某抽水蓄能电站堆石坝面板裂缝成因及安全性分析

仇国文

（国网新源控股有限公司检修分公司，北京 100068）

1 工程概况

某抽水蓄能电站下水库主要建筑物有拦河坝、溢洪道、放空洞等。下水库洪水标准按100 a一遇洪水设计，1 000 a一遇洪水校核，水库正常蓄水位344.50 m，相应库容859.56万m3。拦河坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝顶高程350.20 m，最大坝高92.00 m。该大坝在1997年施工期就发现100多条裂缝，缝宽大于0.3 mm有46条，其中10条是I、II期面板水平施工缝，II期面板裂缝明显多于I期面板，1999年又发现20多条大小不一的面板裂缝，对这2次检查发现的裂缝均用环氧树脂进行修补。2003年运行期面板检查时，发现有新增裂缝，也有修补过的老裂缝再次张开，大部分裂缝为水平向，呈间隔分布，靠近两岸部位也有平行于岸坡方向的裂缝，分布到离岸壁15 m处，但以细小裂缝为主，对发现的裂缝采用柔性修补方案进行修补。后续运行过程中陆续发现多处面板在高程281.00 ～ 309.00 m范围存在细微裂缝且有粉尘颗粒填充，原修补处存在表层砂浆保护层脱落现象，但没有明显反渗水现象。

2 面板裂缝成因分析

2.1 面板水平裂缝的成因分析

下库大坝面板检查发现间隔分布的水平向裂缝较多，且II期面板裂缝数量明显多于I期面板，分析原因主要与水泥用量及混凝土配合比、堆石区变形较大及不均匀沉降、面板浇筑时间等有关。

2.1.1 水泥用量及混凝土配合比

面板混凝土的强度等级不宜过高，一般C25较合适，这样可减少水泥用量，降低水化热，从而减小混凝土开裂的可能性。该工程下库坝面板混凝土原设计为C30，后经讨论改为C25，但在实际施工中，面板混凝土水灰比0.47，水泥用量偏大，I期混凝土面板混凝土取样平均抗压强度为35.5 MPa，II期混凝土面板取样平均抗压强度高达40.9 MPa，混凝土强度等级远高于C25。

在混凝土配合比方面，加入适量的粉煤灰，对预防面板开裂是有利的，且粉煤灰的等级不宜低于II级，掺量宜为15% ～ 30%。而该工程下库坝面板混凝土掺入水泥用量8%的I级粉煤灰，虽可以提高混凝土的和易性，减少水泥用量，但粉煤灰掺量偏少。

面板混凝土应采用二级配骨料，石料最大粒径应不大于40 mm，用于面板砂料的吸水率应不大于3.00%，细度模数宜在2.4 ～ 2.8范围内，石料的吸水率不大于2.00%，含泥量不大于1.0%，而本工程的吸水率平均值为2.31%，偏大。

2.1.2 堆石区变形较大及不均匀沉降

坝体填筑分期合理，不出现下游填方区较窄而高差较大，则可改善坝体水平位移的分布，使坝体变形协调，减少水平位移的最大值；过大的堆石体变形，将导致上游坝壳上部位移增量等值线密集区的差异变形增大而产生裂缝，并恶化面板的支承条件，面板变形受到堆石体的约束，或面板不适应堆石体的变形，都可能造成面板的开裂，甚至压碎。因而减小坝体的变形量，可以改善或减小面板的应力、变形和周边缝的三向位移。

下库大坝施工期间垫层料曾被雨水冲刷形成沟壑，冲刷损失垫层料和小区料达3 000多立方米，尤其是左、右趾板部分冲刷严重，后用人工回填夯实，但修补部位不易碾压密实，局部不均匀沉降较大，引起面板开裂，故施工期面板裂缝较多[1]。本工程边坡较陡，开挖坡度在0° ～ 60°，且存在多处突变，坝体填筑料厚度高差变化梯度较大，在0.00 ～ 92.00 m坝体存在不均匀沉降，导致面板与垫层料变形不协调，引起面板开裂，特别是施工期，由此引起的裂缝较多；随着时间的推移，坝体沉降逐渐趋于稳定，面板与堆石体之间的不协调性逐渐减弱，故后期面板裂缝增量也逐渐减小，裂缝长度、宽度、深度等也未出现明显增大现象。

2.1.3 面板浇筑时间

对于分期填筑的高面板堆石坝，如果估计堆石体的变形可能较大时，各期面板的浇筑高程与相应的已填筑的堆石体顶部高程之间需保持一定的高差，以避免各期面板顶部与堆石体之间出现脱空现象。

