开裂很难避免，因而成为工程质量控制的重点和难点问题.面板混凝土裂缝可分为结构性裂缝和非结构性裂缝.由于混凝土自身施工质量和周边环境因素使面板混凝土产生应力而导致的裂缝为非结构性裂缝；由于堆石体在自重和水压力作用下产生不均匀沉降导致混凝土面板与垫层料或混凝土或混凝土挤压边墙脱空导致面板产生贯穿性的裂缝为结构性裂缝[2].裂缝对大坝的危害是显而易见的，它将降低混凝土面板的耐久性，进而引发渗漏并危及大坝安全.美国的盐泉面板坝和葡萄牙的伯勒代拉面板坝，均因面板严重断裂和漏水而影响安全运行；中国沟后水库大坝面板接缝止水的损坏，也是导致垮坝失事的原因之一[3].

杭州市闲林水库大坝工程位于杭州市余杭区闲林镇，工程任务以城市应急备用、抗咸备用和抗咸供水为主，兼具防洪和改善水环境等功能.大坝工程包括面板堆石坝土建工程、泄洪兼导流洞土建工程、上坝道路土建工程、附属金属结构、机电设备安装工程、施工导流工程以及其他生产生活设施等.

为预防大坝面板非结构性裂缝的产生，保证库区安全，以及经济有效地解决趾板、面板混凝土的开裂问题，本文以VF防裂剂的掺量为变量对趾板、面板混凝土作了防裂试验研究，为趾板、面板防裂混凝土的生产和施工提供依据.

1 试验方案

1.1 面板混凝土结构概况

本工程混凝土面板堆石坝坝顶高程74 m，最低建基面高程34 m，最大坝高40 m，坝顶长度230 m，宽8 m，坝前坡比1∶1.4，坝后坡比为1∶1.6，面板混凝土厚度为400 mm，混凝土强度为C25、抗渗等级W8、抗冻等级F100，混凝土级配为二级配，强度保证率≥95%，坍落度30～70 mm.混凝土工程量约为2万m3，其中面板混凝土工程量为5 141m3，趾板混凝土工程量为854 m3.

1.2 补偿收缩混凝土

混凝土浇筑后，胶凝材料在水化过程中散发大量的水化热，由于混凝土的导热性较差，在混凝土结构内部聚集大量热量而不能散发.混凝土在降温过程中，形成混凝土表里温差，起因于表里温差超过一定范围，就有可能发生表面裂缝，进而发展成贯穿性裂缝.另一种情况是混凝土构件从最高的截面平均温度逐渐降至环境大气的平均温度，降温过程中起因于温差的温度应变收到外部约束时所引发的裂缝是贯通性的[4].而补偿收缩混凝土，能够让混凝土适度膨胀，受到外部、内部约束后产生压应力抵消其有害的限制收缩拉应力，从而达到避免或大大减轻混凝土开裂的目的，这就是补偿收缩混凝土的防裂机理，也就是说，补偿收缩混凝土防裂的原理就是利用限制膨胀来补偿限制收缩[5].

在基准混凝土配合比中掺入VF防裂剂，可以使混凝土产生微膨胀.膨胀变形在约束条件作用下使得混凝土内部产生压应力从而对混凝土收缩变形产生的拉应力进行补偿，拉应力的峰值被均化并减小，最终达到防裂作用.VF防裂剂的掺量决定着混凝土的限制膨胀率的大小，而限制膨胀率是防裂混凝土设计中最为重要的参数，直接决定混凝土抗裂性能的优劣.所以防裂混凝土试验的核心内容就是确定VF防裂剂的掺量.

1.3 试验方案

根据厂家推荐掺量(胶凝材料用量的8%～12%)及以往多项同类工程的应用经验，选择10%、12%两个掺量进行试验，另外制作不掺VF防裂剂(掺量为0)的试件作对比试验.试验项目主要有力学性能试验(抗压强度)、耐久性能(抗渗、抗冻)、变形性能(极限拉伸值、限制膨胀率、干缩率).试拌方案及抗压试验结果(见表1).

表1 防裂混凝土抗压试验结果

2 试验结果及分析

2.1 防裂混凝土抗渗试验、抗冻试验

根据《水工混凝土试验规范》(SL 352-2006)，制作混凝土抗渗试件，至设计龄期后进行抗渗试验.采用逐级加压法加压至0.8 MPa，各组抗渗试件均无渗水，试件的抗渗等级均满足W8要求.混凝土抗冻试验按《水工混凝土试验规范》快冻法进行试验.按试拌方案制备抗冻试件，至龄期后进行抗冻试验，各组混凝土均满足设计F100抗冻要求.

2.2 防裂混凝土变形性能试验

2.2.1 极限拉伸值试验

混凝土极限拉伸试验按《水工混凝土试验规范》(4.5混凝土轴向拉伸试验)进行检验.按试拌方案制备轴向拉伸试件，至龄期后进行混凝土轴向拉伸试验，掺量0%、掺量10%、掺量12%三组试件的极限拉伸值分别为114×10-6、111×10-6、106×10-6，均符合设计要求.

2.2.2 防裂混凝土限制膨胀率及干缩试验

为取得防裂混凝土限制膨胀率及干缩率两个关键参数，试验选取三种VF防裂剂掺量、两种配筋率进行混凝土变形试验，试验结果(见表2).

表2 防裂混凝土变形干缩试验结果

2.3 防裂混凝土抗裂计算

2.3.1 极限拉伸值SK的确定

2.3.2 混凝土冷缩率ST值的确定

混凝土冷缩率取决于施工时段混凝土实际浇筑温度，水化热温升和月平均最低温度.计算公式ST=ΔT×α(ΔT为混凝土降温过程的最大温差，α为混凝土线膨胀系数，一般取α=1×10-5/℃)；混凝土温差△T=混凝土内部最高温度TMAX-环境温度.式中：TMAX-混凝土浇筑温度+水化热温升；环境温度-按最不利情况取施工期间工地月平均最低温度.

