黄南水库堆石坝混凝土面板裂缝成因分析_王强.pdf

2023年4月收稿日期：20221107作者简介：王强（1988），男，高级工程师，主要从事水利水电工程建设工作。摘要：基于黄南水库堆石坝混凝土面板工程，通过统计分析浇筑过程面板裂缝分布特征，在此基础上从混凝土面板施工工艺、周边施工环境和坝体沉降变形等多角度深入分析与面板裂缝产生的关联度。结果表明，周边气温环境是研究区面板裂缝产生的主要原因，面板裂缝的长度、条数与混凝土内部最高温度呈正相关性。并且序块紧跟序块施工，其两侧受到序块约束，散热条件较差，使得序块混凝土内部无法快速散热，加剧了面板裂缝产生。关键词：混凝土面板；面板裂缝；分布特征；成因分析；气温环境中图分类号：TV698.1+1文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）04-0090-06DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.04.024黄南水库堆石坝混凝土面板裂缝成因分析王强，冉东虎（中国电建集团华东勘测设计研究院，浙江杭州310014）Cause Analysis of Cracks in Concrete Face of Rockfill Dam in Huangnan ReservoirWANG Qiang，RAN Dong-hu（Powerchina Huadong Engineering Co.Ltd.，Hangzhou 310014，China）Abstract：Based on the concrete face plate project of rockfill dam of Huangnan Reservoir，this paper analyzes thedistribution characteristics of the face plate cracks in the process of pouring through statistics.On this basis，the correlationdegree between the concrete face plate cracks and the dam is analyzed from multiple perspectives such as the constructiontechnology of the concrete face plate，the surrounding construction environment and the settlement deformation of the dambody.The results show that the surrounding temperature environment is the main cause of panel cracks in the study area.The length and number of cracks are positively correlated with the maximum internal temperature of concrete.In addition，the construction of sequence block follows sequence blockclosely.Both sides of sequence block are constrained bysequence blockand the heat dissipation condition is poor.As a result,the internal heat dissipation of sequence block is unable to be fast，which aggravates the generation of panel cracks.Key words：concrete face plate；panel cracks；distribution characteristics；cause analysis；temperature environment我国自1985年首次引进面板堆石坝以来，面板堆石坝技术快速发展，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，已然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，面板大坝施工及运行过程中，在外加荷载、温度应力、水土压力等因素共同作用下，混凝土面板出现不同程度的裂缝病害4。