减少寒冷干燥地区堆石坝面板混凝土裂缝的系统技术.pdf

水利技术监督 2 0 1 3 年第 5 期 减少寒冷干燥地区堆石坝面板 混凝 土裂缝的 系统技 术 王慧琴 章天长 易永军 ( 1 陕西省宁强县水土保持工作站，陕西宁强县 7 2 4 4 0 0 ； 2 中国水电十五局科研设计院，陕西咸阳 7 1 2 0 0 0 ) 【 摘要】 重点介绍了青海黄河积石峡面板堆石坝的设计阶段、生产性试验阶段、施工阶段所采取的技术手段 有效降低混凝土面板出现裂缝的可能性，为防止、限制混凝土面板裂缝的发生提供系统、有效的工 艺技术措施，以期提高国内该坝型的建设水平。 【 关键词】 混凝土面板；裂缝；浸水预沉降；温水养护；配合比试验研究 K D O I 编码 】 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 8 1 3 0 5 2 0 1 3 0 5 0 2 3 【 中图分类号】 T V 6 9 8 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 8 1 3 0 5( 2 0 1 3 )0 5 0 0 7 6 0 4 面板堆石坝钢 筋混凝土面板裂缝一直是该坝 型常见的通病，对大坝运行的安全及效益影响很 大 。国内对此 问题的研 究很多，涌现出很多好的工 艺、技术，但 中高坝中混凝土面板裂缝较多的现象 一 直没有得到有效的解决。笔者参与了青海黄河积 石峡面板堆石坝建设的全过程 ，混凝土面板施工后 裂缝很少，较同地区其他类似工程相比，裂缝减少 近 9 0 。 积石峡水电站位于青海省循化县境内的黄河 干流积石峡出口处，该工程是 以发 电为主，兼顾灌 溉、防洪等综合利用 的水利枢纽工程；枢纽建筑物 由混凝土面板堆石坝、左岸表孔溢洪道、左岸中孔 泄洪洞、左岸泄洪排沙底孔、右岸引水发 电系统、 坝后厂房电站等组成； 大坝坝顶海拔高程为 1 8 6 1 m ， 最大坝高 1 0 3 m ，坝顶全长 3 2 5 m ，坝顶宽 l O m ，坝顶 上游侧设 5 2 m高 “ L ”形混凝土防浪墙，上游坝坡 l ： 1 5 ，下游坝坡 1 ： 1 4 。积石峡坝址附近及 以上流 域气候干燥、雨量少，为高原半干旱型气候；多年 最高气温 3 8 2 C ，多年最低气温一 1 9 9 C； 多年各 月最大风速 2 4 m s 、平均风速 3 1 m s；多年平均 7 6 降雨量 2 6 6 2 m m ，多年平均年蒸发量 2 1 3 1 4 m m 。 1 大坝设计分区 该工程 自上游 向下：垫层料 ( 天然砂砾石 ) 、 过渡料 ( 天然砂砾石 ) 、反滤排水料、主堆石 3 B I ( 天然砂砾石 ) 、 主堆石 3 B I I ( 开挖料 ) 、 次堆石 ( 开 挖料 ) ，在两岸边坡处设置过渡层 ( 天然砂砾石 ， 最大粒径 3 0 0 ra m ，宽 3 m ) ，在周边缝处设置特殊垫 层料 ( 天然砂砾石) ，共八种坝料。 设计理念是：自上而下，粒径逐渐增大，渗透能 力依次增强，达到上堵下排，使得整个坝体具有 良好 的排水稳定性； 在周边缝设置特殊垫层料， 其粒径不 大于 2 0 ra m ， 并且薄层碾压， 设计压实度高， 使得周边 缝具有良 好的变形性能； 在两岸边坡设置过渡层， 有 效提高边坡附近处坝料的压实效果， 因其具有较好的 变形能力，在大坝沉降时在岸坡处不至于脱空。总得 来讲， 坝料的设置充分体现了堆石坝具有 良好的排水 稳定性、沉 降均匀性。