夹岩水利枢纽工程堆石坝面板脱空及裂缝成因分析

王凯 廖小康

摘要：混凝土面板脱空和裂缝直接影响水库大坝的运行安全。为研究面板脱空和裂缝成因及其处理措施，以夹岩水利枢纽工程大坝为例，通过安全监测手段对导致面板脱空和裂缝的各种因素进行了分析论证，并针对堆石体变体、降低面板混凝土浇筑温差等问题提出了应对措施。分析研究成果可为混凝土面板预防脱空和裂缝的产生提供经验借鉴。

关键词：面板堆石坝;脱空变形;裂缝;夹岩水利枢纽工程;贵州省

中图法分类号：TV641.43文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.09.017

Abstract： Detaching and cracking of concrete face slab directly impact the reservoir safety. In order to analyze the causes of detaching and cracking， and come up with the corresponding measures， by taking the Jiayan Hydro-complex Project as an example， safety monitoring systems were adopted to analyze the factors that lead to detaching and cracking of the concrete face slab. Countermeasures were put forward to cope with the deformation of rockfilled body and the temperature differences of face slabs during concrete placing. The analysis results can provide references for the prevention and treatment of detaching and cracking of concrete face slab.

Key words： concrete face rock fill dam; detaching and deformation; cracking; Jiayan Hydro-complex Project; Guizhou Province

混凝土面板堆石壩对地质和地形以及气候条件的适用性非常广泛，设计结构简单，填筑速度快，且该种坝型具有较高的安全性、经济性，深受建设单位的青睐，在我国得到广泛应用和迅速发展。椐不完全统计，在同期新开工的水利项目中堆石坝占比接近70%，不仅数量多，在建坝高度上也屡有突破。

通过对国内天生桥一级（178.0 m）、洪家渡（179.5 m）、三板溪（185.5 m）、巴贡（205.0 m）、水布垭（233.0 m）和国外的墨西哥拉帕罗塔坝（169.0 m）、墨西哥拉耶斯卡坝（210.0 m）等混凝土面板坝的调查和研究，面板脱空变形普遍存在，针对面板脱空变形及裂缝的处理技术进展也备受关注。天生桥一级电站面板堆石坝运行后就出现面板与垫层间脱空现象，导致面板在局部范围内成为一端受约束的悬臂梁，最终呈现明显的反弯点，产生较大的弯矩使得面板应力迅速恶化，从而导致面板表面出现裂缝。目前，面板脱空的成因及其影响已成为面板堆石坝建设的重要研究课题之一。

1 工程概况

夹岩水利枢纽工程（以下简称“夹岩工程”）大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高154 m，坝顶宽10 m，坝顶长428.93 m，最大坝宽454.085 m。大坝坝体从上游到下游分为混凝土防渗面板、垫层、过渡层、堆石区、下游框格梁植被护坡。大坝面板为C30钢筋混凝土面板，面板底部坡比为1∶1.4，顶部坡比为1∶1.406;面板厚度0.4～0.923 m，平均厚度为0.662 m，面板内布置双层双向钢筋。

2 监测方案及数据分析

夹岩工程面板堆石坝坝体高度达154 m，鉴于面板及坝体填筑分区比较复杂，面板采用滑模分两期施工，其中，一期面板于2019年4月26日浇筑完成，二期面板于2020年5月10日浇筑完成。本文仅以一期面板作为研究对象来探究影响面板脱空变形的因素。

2.1 布设脱空计

在大坝面板横左0+005、横右0+005、横左0+040、横左0+072、横右0+072共5个监测断面高程1 220 ～1 251 m处埋设6组脱空计。

根据脱空计的测值（见表1）情况来看，高程1 251.5 m处的5组脱空计实测脱空变形-1.12～2.64 mm，高程1 220 m处的1组脱空计实测脱空变形0.83 mm，表明面板无明显脱空。由剪切变形观测成果（见表2）可知，高程1251.5 m处的5组脱空计实测剪切变形4.98～19.09 mm，高程1 220 m处的1组脱空计实测剪切变形4.09 mm。典型测值变化过程线见图1，顺坡向剪切变形尚处于正常范围内。

2.2 布设电平器

一期面板横左0+005断面已完成14支电平器的埋设安装。计算时，假定趾板处无挠曲变形，依次计算各测点倾斜量后累加，推求面板挠度。一期面板挠度分布见图2，各测点变形量曲线见图3。