目前有不少学者对大坝建设期和运营期产生的裂缝成因做了探究。宋文晶等5指出运营期坝体面板产生的结构性裂缝主要是由于坝体不均匀沉降变形引起的；张伟6分析得出干缩应力和温度应力是引起温泉大坝的混凝土面板产生裂缝的主要原因；Wang Z J等7通过数值建模从结构和温度应力方向分析了运营期堆石坝面板裂缝的成因，结果表明温度应力过大时会导致水位附近的面板产生纵向裂缝；雷显阳等8从进出水口渗漏量、渗透压角度分析得出运营期大坝的裂缝来自于坝体的不均匀沉降；何鲜峰等9从环境温度角度分析得出当大坝混凝土面板自身内外温差产生的温度应力大于面板抗拉强度极限时，会造成面板开裂。综上所述，较少有学者对建设期堆石坝面板裂缝的成因进行多角度深入分析。只有掌握建设期堆石坝面板裂缝的分布情况，多角度深入分析面板裂缝的成因，才能有针对性提出预防裂缝的控制措施，海河水利902023.No.4这对于大坝安全运行和有效管理具有重要意义。本文以黄南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多角度综合分析该堆石坝面板裂缝产生的原因，以期指导工程实践。1工程概况黄南水库面板堆石坝坝顶高程 337 m，坝身最高97 m，坝顶长度267 m，坝顶宽度10 m，坝身前面板表面坡比为 1 1.404。混凝土面板划分为 35 区块，面板厚度由坝底60 cm渐变至坝顶40 cm，面板宽度分为 12、6、3、2 m。坝身河床部位受压区宽12 m面板有7块；左岸坝受拉区面板宽6 m有12块，宽12 m有3块，宽3 m有2块；右岸坝坡受拉区面板宽12 m有1块，宽6 m有9块，宽2 m有1块。浇筑混凝土标号 C30W10F100，为普通硅酸盐水泥，掺聚丙烯纤维，面板混凝土设计总用量约14 885 m3。面板施工采用无轨滑模工艺，从中间向两侧推进，分 2 序跳仓浇筑，序为奇数仓，序为偶数仓。浇筑起始时间是2020年3月22日，结束时间是5月19日，历时59 d完成全部浇筑。黄南水库大坝，如图1所示。2混凝土面板裂缝分布对大坝35块面板的混凝土裂缝分布、数量、缝深和缝宽开展逐缝检测，统计分析检测数据后得出有22块面板存在不同程度的裂缝。大坝混凝土面板现有裂缝总数为186条，其中70条为面板结构水平向通长裂缝。检测统计各裂缝长度中，最大缝长为13.5 m，最小缝长为1.2 m。检测统计各裂缝宽度中，缝宽大于0.2 mm的裂缝共计110条；最大缝宽为0.6 mm，最大缝深为136 mm，其中24号面板裂缝总数多达40条，17号面板次之为27条，12、18、22号面板存在10条贯通的水平裂缝。大坝混凝土面板裂缝具体分布情况，如图2所示。图1黄南水库大坝图2大坝混凝土面板裂缝分布情况大坝混凝土面板裂缝主要有2种形式：一种为表面性裂缝，一种为结构性裂缝。表面性裂缝主要是指温度裂缝、干缩裂缝等混凝土收缩裂缝，又称非结构性裂缝；结构性裂缝是指由于外力作用产生的贯穿性裂缝以及因坝体变形产生的非贯穿性裂缝，其产生的主要原因有坝体不均匀沉降、混凝土脱空、地震10。由图2可以看出，黄南水库面板裂缝均为横缝。通过检测数据分析得出，混凝土裂缝无贯穿缝，均为表面裂缝。大坝混凝土面板裂缝详图，如图3所示。由图3可以看出，混凝土表面呈现一条通长、缝宽较小的规则性裂缝，该裂缝为收缩性裂缝。图3大坝混凝土面板裂缝 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序 序M1M2M3 M4M5M6M7M8M9 M10 M11 M12 M13 M14 M15 M16 M17 M18 M19 M20 M21 M22 M23 M24 M25 M26 M27 M28 M29 M30 M31 M32 M33 M34 M351 1.2 2 mmmm王强，冉东虎：黄南水库堆石坝混凝土面板裂缝成因分析912023年4月3混凝土面板裂缝成因分析3.1施工工艺影响分析考虑施工工艺对裂缝成因的影响，需要从面板浇筑仓面、入仓方式和浇筑顺序等方面进行深入分析。研究区中 M15M25 混凝土面板宽度为 12 m，M1M14、M26M35混凝土面板宽度不超过6 m。面板通过溜槽入仓分2序跳仓浇筑，其中12 m区块布设2条溜槽、6 m区块布设1条溜槽，总体浇筑长度较长，溜槽布设长度也相应增加。通过统计分析，得到不同面板浇筑仓面裂缝、不同面板高程裂缝、序和序面板裂缝情况，详见表13。由表1可知，12 m宽面板和不超过6 m宽面板裂缝分布占比与其面板面积占比较为接近。