某水库面板堆石坝混凝土面板裂缝成因分析

衡 阳，陈 强

（1.浙江省水利水电工程质量与安全管理中心，浙江 杭州 310012；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 问题的提出

面板堆石坝技术自引进以来得到快速发展，走出一条由引进到创新再到超越的发展之路[1]。面板堆石坝因造价低，结构简单，安全性好，对自然条件有较强的适应性，已成为目前水利工程坝型比选的首选坝型之一[2]。面板堆石坝中，混凝土面板作为堆石坝的重要防渗主体，面板裂缝是影响其运行的重要病害，抗裂性研究始终是关键技术难题之一[3]。工程实践表明，面板坝在施工及运行过程中，在坝体变形、各种外荷载、温度应力、干缩应力及运行期水压力等因素相互作用下，混凝土面板出现不同程度的裂缝问题比较普遍[4]。以某水库面板堆石坝为研究对象，从混凝土面板施工工艺、施工环境及坝体沉降变形等综合分析堆石坝面板裂缝产生的原因。

2 工程概况

某水库面板堆石坝，坝顶高程337.00 m，最大坝高97.00 m，坝顶长度267.00 m，坝顶宽度10.00 m，坝前面板表面坡比为1：1.404。混凝土面板最大坡长156.48 m，共计35 块面板，面板厚度由库底60 cm 渐变至坝顶40 cm，面板宽度主要分12.0，6.0，3.0，2.0 m 等4 种。其中河床部位受压区宽12.0 m 面板7 块，左岸坡部位受拉区板宽6.0 m 面板12 块，宽度12.0 m 面板3 块，宽度3.0 m面板2 块。右岸受拉部位宽12.0 m 面板1 块，宽度6.0 m 面板9 块，宽度2.0 m 面板1 块。浇筑混凝土标号为C30W10F100，二级配，普通硅酸盐水泥，掺聚丙烯纤维。面板施工采用滑模工艺，从中间向两侧推进，分2 序跳仓浇筑，I 序为奇数仓，II 序为偶数仓。

3 混凝土面板裂缝分布

通过对大坝全部35 个面板结构块混凝土裂缝的分布、数量、缝宽和缝深等进行调查和逐缝检测。经汇总统计，发现除1、2、3、5、7、9、11、13、15、31、33、34 及35 块面板无裂缝外，其余22 块面板存在不同程度的裂缝。大坝混凝土面板现有裂缝186 条，其中70 条为面板结构块水平向通长裂缝，面板各裂缝中，测得最大缝长为13.5 m，最小缝长为1.2 m；面板各裂缝中，缝宽大于0.2 mm 的裂缝共有110 条；测得的最大缝宽为0.6 mm，最大缝深为136 mm；其中24 号面板裂缝数最多达40 条，17 号面板次之，达27 条，12、18、22 号面板存在10 条贯通左右的水平通缝；大坝混凝土面板裂缝具体分布情况见图1。从图1可看出，研究区面板裂缝均为横缝，从最大缝深看出，混凝土裂缝无贯穿缝，均为表面裂缝。

图1 大坝混凝土面板裂缝分布情况图

4 研究区面板裂缝成因分析

4.1 施工工艺影响分析

分析施工工艺对裂缝成因的影响，从面板浇筑仓面、入仓方式和浇筑顺序角度进行分析。研究区混凝土面板中M15～M25 面板宽度为12 m，M1～M14、M26～M35 面板为6 m 及以下宽度；面板通过溜槽入仓分2 序跳仓浇筑，其中12 m 块布置2 条溜槽，6 m 块布置1 条溜槽，总体浇筑长度较长，溜槽布置长度较长。经统计得到面板浇筑仓面对应裂缝统计见表1，不同高程对应裂缝统计见表2，I 序和II 序面板裂缝统计见表3。

