高温差、高蒸发环境下高面板堆石坝防裂技术

张正勇，巫世奇，刘东方

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川成都610066)

1 阿尔塔什水利枢纽工程概述

阿尔塔什水利枢纽工程是叶尔羌河干流梯级规划中“两库十四级”的第11个梯级。工程坝址距喀什地区莎车县约120 km，距喀什约310 km。工程区位于新疆塔里木盆地西部，气温年内变化较大，日温差大，日照长，蒸发强烈，降水量稀少，全年1月份最冷，7月份最热；多年平均降水量69.98 mm，平均蒸发量1 758.0 mm；空气极度干燥。混凝土面板施工期为每年3月～5月，多年平均风速为2.0～2.2 m/s，平均月蒸发量为143～382 mm。平均月降水量3.6～8.5 mm，平均相对湿度40%～47%。

工程区域具有高寒(冬季极端温度低于-23 ℃)、温差大(春秋季中午高温达到30 ℃以上，夜间低温低至0 ℃左右)、湿度小的气候特点。这是混凝土面板施工及养护很大的难题。为此，本文对新疆地区已施工完成的面板堆石坝面板裂缝的成因及其防裂措施和效果进行分析、总结，以为阿尔塔什水利枢纽工程提出相应的面板裂缝防治措施。

2 新疆地区面板混凝土裂缝原因分析

2.1 坝体变形协调

(1)坝址区地形地势。位于高山峡谷地带的工程，其坝址左右岸多为不对称地形。这种不对称地形在坝体沉降过程中不利于坝体整体变形协调，易导致面板裂缝的产生。

(2)设计填筑标准。各种坝料设计填筑标准对坝体质量控制起主要作用。据统计分析，采取较高的压实设计指标，坝体变形沉降值较小，混凝土面板产生裂缝较少。

(3)坝体填筑分期。合理的坝体填筑分期是保证坝体施工质量的重要部分，也是防止面板开裂的关键环节之一。根据对部分面板堆石坝填筑分期统计，在分期进行面板混凝土浇筑时，面板顶部坝体填筑超高较少，有的仅为2～3 m；在下一期坝体填筑时，上一期面板下部坝料沉降未收敛，导致面板下部脱空，易出现裂缝；另外，部分面板堆石坝分期填筑到设计高程后，坝体预沉降时间较短，坝体变形未收敛，也会导致面板脱空及裂缝的产生。

(4)填筑质量。混凝土面板是一个超大型的薄板结构，大坝作为混凝土面板最重要的支撑体，其填筑质量对坝体沉降变形影响较大。根据统计分析，部分面板堆石坝填筑完成后，坝体沉降值超过坝高1%，且较长时间内沉降不收敛，造成面板混凝土在水库运行期仍会出现挤压破碎、错台、开裂等问题。

(5)挤压边墙影响。由于挤压边墙位于垫层料和面板混凝土之间，作为一个需均匀受力的承载体，挤压边墙表面不平整，会对薄板结构面板产生影响。

2.2 混凝土配合比设计

混凝土原材料和配合比对混凝土的性能影响较大，很多工程由于配合比未充分考虑新疆当地“温差大、蒸发大、湿度小”的气候特点。在室内试验时，混凝土各项性能均能满足设计指标要求；但实际施工时，混凝土运输至现场后，在大风、高温、湿度小的自然条件下，混凝土塌落度损失大、流动性差，无法顺利在溜槽内流动；作业人员被迫加水，改变水灰比，从而导致混凝土性能改变，混凝土易产生裂缝。

2.3 约束对面板的影响

混凝土面板是一个超大型的薄板结构，混凝土约束底面积尺寸远远大于板厚尺寸，对薄板混凝土沿厚度方向的约束影响十分突出。由于约束面的约束限制了混凝土的变形，而薄板混凝土温度沿板的高度产生拉应力的变化很快，从而使得薄板混凝土表面产生的裂缝很快向下延展，形成贯穿性裂缝。同时，对新疆地区混凝土面板堆石坝面板裂缝规律的分析发现，混凝土面板Ⅰ序浇筑板块裂缝明显少于Ⅱ序浇筑板块；在一个混凝土面板上，面板底部裂缝明显多于面板上部裂缝。

2.4 混凝土浇筑的影响

面板混凝土施工与常规混凝土施工相比有很大区别，面板混凝土是超大薄板结构，混凝土施工工艺等一切活动，都是围绕尽量减少混凝土面板裂缝进行的，在面板浇筑过程中易出现以下几个问题：

(1)浇筑时段。由于新疆特殊的气候条件，夏季高温、秋季短暂、冬季高寒，面板混凝土施工黄金时节仅为春季4月～5月。因此，做好面板混凝土浇筑各项准备，安排4月、5月黄金浇筑时段进行施工，是有利于面板混凝土裂缝控制的重要手段。