分区明确、设置合理。 作者简介：王慧琴 ( 1 9 7 6年一 ) ，女，工程师。 水利技术监督 2 0 1 3 年第 5 期 2 坝体填筑 1 、填筑质量检测见表2 、表3 。 大坝 填筑在整个施 工过程 中除基坑填 筑阶段 外 ，基本保证了全断面填筑 ，大坝整体上升 ，有效 避免了因小断面填筑而造成不均匀沉降的可能性， 且填筑强度适 中。料源质量，特殊垫层料 、 垫层料、 过渡料 、反滤排水料由专门的掺配料场生产 ，保证 含水量及级配符合设计要求。主堆石 3 B I( 天然砂 砾石 )的料源是在经过详细的料场复查的区域 内选 用的。主堆石 3 B I I 、次堆石来源两岸边坡开挖料 ， 根据岩石的状况分 区堆放。 填筑质量，严格按照大坝填筑作业指导书进行 施工，各工序遵守施工规范的规定，填筑质量检测 遵从设计要求，填筑质量 良好。料源级配检测见表 表 1 大坝掺配料级配分析检测成果统计表 检测项目 抽样频率 ( m ) 组数 检测结论 特殊垫层 2 B( O 4 0 m m ) 5 0 0 3 2 5 合格 垫层料 2 A( 0 8 0 m m ) 5 0 0 3 0 4 合格 反滤排水 3 F( 5 8 0 m m ) 5 0 0 3 6 合格 过渡层 3 h a( O 3 0 0 m m ) 5 0 0 0 4 1 合格 过渡料 3 A( 0 3 0 0 m m ) 1 0 0 0 7 0 合格 主堆石 3 B I( O 8 0 0 m m ) 5 0 0 1 0 0 0 0 3 0 合格 主堆石 3 B I I( O 8 0 0 m ) 5 0 0 1 0 0 0 0 2 1 合格 次堆石 3 C( 0 8 0 0 m m ) 5 0 0 1 0 0 0 0 1 8 合格 表 2 坝体填筑质量检测结果统计表 干密度检测结果 序号 工程部位 组数 P设 ( g c m ) P测 m a x ( g c m 。 ) P测 m i n ( g c m ) P测平均( g c m 。 ) l 垫层料 2 A 3 0 7 2 3 3 2 4 4 2 3 3 2 3 8 2 特殊垫层料 2 B 3 6 2 2 3 3 2 4 5 2 3 3 2 3 7 3 过渡料 3 A 2 8 7 2 3 l 2 4 8 2 3 l 2 3 7 4 过渡层 3 A a 3 7 0 2 3 1 2 5 5 2 3 1 2 3 8 5 主堆石料 3 B I 1 8 3 2 1 6 2 3 8 2 1 6 2 2 3 6 主堆石料 3 B I I 1 4 5 2 1 6 2 3 4 2 1 6 2 2 2 7 次堆石料 3 c 1 0 7 2 1 3 2 2 4 2 1 5 2 1 9 8 反滤排水料 3 F 5 7 7 2 1 3 2 3 3 2 1 3 2 2 0 表 3 坝料相对密度检测结果统计表 序号 工程部位 检测组数 D r设 D r测 m a x D r测 m i n D r测平均 l 垫层料 2 A 3 0 2 O 8 L O 0 8 3 0 9 1 2 特殊垫层料 2 B 3 2 6 0 8 1 O O 8 3 0 9 1 3 过渡料 3 A 1 7 0 0 8 1 0 0 8 3 O 9 0 4 过渡层 3 A a l 3 l 0 8 1 0 0 8 O 8 9 3 坝体浸水预沉降技术 坝体填筑结束，在预 留沉 降期 内，为加速坝体 沉 降，采用 了浸水预沉 降技术 ，该技术 已获得水利 部 工 法 (中水 协( 2 0 1 1 ) 1 7 号 、 工 法 编 号 ： S D G F 1 0 5 9 2 0 1 0 ) ，简要介绍如下。 