下库大坝面板分二期施工。坝体填筑至高程343.00 m后，停工4个月，在此期间I期面板施工，浇筑6# ～ 14#面板高程310.00 m以下的9块，施工期为1996年11月至次年1月，即I期面板的浇筑高程与相应的已填筑的堆石体高程差值大于43.00 m，且坝体已经经过4个月的沉降，面板与堆石体之间变形相对较协调，发生脱空的几率相对较小，面板出现裂缝的几率也较小，1997年4月坝体全面上升至高程348.50 m后，开始II期面板和防浪墙施工，浇筑剩余部分高程310.00 ～ 348.50 m面板，施工期为1997年5 — 6月，即II期面板的浇筑高程与相应的已填筑的堆石体顶部高程差值较小，且坝体仅经过1个月的沉降，剩余沉降量仍较大，面板与堆石体之间变形不协调，面板与垫层料间出现脱空的几率相对较大，出现裂缝的几率也较大，加上I期面板于1996年11月至1997年1月浇筑，气温适宜，而II期面板于1997年5 — 6月浇筑，属高温多雨季节，最高气温超过30 ℃，影响混凝土的施工质量，故II期面板裂缝数量明显多于I期面板。面板浇筑时值夏季是II期面板的水平温度裂缝多于I期面板的主要原因[2]。

2.2 面板两端纵向裂缝的成因分析

经对面板检查发现，许多平行于岸坡方向的裂缝主要分布在岸壁15.00 m处，但以细小裂缝为主，分析主要原因主要与河谷形状、水库运行方式等有关。

2.2.1 河谷形状

下库大坝河谷呈“V”，属峡谷地区，岸坡陡峻，地形比较复杂。出现许多平行于岸坡的裂缝主要是由于岸坡过陡，岸坡与堆石体之间的沉降不均匀引起的，在堆石体和水压力的作用下，堆石体产生沉降，由于岸坡过陡，导到岸坡与堆石体的不均匀沉降较大，同时堆石体沉降后，坝坡坡度变缓，导致与岩壁连接处的混凝土面板产生拉应力和弯曲应力，引起面板裂缝的产生。以2#面板的裂缝最为典型，裂缝集中于距周边缝12.00 ～ 15.00 m处，此处岸坡最陡、水压力最大，面板裂缝大部分集中在周边缝附近，且多为结构裂缝。

2.2.2 水库运行方式

本工程为抽水蓄能电站，下水库水位呈日周期变化，一般在22 — 24点库水位达到最高点，之后机组开始抽水，下库水位逐渐回落，在次日7 — 8点时，库水位至最低点，机组发电后，库水位逐步上升。水位日变幅在14.00 ～ 34.00 m，面板温度受外界温度影响，在夏季，夜间温度较低时，水位较高，面板大部分处于水下，温度较低，而白天温度较高时，水位较低，面板大部分处于水上，温度较高，冬季正好相反，日夜温差较大，易形成温度干裂缝[3]。库水位过程线见图1。

图1 库水位过程线图

3 面板裂缝较多的安全性分析

面板结构性裂缝的出现、面板沿垂直缝的挤压破坏，都与坝高有关。120.00 m高度以下的坝，出现结构性裂缝的机会很小，可以按控制收缩裂缝配筋以达到减少面板裂缝的目的。温度裂缝表现细、短和浅，一般初期裂缝宽度小于0.2 mm，不影响面板结构安全，热胀冷缩将会导致面板的裂缝的进一步发展；通常，当裂缝宽度大于0.2 mm时需要进行封闭处理。结构裂缝粗、长、深，裂缝宽度一般大于0.2 mm。面板裂缝特别是当裂缝宽度大于0.2 mm时，长时间不予处理将会影响混凝土面板的耐久性。因此只要处理好缝宽大于0.2 mm以上的裂缝，对大坝渗流状态没有太大的影响。本工程最大坝高92.00 m，面板出现的裂缝大部分为水平裂缝，部分为平行于岸坡方向的裂缝，但无明显的、大的结构性裂缝及渗水现象，从实测渗流量可知，在扣除降雨影响后坝体渗流量较同类工程小，故面板裂缝虽多但不影响大坝安全运行。

4 结 语

混凝土面板对于堆石坝而言起着抗渗作用，其质量直接影响整个堆石坝的安全。对堆石坝混凝土面板出现的裂缝一定要加以重视。本文对某抽蓄电站堆石坝面板裂缝产生的可能因素进行分析，并做出初步安全评估，以便为是否要采用合理、可行的工艺对其进行修补，防止裂缝进一步发展给堆石坝带来严重的安全隐患提供了一定的依据。

[1] 季建勇，周王俊．泽雅水库混凝土面板堆石坝面板裂缝成因分析及处理[J]．浙江水利科技，2011(4)：50 - 52．

[2] 马光明．混凝土面板堆石坝面板裂缝成因及防治[J]．西北水力发电，2006，22(2)：99 - 101．

[3] 易英仲，吴成源，韦孟康．堆石坝混凝土面板裂缝成因及防治[J]．广西水利水电，2006(3)：72 - 75.