12 m宽面板裂缝分布密度较大，说明面板浇筑仓面的大小对裂缝产生了一定影响，这主要是由于12 m宽面板位于河床段，面板长度较长，浇筑时间也相应增加。由表2可知，不同高程裂缝分布数量较为接近，290 m以下高程裂缝长度占比偏高，说明在施工时长溜槽对裂缝的产生还是有一定影响。虽然现场已按照规范标准对溜槽进行覆盖，但是受到外界环境的高温以及强日照影响，混凝土水分散失会加大，并且长距离泵送混凝土会造成骨料离析现象，进而可能导致混凝土局部不均匀出现裂缝。总之，12 m宽面板受长溜槽供料会存在一定影响，但根据统计结果分析发现，入仓工艺并不是造成面板裂缝的主要原因。由表 3 可知，序面板呈自由状态，左右无约束，而序面板将受序面板的约束，且由于序面板浇筑后与序面板相比更加脆弱，在挤压约束下更加容易产生裂缝。同时，序面板浇筑时段在4月25日以后，气温逐步升高，序面板受序面板影响，散热条件相对较差，也对裂缝产生有一定的影响。3.2周边施工环境影响分析依据气象局发布的研究区历史温度数据，在混凝土面板浇筑期间温度变化幅度较大。4月710、1620日均出现较大温差，最大温差达到18；5月后，日平均气温显著上升，共计14 d平均气温超过30，最高气温在5月4日，当天温差达到17。根据规范中混凝土温控计算和相关文献工程资料，面板混凝土内部最大温度出现在浇筑后的1.5 3 d，温度应力破坏几乎在同时段内发生。所以，将面板最终浇筑完成时间与裂缝数量进行关联度分析，得到各时段裂缝情况，详见表4。由表4可知，5月上旬气温高的时候面板产生的裂缝条数及长度都远超过其他时段，并且大于其他时段产生的裂缝总和。考虑到本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。每块面板均埋设2支温度计，1支位于面板厚度的中心位置，1支位于面板上层钢筋位置，埋设分布如图4所示。根据监测结果，对典型面板 M17、M18、M19、M20、M21、M22、M23、M24、M25温度情况进行分析。各典型面板裂缝情况，详见表5。由表5可知，M17M25面板裂缝的条数、长度与混凝土内部最高温度近似呈正相关性，裂缝较多的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，序块入仓温度较高，并且受到环境温度影响，混凝土内部水化反应加剧，升温速度较快，约1 d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。同时，由于施工进度紧张，序块紧跟序块施工，序块受序块周边包围散热条件较差，进一步加剧了其内部温度的上升。3.3坝体沉降变形影响分析研究区大坝混凝土面板裂缝近似呈水平向分表1不同面板浇筑仓面裂缝统计表2不同面板高程裂缝统计表3序和序面板裂缝统计面板宽度/m6 及以下12面板面积占比/%34.665.4裂缝数量/条54132裂缝分布占比/%2971裂缝分布密度/（条 m-2）5 1006 600分布高程/m310332290310270290240270裂缝数量/条36505743裂缝总长度/m104.7295.2351.5354.8裂缝数量占比/%19273123裂缝长度占比/%9273232序列序序裂缝数量/条34152裂缝总长度/m135.4970.8通缝数量/条3670.20.5 mm缝宽数量/条1595表4各施工时段裂缝统计时间4月上旬4月中旬4月下旬5月上旬5月中旬裂缝数量/条1122299925占比/%612165313合计数量/条62124裂缝总长度/m28.2109.1183.3661.5124.1占比/%310176011合计长度/m320.6785.6海河水利922023.No.4图4温度计埋设分布编号M17M18M19M20M21M22M23M24M25高程/m246305246305259289309246305246305246305246305246305246305升温时长/h31292929272724272935222727262422213029内部最高温度/36.944.443.145.732.639.740.639.439.334.529.142.842.134.527.547.243.347.240.6外部温度/16.029.519.820.614.426.227.212.818.313.17.818.820.619.313.622.424.81915.5温差/20.914.923.325.118.213.513.426.621.021.421.324.021.515.213.924.818.528.225.1平均内部最高温度/40.744.437.639.431.842.53145.343.9裂缝数量/条51661242734013裂缝总长度/m17147.513.3118.713202.96.7203.179.4表5各典型面板裂缝统计分析布，这种裂缝形态可能与坝体变形的影响有关。