该技术分为 3个步骤 ，坝体充水、坝体浸水、 坝体排水；针对 E L 1 7 8 5以下的坝体。 坝体充水主要利用水泵从上游抽水至基坑 ，一 次性将基坑水位达到 E L 1 7 8 9 待坝内渗压计显示坝 内水位达到预定值后再将上游基坑 内水位 降至 E L 1 7 8 5坝体浸水主要利用坝前至上游 围堰和左右 岸 山体围成的基坑蓄水至 E L 1 7 8 9 ， 坝体 自然渗透达 到坝料浸水的效果，以加速坝体下部沉降。 排水主要利用坝基底部的排水管进行排水。坝 基排水利用坝基基坑前的水泵进行对外抽排水，抽 排至上游导流洞 口，坝体 的排水主要利用坝体底部 的排水进行排水，使坝外和坝内水位差最大不能超 过 l m( 垫层区不产生破坏时临界水头差 ) 。 在浸水预沉降过程中，坝体沉降量增加明显， 沉降速率增大 ，后转为稳定，具体见图 1 。 图 1 时间一 沉降量关系曲线图 77 水利技术监督 2 0 1 3 年第 5 期 在浸水期 间，坝体沉降明显，累计沉降量 1 2 8 m m 。 2 0 0 9年 9月 2日至 2 0 0 9年 1 1月 5日坝体浸水 期间的大坝沉 降变形如下。 ( 1 )9月 2 7日坝体最大沉降量为 1 l m m ，沉 降速率为 1 5 7 m m d 。 ( 2 )9月2 0 日坝体沉降加速 ，最大沉 降量 为 9 0 ra m ，沉降速率为 6 9 m m d 。 ( 3 )9月 2 1日1 0月 3 1日坝体沉降趋缓， 最大沉降量为 2 7 ra m ，沉降速率为 0 6 8 m m d 。 ( 4 )1 1 月 1日以后坝体沉降趋于稳定。 4 面板混凝土配合比设计试验研究 积石峡面板 混凝土配合 比设计主要考虑 ： 采 用水化热较低的水泥，达到降低混凝土内部绝热 温升 的 目的；选择能提高混凝 土极限拉伸值 的外 加剂 ，有效提高混凝土的变形 性能；降低混 凝土 拌合物 的出机塌落度 ，减少因混凝土干缩引起 的 裂缝 ；选择和 易性 、抗分离性、均匀性好 的混凝 土配合比，使得施工过程连续快捷，避免施工冷 缝 的出现 。 选用 4 2 5中热硅酸盐水泥，其粉煤灰掺量在 2 0 时，水化热为 2 3 6( k J k g ) 粉煤灰采用 I级粉 煤灰；外加剂分别选用聚羧酸减水剂、G Y Q引气剂 ( 简称外加剂 1 ) ，H L - P L C聚羧酸减水剂、A E引气 剂 ( 简称外加剂 2 ) ，W H D F增密剂；砂石骨料采用 积石 峡骨料加工厂生产 的砂石骨料 。坍落度采用 2 0 4 0 m m ，单方材料用量见表 4 ，力学、热学、变 形试验数据见表 5 。 表 4 积石峡堆石坝面板混凝土设计配合比 砂率 每方混凝土用量 ( k g m 3 ) 减水剂 引气剂 万 外加剂 水泥 水胶比 增密剂 水 水泥 粉煤灰 砂子 小石 中石 1 2 l 2 外加剂 0 4 0 3 8 1 2 2 2 2 9 7 6 7 6 9 6 2 7 6 2 7 1 1 1 4 | 1 0 4 0 3 8 1 2 2 2 2 9 7 6 7 6 9 6 2 7 6 2 7 l _ 1 l _ 2 2 O P 外加剂 4 2 5 0 4 0 3 9 1 1 5 2 1 6 7 2 8 0 3 6 2 8 6 2 8 