表1 面板浇筑仓面对应裂缝统计表

表2 面板不同高程对应裂缝统计表

表3 I 序和II 序面板裂缝统计表

由表1 可知：12 m 宽度面板与6 m 及以下宽度面板，裂缝分布占比与其面板面积占比基本接近，12 m 宽度的面板裂缝分布的密度略大，说明面板浇筑仓面的大小对裂缝产生略有影响，主要原因是12 m 宽度面板位于河床段，面板长度较长。由表2 可知：各高程裂缝分布数量较为平均，没有明显的中下部高程裂缝集中情况，高程290.00 m 以下的裂缝长度占比略有偏高，说明在施工时，长溜槽对裂缝产生有一定影响，虽然对溜槽进行覆盖，但在外界环境温度偏高以及较强日照影响下，存在混凝土水分散失加大，同时长距离输送骨料易离析影响，造成混凝土局部不均匀；此外，12 m 宽度面板的浇筑过程中，2 条溜槽协调供料的要求较高，对工人平仓振捣及时性、均一性的要求也更高，总之12 m 宽度面板受长溜槽供料会存在影响，但根据统计分析结果，入仓工艺不构成面板裂缝的主要因素。

4.2 施工环境影响分析

根据研究区气象局发布的历史气温数据，在混凝土面板浇筑期间温度变化明显，在4 月7—10日、4 月16—20 日均出现较明显的较大温差情况，最大温差为18℃；在5 月份后，平均气温上升明显，出现超过30℃的天气共计14 d，最高气温达到37℃，出现在5 月4 日，当天温差达到17℃。根据混凝土温控计算及参考类似工程，面板混凝土内部最大温度出现在浇筑后的1.5～3.0 d，温度应力破坏也一般在该时段内发生。因此，以面板最终浇筑完成时间节点与裂缝数量的关联性进行分析，得到各时段裂缝统计分析见表4。由表4 可知：在5 月上旬气温高的时候面板所产生的裂缝条数及长度，都远超于其他时段，且大于其他时段产生的总和。

表4 各施工时段裂缝统计分析表

考虑到研究区工程在高温季节施工，故提前对面板混凝土施工温度进行实时监测，每块面板内埋设1～2 个测点，其中19 号块为3 个测点，每个测点有2 支温度计，分别安装在面板表面以下7 cm处和面板厚度中心处，埋设分布见图2。

根据具体监测成果对典型面板M7，M9，M11，M17，M18，M19，M20，M21，M22，M23，M24，M25 温度情况进行统计分析。各典型面板温度数据统计分析成果见表5。

表5 各典型面板温度数据分析表

由表5 可知，M7～M11 面板未出现裂缝，混凝土浇筑主要集中在4 月初，此时混凝土入仓时的环境温度相对较低，同时后期混凝土内部平均最高温度相比较其他面板也较低。M17～M25 面板裂缝的条数、长度基本与混凝土最高温度呈正相关性，可以看出，裂缝较多的II 序块混凝土内部最高温度均较高。在5 月平均气温上升的情况下，II 序块入仓温度较高，且受环境温度影响，混凝土内部水化反应加剧，温升发展速度较快，在1.0 d 左右内即可达到峰值，而此时混凝土的容许抗拉强度极低，极易受到温度应力的破坏。

5 面板裂缝成因分析

（1）本工程面板混凝土施工时间为2020 年3月22 日—5 月19 日，期间坝区最高气温37℃，最低气温7℃，气温变化大，日温差大，且面板混凝土属于典型的薄型长条板状结构，长、宽、厚三向尺寸相差悬殊，使得面板混凝土易产生裂缝，完全避免面板混凝土裂缝较为困难。

（2）从面板混凝土的施工工艺看，面板浇筑仓面的大小与入仓方式导致局部骨料离析和水分散失大等问题对面板裂缝的产生具有一定影响，但与裂缝的产生关联性较小。

（3）从大坝面板裂缝分布以及特征看，裂缝主要集中在II 序块，呈水平向分布，与II 序块浇筑时环境温度关联性较为明显，可见环境气温是面板裂缝产生的主要原因。根据温度监测情况看，面板混凝土内部温度在1.5 d 已达到峰值，3.0 d 内产生温度引起的收缩性裂缝。同时面板混凝土浇筑定在环境温度为10℃～20℃的时段内，将有利于裂缝的控制，面板混凝土浇筑应尽可能避开夏季高温时段。

6 结语

面板裂缝均为表面横缝，无贯穿裂缝，主要集中在II 序块面板；气温环境是面板裂缝产生的主要原因，面板裂缝的条数、长度基本与混凝土内部最高温度呈正相关性，且II 序块紧跟I 序块施工，II 序块受I 序块两侧约束，散热条件较差，使得II 序块内部温度进一步提高，加剧面板裂缝的产生。混凝土面板所产生的裂缝与浇筑时的气温环境密切相关，选择适宜的气温环境将有利于混凝土面板的裂缝控制。