由图2可知：高程1 175 ～1 208 m区间，面板未出现明显的上挠或下沉;高程1 208 m至顶部，面板表现出向上弯曲变形，整体分布规律合理。

由图3可知：高程1 175～1 208 m区间，面板历次挠度变形量在-1.37～1.77 mm间小幅波动;高程1 208 m至顶部，面板历次的上挠变形量为1.08～9.46 mm，且主要发生在高程1 208～1 235 m区间。面板上挠可能是诱发面板开裂的原因之一。

2.3 布设温度计

温度和湿度的变化会导致混凝土内部变形，当变形受到约束后就会产生应力。为准确分析面板混凝土的温度变化，大坝面板共布置了34支温度计，对一期面板坝轴线附近布设的3支温度计和长度最大的面板上布设的15支自带测温功能的传感器数据进行了统计分析。

由数据统计可知：混凝土开仓浇筑时的气温在18.8℃～25℃。混凝土浇筑后，水化热温升最大温度47.7℃～55.2℃，之后开始下降，并逐渐与环境温度相当。测值变化过程线见图4。

因此，混凝土绝热温升、内外温差及温降引起的干缩变形和温度应力，可能是诱发面板开裂的原因之一。

2.4 坝体布设水管式沉降仪

选取最大坝高坝横左0+005断面为大坝内部变形典型监测断面，在高程1 218 m处布置10个水管式沉降仪测点，4个引张线水平位移计测点;在高程1 235 m处布置8个水管式沉降仪测点，4个引张线水平位移计测点;在高程1 260 m处布置6个水管式沉降仪测点，4个引张线水平位移计测点;在高程1 285 m处布置4个水管式沉降仪测点，4个引张线水平位移计测点，详见图5。

2.4.1 历时沉降

高程1 218 m累计沉降为47.28～267.38 mm，月变化量为2.10～31.90 mm。实测坝体最大累计沉降为267.38 mm，位于横左0+005、纵上0+030.051测点SG5处。

高程1 235 m累计沉降为42.77～292.27 mm，月变化量为4.24～49.44 mm。实测坝体最大累计沉降为292.27 mm，位于横左0+005、纵0+000测点SG15处。

高程1 260 m累计沉降为110.01～383.11 mm，月变化量为11.39～84.89 mm。实测坝体最大累计沉降为383.11 mm，位于横左0+005、纵0+000测点SG22处。

高程1 285 m累计沉降为99.31～271.46 mm，月变化量为37.89～96.89 mm。实测坝体最大累计沉降位于横左0+005、纵下0+080测点SG28处。

2.4.2 逐月变化量

在一期面板浇筑期间，面板以下坝体月沉降量均较小，6月份大坝恢复填筑后，各测点月沉降明显增大，且表现为越靠近坝轴线越大，高高程处月沉降量大于低高程处。

从一期面板开始浇筑至2019年8月21日，坝体各高程最大累计沉降为：①高程1218.00 m的最大累计沉降为108.30 mm;②高程1 235.00 m的最大累计沉降为140.93 mm;③高程1 260.00 m的最大累计沉降为228.07 mm;④高程1 285.00 m的最大累计沉降为292.78 mm，详见表3。

3 脱空变形和面板裂缝原因分析

（1）堆石体变形过大使面板产生脱空。由于混凝土面板堆石坝的坝体堆石料是一种松散的结合体，具有蠕变性，虽经反复碾压使坝体密实，但在完成坝体填筑直至水库蓄水前这段时间内，水管式沉降仪监测数据的分析结果表明，受自重影响大的坝堆石体仍会继续发生沉降变形，这样的变形极易造成面板脱空。

（2）通过对面板上布设的电平器监测数据进行分析，认为分期填筑施工可能导致一期面板顶部上挠，进而产生脱空。一期面板施工完成后，在进行二期堆石体填筑施工时，一期坝体堆石料受二期坝体继续填筑的影响，坝体将会发生变形，随填筑高度增加，坝体变形不断增大，垫层表面将偏离原有的几何表面，变形一般表现为中下部位有外凸趋势，面板中下部受到外推作用力，使得一期面板上部脱离垫层表面发生上挠，进而产生脱空变形。

（3）通过对温度计监测数据进行分析可知：温度变化使面板混凝土产生变形，而这种变形因受到约束产生应力，而当应力超过某一数值即会导致面板开裂。

（4）库水位变化导致面板脱空[1]。大坝蓄水后，面板受到横向与竖向的水压力作用，面板下部逐渐紧贴大坝坡面，面板上部出现翘起现象，并逐渐脱离大坝坡面。在蓄水过程中，堆石体及垫层料的变形量逐渐增大，面板变形较小。在退水过程中，面板变形得到缓解，但坝体变形却难以恢复，极易造成脱空现象。