0 6 0 6 2 0 4 0 3 9 l 1 5 2 1 6 7 2 8 0 3 6 2 8 6 2 8 | O 6 | O 4 2 O 表 5 混凝土性能试验结果汇总 外加剂 外加剂 1 外加剂 2 增密剂 未掺 掺 未掺 掺 水泥用量 k g m a 2 2 9 2 2 9 2 1 6 2 1 6 抗压强度 M P a 2 8天 3 7 6 3 0 7 3 6 5 3 O 2 劈裂抗拉强度 M P a 2 8天 2 7 4 2 2 0 2 6 O 2 3 6 轴心抗拉强度 a 2 8天 2 7 9 2 4 0 2 4 3 2 3 6 抗拉弹摸 6 P a 2 8天 3 0 5 2 9 4 2 9 6 2 7 8 极限拉伸值 X 1 0 。 2 8天 1 0 3 1 1 7 1 0 3 1 1 6 绝热温升 2 8天 3 2 7 9 3 2 7 9 3 O 4 9 3 0 4 9 自生体积变形X 1 0 2 8天 一 7 5 2 4 8 2 2 0 3 9 - 1 1 4 0 干缩 X1 0 2 8天 一 3 1 9 7 - 2 6 0 1 - 3 2 0 1 - 2 6 3 8 线胀系数 1 0 9 4 O 9 O 0 8 8 8 9 2 0 经比较，施工选用的是掺增密剂类型配合比。 5 面板混凝土施工工艺 大坝经过 6 个月的沉降期， 并在浸水预沉降后， 配合 比经论证通过，与 2 0 1 0年 3月 5日开始面板 混凝土的施工， 至 2 0 1 0 年 5 月 3 0日结束， 共计 3 6 块面板顺利浇筑完成。 为确保面板施工成功，并实现 2 0 4 0 m m低 坍 落 度混 凝土 入仓 ，特 在坝 顶右 岸设 置 了拌合 7 8 站 ( 7 5 0 L 2 滚筒式拌和机 ) ，采用 6辆 0 5方翻 斗车水平运输混凝土 。每盘拌制 0 5方混凝土， 采用袋装水泥和粉煤灰，但在投入拌制前均进 行二次称 量 ，确保每 次投入 的胶材 总量偏差 0 5 以内。 外加剂为液态， 添加的容器为特制， 正好是 0 5 方混凝土所用 的量， 专人添加； 粗细骨料 自动称量， 系统精度经过地方计量部 门检定合格 。面板混凝土 坍落度、含气量检测结果见表 6 。 水利技术监督 2 0 1 3 年第5 期 表6面 板混凝土施工塌落度、 含气量实 测值统计表 7 结 语 项目 坍落度总数 坍落度合格数 含气量总数 含气量合格数 总数 6 5 9 6 0 2 4 1 6 3 7 9 最大值 4 O( C I I1 ) 6( ) 最小值 l( 锄) 4( ) 平均值 2 6( 衄 ) 5 4( ) 该项 目在实施过程 中，现场研究了新 的混凝土 面板施工方法和研制了新的浇筑模板，形成了专利 施工方法 混凝土面板堆石坝 的面板施工方法( 国 家发明专利 ，Z L 2 0 l 0 l 0 2 5 7 4 1 7 8 )及专利产 品 混 凝土面板堆石坝浇筑滑模( 国家实用新型专利， 专利号 ：Z L 2 0 1 0 2 0 2 9 7 5 7 8 5 ) ，使面板混凝土摊铺 均匀密实、快速进行浇筑 ，减少了不均匀收缩产生 的裂缝 。 根据室 内试验提供的混凝土绝热温升值 ，控制 养护水温 ，防止 因养护水温与混凝土内部温度温差 较大 引起的裂缝 。积石峡水 电站室 内试验混凝土绝 热温升 7天为 2 6 9 C2 9 3 ，施工时段 ( 2 0 1 0 年 4 - 5月 ) ，当地气温在 2 l 8 ，河水 自然温度 在 l 2。