闲林水库大坝工程面板大约于2014年2月开始浇筑，根据当地气象统计资料，该时段多年平均最低气温为0.9 ℃.考虑水泥水化热，经计算混凝土内部最高温度为27.8 ℃，则混凝土温差：ΔT=27.8-0.9=26.9 ℃，混凝土线膨胀系数α=1×10-5/℃，则混凝土冷缩率为：ST=ΔT×α=26.9×1×10-5=2.69×10-4.

2.3.3 混凝土干缩率S2值的确定

混凝土干缩是由于混凝土中水分散失和环境湿度下降引起的，如能及时补充水份，或增加环境湿度，则干缩可逆特性可以发挥，使混凝土由收缩转为微膨胀.本流域属亚热带，气候温暖，雨量充沛，多年平均降雨量为1 448 mm，根据上述气候条件，结合试验实测的混凝土限制收缩的试验成果及面板混凝土实际配筋率为0.40%，以60 d龄期配筋率为0.40%的试件的干缩值为基准确定干缩应变.掺量0%、掺量10%、掺量12%三组试件的干缩率分别为1.800×10-4、1.700×10-4、1.690×10-4.

2.3.4 限制膨胀率(e)的确定

通过补偿收缩通式计算：|D|=|e-S2-ST|≤|SK|，得出掺量0%、掺量10%、掺量12%三组试件的e分别为≥2.780×10-4、≥2.700×10-4、≥2.790×10-4；掺量0%、掺量10%、掺量12%三组试件的e实测值分别为0.167×10-5、2.767×10-4、2.793×10-4.

从上述防裂计算结果可以看出，防裂剂掺量为10%和12%时，均可满足防裂要求.从经济角度出发，选择防裂剂掺量为10%.

3 施工建议

3.1 混凝土坍落度的控制

防裂混凝土，应具有良好的工作性，既要满足现场远距离运输的要求，又要容易振捣密实，同时坍落度应尽量小，以减小混凝土用水量达到降低混凝土干缩的目的.依据面板混凝土的施工工艺，混凝土入仓时坍落度宜控制在30～70 mm.因此坍落度损失直接影响混凝土的现场生产与施工的进行.导致混凝土坍落度损失的原因很多，较为多见的有水泥的因素、施工及环境因素以及拌和方式等.现场拌合楼设置在坝下，混凝土从拌合楼到仓面的运输时间大概5 min右，为此在室内做了混凝土的坍落度损失试验，以便确定出机口坍落度损失范围.经试验，混凝土5 min坍落度损失27%，因此混凝土出机口坍落度应控制在50～70 mm，才能满足现场施工要求.

3.2 趾板、面板防裂混凝土施工配合比的确定

综合混凝土各项试验结果可以看出，编号为02的配合比施工和易性、力学性能、耐久性能、变形性能均能满足防裂趾板、面板混凝土设计要求C25W8F100.因此，推荐编号为02的配合比为闲林水库大坝面板工程趾板、面板混凝土施工配合比(见表3).

表3 趾板、面板防裂混凝土推荐施工配合比

3.3 混凝土的施工控制

(1)为了防止温降过大，减少温差，混凝土浇筑时间应选环境温度在5 ℃～20 ℃为宜.

(2)为提高混凝土的抗裂能力，混凝土拌和物应具备粘聚性好，骨料不易分离、流动性好等特点，因此应充分保证各种原材料的称量准确、拌和充分均匀.

(3)为了防止混凝土早期裂缝的出现，在混凝土初凝前应采用二次压面工艺.混凝土初凝后应及时铺盖保温材料并及时洒水养护.

(4)认真做好混凝土保温保湿的养护工作以减少环境条件引起的干缩和冷缩.面板养护工作至少持续90 d，最好能养护到坝体蓄水.

(5)配合比中骨料均以饱和面干、标准粒径为准，现场混凝土浇筑时，应根据骨料实际含水量和超逊径情况进行调整.

(6)严格控制机口坍落度.机口坍落度应控制在50～70 mm.

(7)混凝土含气量应控制在4.5%～5.5%范围内，现场混凝土生产时应根据混凝土的含气量及时调整引气剂的掺量，以保证现场混凝土含气量达到控制要求.

4 结 语

试验表明防裂剂掺量为10%最为合适，并据此确定防裂混凝土的施工配合比.混凝土的抗渗、抗冻等各项指标均满足本工程面板混凝土的强度要求，为防裂混凝土的实施提供了理论依据.同时，把握好从拌合、运输、浇筑、养护的施工各个环节，严格控制好混凝土浇筑质量，加入VF防裂剂能够有效地减少面板非结构性裂缝的发生，对于防止裂缝产生、保证工程质量，具有重要作用.

参考文献：

[1] 蒋国澄，徐泽平.国际混凝土面板堆石坝发展综述——第一届堆石坝国际研讨会总报告[J].现代堆石坝技术进展,2009(3):92-93.

[2] 赵树冬.堆石坝面板混凝土裂缝修复技术研究[J].中国高新技术企业,2010(1):150-151.

[3] 魏德荣，高伟中，秦一涛，等.混凝土面板裂缝的监测[J].贵州水力发电,2004,18(4):39-41.

[4] 鲁 电.堆石坝混凝土面板防裂机理研究[J].水利水电科技进展,2001,21(4):48-49.

[5] 鲁 电.补偿收缩混凝土防裂机理研究[J].水利水电科技进展,2003,23(4):8-17.