某碾压混凝土坝贯穿性裂缝的成因及预防措施探讨

丁志坚

(广西壮族自治区柳州水利电力勘测设计研究院，广西 柳州 545005)

1 基本情况

1.1 工程概况

南方某地水利枢纽工程主坝为碾压混凝土重力坝，坝轴线全长317.90m，坝顶高程161.80m，最大坝高59.8m，由14个坝块组成。工程区地貌类型以构造侵蚀中-低山地形为主，坝址地质为厚层状长石石英砂岩夹泥岩及粉砂质泥岩。根据当地气象站多年资料统计，多年平均气温为19.3℃，历年极端最高气温为38.8℃，极端最低气温为-3.0℃，多年平均降雨量为1755mm，年平均日照时数达1374h，多年平均相对湿度为79%；年均无霜期在300d以上。

1.2 工程施工情况

2016年11月该工程主坝完成河床截流。2017年1月开始进行第一块地基混凝土填塘；2月开始浇第一块大坝基础垫层混凝土；3月开始碾压第一仓混凝土；至2017年5月中旬，碾压完汛前最后一仓混凝土后。在汛期前，大坝碾压混凝土施工完成的形象为：3#～4#坝块已碾压至113m高程，5#～8#坝块已碾压至109.5m高程，9#～10#坝块已碾压至115m高程，1#～2#和11#～14#坝块因故未能施工。2017年6月28日，围堰过水，基坑被淹，主坝区混凝土浇筑施工全面暂停。

1.3 贯穿性裂缝出现的位置及发展情况

2017年汛期过后，施工单位在2017年12月17日清理9#～10#坝块115m高程混凝土仓面时，在该高程仓面中部发现一条纵向裂缝。平面位置上裂缝从10#与11#坝块分缝处(桩号：坝0+223.900)向左岸下游延伸至8#与9#坝块分缝处(桩号：坝0+185.900)，大致平行于坝轴线，如图1所示。由于11#坝块因故未能施工，因此，可从10#与11#坝块分缝面(桩号：坝0+223.900)上观查到该裂缝从115m高程一直延伸至建基面107m高程，如图2所示，为贯穿性裂缝。该裂缝总长约48.18m，裂缝宽度约0.02～1mm不等。

已浇筑的其它坝块未发现类似的裂缝。

图1 9#～10#坝块裂缝示意图

图2 9#～10#坝块贯穿性裂缝示意图

2 贯穿性裂缝成因分析

2.1 9#～10#坝块施工情况

大坝坝基开挖完成后，发现9#～10#坝块局部坝基岩石较破碎，需进行清理。施工单位根据设计要求，对破碎岩石进行了清除处理，最终在9#～10#坝块的下游部分清挖出一个0～4m深的塘，其范围如图3、4所示。

图3

图4

9#～10#两个坝块的施工时间是2017年3月7—22日，用常态混凝土进行填塘处理；2017年3月13—28日浇筑常态混凝土垫层；2017年4月1日—5月13日，108～115m碾压混凝土坝体施工。由于汛期的影响，坝体碾压到115m高程时被迫停工度汛。因砂石料供应和汛前抢工期等原因，这两个坝块的混凝土施工未采取任何温控措施。

2.2 基础约束和温度的影响

9#～10#两个坝块基本参数为：9#坝块，建基面高程104m，横向分缝长度16m，坝底宽度L=47.55m，碾压停工时坝块的厚度为11m；10#坝块，建基面高程104～107m，横向分缝长度22m，坝底宽度L=47.55～44.7m，碾压停工时坝块的厚度为8～11m。由此可见，两个已碾压坝块基本处于离基础高度为0.2L的强约束区内，地基岩体对坝块的约束较强。混凝土碾压完成后，由于胶凝材料的水化热作用，坝块内温度不断升高。当胶凝材料水化热作用逐步减弱到无后，坝块内温度会逐步下降至环境温度。根据埋在9#坝块内的温度计(T60)测出的数据:4月2日，混凝土浇筑温度17℃，与当天气温12～23℃基本吻合；4月8日(第7天)，达到最高温度是35.2℃，超过设计允许最高温度33℃；6月26日，停工度汛前的温度是30.6℃；12月27日，发现裂缝时的温度是25℃。升温时，坝块的体积在膨胀，但此时混凝土还未完全变硬，弹性模量小，徐变较大，地基岩石对混凝土的约束较小，引起的应力不大。降温时，坝块的体积在收缩，此时混凝土已经变硬，弹性模量大，地基岩石对混凝土的约束也较大。由于地基岩石的约束作用，在混凝土内部将会产生较大的水平拉应力。当拉应力大于混凝土的极限抗拉应力时，就会在内部拉开，产生贯穿性裂缝。因坝块横向分缝长度16～22m，小于坝的底宽度44.7～47.55m，最大的拉应力应发生在坝块中部，且垂直于坝轴线方向。所以，这种情况下发生的裂缝大多是平行于坝轴线的纵向缝。

2.3 填塘混凝土干缩的影响

9#～10#坝块的地基处理约3月6日完成，3月7日开始混凝土填塘施工，3月22日填塘施工基本结束。由于已临近汛期，需抢工期，填塘完成到浇垫层混凝土的间隔仅为2～6d，完成垫层混凝土浇筑到坝体混凝土碾压的间隔时间也只有4～5d。同时，为了加快施工进度，施工单位用了和易性较好的混凝土填塘，混凝土的坍落度达到70～90mm，远大于一般大体积混凝土坍落度10～40mm。而坍落度越大，混凝土硬化后的收缩性就越大。由于填塘混凝土较大的收缩，会引起坝块下游部分产生微小的不均匀沉降，从而在坝块混凝土内部产生拉应力，并集中在填塘的边缘处，垂直于地基的平面上。