(2)滑模提升速度。在一些工程实践中发现，当滑模提升相对较缓慢时，混凝土面板裂缝数量和规模明显较少。滑模上升速度宜控制在2.0 m/h左右。

(3)振捣。混凝土振捣在面板混凝土施工中是重要工序，振捣质量对裂缝产生有较大的影响。过振会使混凝土产生离析，水泥浆和粗骨料分离，粉煤灰及胶凝材料上浮，混凝土表面强度明显降低，易产生表层裂缝；漏振则会造成混凝土表面气泡过多、蜂窝、狗洞等缺陷。

(4)收面。滑模提升后要及时收面，当滑模滑升速度慢，温度较高时，混凝土表面易出现“假凝”或接近半初凝状态，混凝土面与滑模间的磨擦系数增大，滑模滑升后易在混凝土表面形成裂纹。虽然这样形成的裂纹不会太深，但若养护不当易形成裂缝。

(5)现场加水。由于混凝土配合比设计在大风、高蒸发等气候特点时适应性不足，导致配合比设计塌落度在现场损失严重，无法在溜槽内溜送，施工人员私自加水，改变了混凝土水灰比。

2.5 养护

(1)保湿。由于新疆河水多来自冰川融雪水，温度低，一般为几摄氏度。当混凝土内部温度较高时，若直接采用河水养护，会使混凝土面板内外温差大而产生温度裂缝。若养护水对混凝土形成的温降应力与干缩应力叠加，混凝土必将产生裂缝。

(2)保温。对新疆地区部分面板堆石坝的统计分析表明，较大裂缝一般都是温度应力的结果，而面板的温度应力来自于内外温差和均匀温降两个方面。在温度骤降的情况下，若施工期不采取保温措施，即使是骤降温差仅为5 ℃，温度应力仍会超过混凝土的允许应力，导致混凝土的开裂。

3 防治措施

3.1 做好坝体变形协调控制

(1)坝址区左右岸地形平顺。坝址选址时，尽量选择左右岸地形较为对称，变形均匀部位；同时，开挖时将左右岸边坡突出岩体部位等进行处理，使两岸岸坡整体变形协调，从而保证好的适应性。

(2)采取高设计填筑标准。为减小坝体沉降变形，建议新疆地区超过150 m以上面板堆石坝，设计阶段采取设计规范中填筑标准的上限进行控制；同时针对砂砾石面板堆石坝，在确定砂砾石最大、最小干密度时，应按照NT/B 35016进行现场原型级配相对密度试验。阿尔塔什面板堆石坝，采取了SL228—2013《混凝土面板堆石坝设计规范》中最高指标，垫层料、过渡料和主堆石区砂砾石相对密度不低于0.9，次堆石区爆破料孔隙率不低于19%。

(3)合理坝体填筑分期。做好坝体填筑分期，对加快坝体施工进度，保证阶段节点目标实现十分有益。在坝体分期填筑时，分期上游临时断面顶高程应至少超过分期面板浇筑顶高程10 m以上。超过150 m的高坝，临时断面顶高程超高不得低于15 m。同时，在坝体填筑时，尽可能采取“反抬式填筑方法”，以减小次堆石区的变形。

(4)加强填筑质量控制。应加强对料源质量控制，做好各种坝料碾压试验，确定最优碾压参数，施工时严格控制施工参数；同时，针对垫层料、过渡料、岸坡料、台阶和接缝等重要和薄弱部位，尤其要加强对碾压过程的控制。在阿尔塔什大坝填筑过程中，引进了数字化实时监控系统，对坝料填筑层厚、振动碾激振力、行走速度、碾压遍数等各个重要参数实现自动化监控；从而减少了人为管理中的薄弱环节，更有利于坝体填筑质量的控制。

(5)减少挤压边墙影响。减少挤压边墙的影响首先要做好挤压边墙的配合比试验，保证挤压边墙的低强度、低弹模属性，以适应坝体变形协调。同时，在挤压边墙施工时，做好挤压边墙表面平整度控制，减小表面不平整对薄板结构面板的影响。SL49—2015新版《混凝土面板堆石坝施工规范》中强调，坝高超过150 m的混凝土面板堆石坝如采取挤压边墙护坡，需进行专题论证研究。

3.2 优化混凝土配合比设计

混凝土原材料和配合比对混凝土的性能影响较大，在很多工程中进行了研究。如采用中低热硅酸盐水泥，掺加优质混凝土矿物掺合料，掺加一定量的纤维，掺加优质外加剂(减水剂、抗裂减缩剂等)，降低混凝土入仓温度和采用人工破碎骨料等。同时，为确保混凝土配合比能满足新疆特殊的气候条件，施工现场应在相似的施工环境中进行模拟试验，通过模拟试验对配合比的适宜性进行检查、调整。