根据气温不 同，采用加热温水养护 面板混凝土 ，使混凝土内外温差满足小于 2 0 ，效 果 良好 。积石峡面板混凝土养护用水 ，是用锅炉将 水加热至 2 5 左右， 并采取土工布加塑料薄膜进 行 混凝土养护 。 6 积石峡水电站混凝土面板裂缝检查结果 经现场普查，截止 2 0 1 0年 6月积石峡水电站 工程混凝土面板裂缝数量 为 7 1条 ，总面积 共计 3 5 5 1 6 m 。 ，裂缝率 2条 l O 0 0 m 。 ；积石峡水电站面板 混凝土裂缝与相同气候环境的类似工程相 比，裂缝 减少 9 0 以上 ，大大 降低 了后期裂缝处理费用 ，同 时也保证了大坝运行安全。具体裂缝情况见表 7 。 表 7 面板裂缝检查统计汇总表 裂缝归类 归类情况 山西黄河外加剂+ 增密剂 F l 5 、F 1 6 、F 1 7 、F 2 3 、F 2 5 、F 2 8 、F 3 3 F I O、F1 7 、 F 2 1 、 F 2 2 、 F 2 7 、 F 2 9 、 F 6 、 江苏博特外加剂+ 增密剂 FI 2、F 2 4 、 F 2 6 、 F 3 2 裂缝宽度 0 2m 共4条 2 1 7 5 M 裂缝宽度 0 1 m且40 2 姗 共 5 4条 2 7 0 2 5 M 裂缝宽度0 1 衄 共 1 3条 7 1 3 M 合计裂缝数量 7 l 条 笔者认为，钢筋混凝土面板堆石坝的建设是一 个系统性的工程，其难点在于面板不裂缝或者少裂 缝。但是形成裂缝的原因很多，表象是面板开裂， 内因则是大坝建设的各个环节。 ( 1 )设计应合理对大坝进行分区，并结合坝 址区地材的实际情况优化设计，选取符合要求的料 场。 ( 2 )施工方应严格按照设计要求加工生产制 备合格的上坝料用于坝体填筑。 ( 3 )重视大坝填筑前的碾压试验 ，在碾压试 验的过程中可以发现很多问题，也是验证和校核设 计指标的重要环节。 ( 4 )应重视料场的复查工作，在设计的基础 上，详细摸清料场料源 的详细品质，是确保质量和 进度 的重要步骤 。 ( 5 )严格 按照设计及规范的要求开展坝体填 筑施工，重视各工序均要达标，严防为赶工期而出 现的粗制滥造 ，力求实现坝体全断面填筑，均衡上 升，目的是使坝体能保持均匀沉降。 ( 6 )预 留合理的坝体沉降期，在面板施工前， 坝体沉 降量应绝大部分完成，沉降速率应减缓，在 面板施工前从坝体沉降总量与时间过程线观察 ，总 量应保持基本不变。 ( 7 )应 由专门的试验研究机构优化设计与工 地情况相适应的面板混凝土配合比，在 国内现有的 生产制造水平下， 优选胶材 、 外加剂及其他掺合料， 以力学、热学、变形性能优 良、施工可操作性好的 配合 比用于混凝土拌制；与此同时务必加强混凝土 拌制质量控制，确保配合比设计意图的实现。 ( 8 )高度重视新浇筑混凝土的养生工作 ，应 制定适合工程所在地具体气候特点的养生方案。 综上，如能将面板防止、限制裂缝 的出现这个 单一 的技术 问题与面板堆石坝建设全过程 结合起 来 ，系统性的加 以考虑 ，并在各个环节，参建各方 不同的责任立场加以重视；设计优化、业主方科学 合理安排工期、施工方严格遵照设计及规范施工。 重视从两岸边坡的处理、基坑的处理、坝体填筑的 每一个细节、面板混凝土浇筑的每一个细节，只有 这样才是解决面板裂缝的根本性途径。 按照系统工程思路提出的一个有效可行的系 统技术 ，在积石峡水 电站建设中得到了成功应用， 最终面板裂缝少 ，裂缝率低 ，值得推广。 7 9