表1 3#、9#坝块混凝土实测温度表 单位：℃

2.4 结论

综上所述，本次贯穿性裂缝是在坝块混凝土降温时，由于地基岩石的强约束使得坝块混凝土内部产生水平拉应力，其最大的拉应力发生在坝块中部，垂直于坝轴线方向；同时，9#～10#坝块下填塘的边缘亦基本沿坝轴线方向延伸，且刚好位于坝块的中部附近。高和易性填塘混凝土硬化后较大的干缩，使得坝块下游部分产生微小的不均匀沉降，导致坝块混凝土内部沿填塘的边缘产生垂直于坝轴线方向的水平拉应力。这两个拉应力叠加后大于混凝土的极限抗拉应力，将混凝土拉裂，从而产生贯穿性裂缝。我们在9#～10#坝块上观测到裂缝的走向和发展情况，与这个结论是吻合的。

3 贯穿性裂缝的预防措施

平行于坝轴线的贯穿裂缝，破坏坝体的整体性，削弱坝体承受水压荷载的刚度，对结构的安全影响极大。同时，裂缝也导致大坝的受力状态与设计的假定出现较大的偏差，严重影响到大坝的安全运行。贯穿裂缝出现后，可采取一些工程措施进行补救处理，但最安全、最经济的办法是在施工中采取必要的预防措施，避免贯穿性裂缝的发生。

3.1 温控措施

贯穿裂缝的产生与接近基础部位强约束区处混凝土的温度应力有直接关系。因此，必须在强约束区采取必要的温控措施，防止基础约束范围内坝块混凝土温度过高，降温时受基础的约束产生较大的温度应力。施工中，主要的温控措施有：

(1)降低混凝土浇筑温度。混凝土浇筑温度与坝块最高温度有直接的关系，较典型的3#和9#两个坝块的实测温度详见表1。由表1可见，降低浇筑温度可使得最高温度也相应降低；

(2)水管冷却。水管冷却可有效削减混凝土水化热温升，利于控制坝块最高温度，减小基础温差和内外温差。

以本工程为例，设计要求的温控指标为：约束区大坝混凝土碾压允许浇筑温度18～20℃；强约束区允许最高温度为33℃；3—11月份浇筑的坝体混凝土应布设冷却水管，并进行两期通水。从表1中可见，由于没采取控制措施，两坝块的混凝土浇筑温度基本上等于当天的天气气温，混凝土的最高温度均超过设计要求。实际施工中，3号坝块按设计要求采取了水管冷却措施，而9#坝块没有。因而，3#坝块的浇筑温度虽远高于9#坝块，但是浇筑温度与最高温度的温差反而小于9#坝块。水管通水冷却可以有效地将最高温度降低3～5℃。可见，要达到设计的温控要求，上述两个措施都应实施。

3.2 填塘混凝土的处理措施

现行的水工混凝土施工规范规定，岩基深度超过3m的塘、槽回填混凝土，应采用分层浇筑、通水冷却等温控措施，控制混凝土最高温度，将回填混凝土温度降低到设计要求的温度后，再继续浇筑上部混凝土。因此，对于存在基础填塘坝块，应把填塘部分提前单独浇筑，待其内部温度基本与基岩一致，再按平整基础浇混凝土。如果把平整基岩与填塘同时浇筑，浇筑层就会在早期产生竖向不均匀沉缩而导致裂缝。

填塘深度超过3m时的填塘混凝土处理，应采取以下措施：

(1)按现行施工规范要求，采取必要的温控措施，延长填塘与浇筑上部混凝土的时间间隔。在本工程施工中，从填塘完成到开始浇筑坝块混凝土的时间间隔9#～10#坝块仅为13～16d，其它没出现裂缝坝块的这个间隔是29～63d，说明这是一个非常有效的措施。

(2)浇筑垫层混凝土时，沿填塘边缘布设防裂钢筋，让钢筋来承受大部分拉应力，起到防裂或限裂的作用。(3)使用坍落度较小的混凝土填塘，尽量减小填塘混凝土的干缩率。本工程填塘混凝土的坍落度为70～90mm，一般基础工程混凝土可用10～30mm的坍落度。

(4)若需赶工期，除采取上述措施外，可在填塘混凝土水泥熟料中掺少量的氧化镁，使混凝土硬化后期缓慢水化，产生微膨胀作用，可以补偿混凝土后期降温阶段的体积收缩而不破坏混凝土的结构，起到减少或避免混凝土裂缝的作用。

4 结语

碾压混凝土重力坝出现裂缝比较常见，但贯穿性裂缝对大坝的结构安全影响很大，必须采取相应的措施避免其发生。从文献资料看，贯穿性裂缝主要是由于降温时混凝土的收缩与地基约束的作用引起的温度应力造成的，一般出现在基础强约束区。但根据本工程的经验教训，深度超过3m的填塘混凝土的干缩亦是其发生的重要原因。从文中分析看，只要施工单位和现场施工技术人员对此有足够的认识，严格按设计和现行施工规范的温控要求进行施工，是可以避免贯穿性裂缝发生的。