3.3 减少面板混凝土的约束

(1)减小挤压边墙对面板的约束。面板仓位准备前，应对挤压边墙表部平整度进行处理，形成一个平整的承载体，以更有利于面板受力时均匀传递。目前，规范允许挤压边墙体形偏差为+50、-80 mm。新疆阿尔塔什工程中，将挤压边墙表部平整度要求提升到+20、-30 mm，有效减小了对面板混凝土的影响；在挤压边墙表部喷涂乳化沥青或沥青砂浆，将面板混凝土和挤压边墙隔离；在钢筋仓位准备时，采取混凝土预制垫块或者马凳筋等替代架立钢筋，减小架立钢筋对面板的约束。

(2)减小面板Ⅰ、Ⅱ序垂直缝约束。首先，做好垂直缝模板的设计，确保模板平整度满足要求，拆模后及时对Ⅰ序垂直缝面进行处理。在部分工程中，针对受压垂直缝，设计上采取设置沥青模板或喷涂沥青等，以便适应Ⅰ、Ⅱ序缝面沉降。在洪家渡面板堆石坝中，垂直缝面设置苯板。在阿尔塔什面板堆石坝中，受压区Ⅰ、Ⅱ序垂直缝间设置2 cm结构缝，缝面间隔填充沥青木板，减小了缝面约束。

3.4 做好混凝土浇筑过程控制

(1)控制滑模上升速度。部分工程实践表明，滑模提升速度在低于2 km/h时，出现裂缝数量和规模明显减小。因此，应控制滑模提升速度，尽可能确保滑模提升速度不超过2 m/h。滑模每次提升高度控制在30～50 cm，避免长时间不提升滑模，混凝土蠕动造成裂缝。

(2)做好混凝土平仓及振捣。面板仓位宽度较宽时(12 m)，仓内均布2条溜槽入仓，减小混凝土平仓难度，加强对混凝土振捣，避免漏振或过振对混凝土影响；做好防晒和防风工作，在溜槽上部安设牢靠的封闭式防风遮阳棚，减少混凝土水分蒸发和坍落度损失，以利于混凝土在溜槽内流动；由于新疆地区昼夜温差变化较大，应加强混凝土坍落度检测，对出机口、入仓、仓面坍落度实时控制，及时调整混凝土配合比，确保混凝土获得良好的和易性，提高面板混凝土实体质量。

(3)及时收面。由于混凝土的凝结是随着气温、气候和温差等而改变的，为了消除混凝土早期出现的干缩裂缝，在常规收面工作后增加一次收面工序，在第一次收面与第二次收面之间，增加临时覆盖措施，减少水分散失，防止干缩缝的出现；在二次收面后开始养护覆盖，边覆盖边用水管喷洒养护，保证混凝土面保持湿润，面板浇筑完成后，用铺设的养护花管进行长流水养护直至蓄水。

3.5 及时养护

常用的养护方法是洒水和覆盖，而且要保证90天以上，不能因为浇Ⅱ序板和做表层止水而中断，最好能延长至水库蓄水。

(1)保湿。吉音水库、卡拉贝利水电站等工程，面板混凝土养护均采用温水，坝顶安装热水锅炉，面板混凝土内部埋设温度探头，专人负责监测气温、水温及混凝土内外温度，及时调整养护水温，确保面板混凝土内外温差小于20 ℃。新疆的气候特点是昼夜温差大，3月～4月份气温较低，养护温水从顶部流到面板下部水温损失较大，应采取工程措施避免这种现象的出现，养护水管应按高程分层布设。

(2)保温。混凝土表面采取覆盖措施后，内部最高温度与表面温度之差就会降低很多，混凝土内部受外界影响将减小，产生裂缝的可能性变小。这一点对气温骤降频繁、昼夜温差较大的地区尤为重要。

(3)凝土收面以后要及时覆盖。及时覆盖一方面可以避免混凝土表面水分蒸发产生干缩裂缝，另一方面可降低混凝土内外温差避免产生温度裂缝。覆盖材料多种多样，要选择既能避免混凝土表面水分蒸发又能保温的覆盖材料，工程上常用的保温材料有线毯、棉被和无纺布，避免混凝土表面水分蒸发的覆盖材料有塑料布和土工膜。

(4)由于新疆地区春季风速较大，大风天气频繁，在混凝土面板施工时，要注意在面板两侧埋设地锚，用于固定面板养护覆盖物。

4 结 语

新疆地区 “高寒、大温差、湿度低”等自然环境，对面板型的薄板混凝土影响极大。被誉为新疆“三峡工程”的阿尔塔什水利枢纽的面板防裂问题尤为突出。施工中应通过优化混凝土配合比设计、加强混凝土浇筑过程控制、混凝土浇筑完成后及时养护等各方面细节控制，才能更好地控制面板混凝土质量，减少面板混凝土出现裂缝的可能。

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