（5）坝址左右岸不对称地形、挤压边墙表面不平整、混凝土配合比、浇筑及养护等均有可能引起面板开裂。

4 应对措施

（1）在施工过程中增设监测设施。面板脱空主要采用位移监测法，该方法根据设计计算及施工进度安排，在堆石体沉降较大或一些典型断面埋设。脱空计由2支大量程的位移计传感器和固定支座组成，2支位移计和固定支座构成一个等边三角形。2支位移计的交点即为测点，通过将铰支座固定在坝料的垫层区，将交点连接处的锚板浇筑在面板内。当面板与坝体发生相对位移时，位移传感器受到拉伸或挤压作用，位移计活动部分伸长或压缩，其变化量可通过固定的信号接收仪读出，以及时了解脱空情况。该方法也存在一定弊端，面板脱空具有随机性，难以做到仪器埋设位置恰好是脱空发生部位。

（2）加强施工过程控制。坝体填筑施工前应进行碾压试验，获取合格的碾压参数，确保坝体各个部位的填筑质量。为满足度汛要求，常采用大坝分期施工、分期蓄水等方式。因此，对堆石料（垫层、堆石体）的材质和碾压质量需要由设计单位提出具体指标外，还需要设计合理的分期施工和分期蓄水程序，以减少面板的脱空值。有试验研究表明，可将一期面板的浇筑高程控制在坝体一期填筑高程以下5～10 m，以便在二期面板浇筑之前，找平外露的一期坝体和部分二期坝体的上游面，再浇筑面板，这样可将面板脱空控制在最小的范围内。

（3）面板脱空灌浆。在实际工程中，当脱空发生后，为不使其继续恶化，可采用灌浆法密实面板与垫层之间的孔隙[2]。灌浆方案有：①在面板脱空部位钻垂直孔灌浆，施工方法简单，技术难度较低，可操作性强，但面板上钻孔数量大，从一定角度上破坏了面板结构，需慎重考虑该方法。②在坝顶钻斜孔灌浆，但钻孔难度较高，钻孔角度需与面板平行，上部不能打到面板，下部不能穿过垫层底部，对钻孔精度要求较高。

5 结 论

（1）夹岩工程大坝一期面板在高程1 175 ～1 208 m区间未出现明显上挠或下沉，历次挠度变形量在-1.37～1.77 mm间小幅波动;在高程1 208 m至顶部，面板表现为一定的上挠且主要发生在高程1 208～1 235 m区间，历次最大上挠变形量9.46 mm。因此，面板上挠可能是诱发面板开裂的原因之一。

（2）2019年3月7日至4月26日，一期面板浇筑期间，坝前停止填筑，面板下部堆石体沉降变形量不大;2019年5月2日，恢复填筑后，面板下部堆石体沉降变形量有一定程度增大，同時大坝沉降变形逐步呈现中上部沉降变形大、下部小。目前堆石体最大沉降发生在约1/2坝高部位，符合一般规律。另外，目前高程1 251.5 m处的5组脱空计实测脱空变形-1.12～2.64 mm，高程1 220 m处的1组脱空计实测脱空变形0.83 mm，均未出现明显脱空现象。

（3）一期面板混凝土开仓浇筑时的气温在18.8 ℃～25 ℃，浇筑期间仅个别时段气温达到28 ℃。浇筑后水化热最大温升47.7 ℃～55.2 ℃，之后开始下降，并逐渐与环境温度相当。混凝土绝热温升、内外温差及温降引起的干缩变形和温度应力，可能是诱发面板开裂的原因之一。

（4）工程一期面板裂缝绝大部分出现在Ⅱ序浇筑块，且主要集中在高程1 190～1 230 m之间，局部存在强约束导致出现拉应力超限，是诱发面板开裂的原因之一。

参考文献：

[1] 魏德荣，杨如萍，秦一海. 面板堆石坝面板脱空的温度法监测技术[J]. 大坝与安全，2009（2）：42-45.

[2] 沈长松，李艳丽，郑福寿. 面板堆石坝面板脱空现象成因分析及预防措施[J]. 河海大学学报（自然科学版），2006（6）：635-639.

（编辑：李晓濛）