坝体变形主要分为外加荷载变形（自重和水压力）、流变变形（施工期和运营期坝体流变产生的变形）、振动变形以及湿化变形等。目前大坝尚未开始蓄水，施工期坝体的水平和竖向变形主要发生在土石料的填筑碾压期间，但是坝体在填筑后与蓄水前的过程中土石料流变影响也是不可忽视的。填筑碾压后的土石颗粒受到自重应力影响，土石颗粒尖角会产生挤压破碎，造成颗粒空间位置重排列，颗粒间孔隙率进一步减小，土石料变得更加密实，整体呈现出以沉降为主的坝体流变变形。选取大坝典型河床段断面K0+122布设沉降观测点，统计分析坝体沉降变形对面板裂缝的影响。大坝K0+122断面沉降监测结果，如图5所示。根据监测结果可知，从大坝混凝土面板浇筑开始至2020年6月10日，大坝典型断面的日最大沉降量发生在315 m高程，为15 mm；大坝面坡的日最大沉降量也发生在315 m高程，为10 mm，略微超过规范规定的最大容许沉降值。造成研究区坝体沉降偏大的原因可能是受到几次强降雨的影响，故本文对坝上0+096.71坝上0+086.60坝上0+076.49坝上0+066.34坝上0+056.23坝上0+046.11坝上0+035.98坝上0+025.87坝上0+013.42坝上0+120.52坝上0+109.92坝上0+102.29坝上0+094.66坝上0+090.85坝上0+087.03坝上0+083.13坝上0+079.42坝上0+075.60坝上0+071.79坝上0+067.97坝上0+055.79坝上0+042.38坝上0+037.85坝上0+013.42坝0+261.00坝0+255.00坝0+249.00坝0+243.00坝0+237.00坝0+231.00坝0+225.00坝0+219.00坝0+213.00坝0+204.00坝0+192.00坝0+180.00坝0+168.00坝0+156.00坝0+144.00坝0+132.00坝0+120.00坝0+108.00坝0+096.00坝0+084.00坝0+075.00坝0+069.00坝0+063.00坝0+057.00坝0+051.00坝0+045.00坝0+039.00坝0+033.00坝0+027.00坝0+021.00坝0+015.00坝0+009.00王强，冉东虎：黄南水库堆石坝混凝土面板裂缝成因分析932023年4月降雨期间坝体沉降变形进行统计分析，并确定沉降对裂缝产生的影响。面板施工期间降雨量情况如图6所示，不同高程坝体沉降变形监测情况如图79所示。由图79可知，不同高程大坝沉降变形均有突变现象，主要发生在3月底、4月20日左右、5月初、5月20日左右以及6月初。将突变时间与降雨量统计表时间对比得出突变时间大约滞后23 d，与大坝湿图5大坝K0+122断面沉降监测结果图6面板施工期间降雨量统计图7高程272 m沉降变形监测情况图8高程294 m沉降变形监测情况图9高程315 m沉降变形监测情况272.00294.00V6-1315.00V9-1V10-1V7-1V11-1LD131711861054859117V8-11 1.4LD17LD19434781107151845079V2-1V1-1V3-1V4-1V5-11 1.41 1.4144107101771 1.41 1.4270.00坝上0+080.00坝上0+048.00坝上0+019.00坝上0+000.00坝下0+030.00坝下0+040.00坝下0+080.007974204197328340104998272482020年3月24日填筑期沉降至2020年6月10日累计沉降坝0+122.0010090807060504030201002020-03-212020-03-252020-03-292020-04-022020-04-062020-04-102020-04-142020-04-182020-04-222020-04-262020-04-302020-05-042020-05-082020-05-122020-05-162020-05-202020-05-242020-05-28日期填筑高度V3-1V4-1V2-1V5-1V1-1160140120100806040200沉降值/mm3603403203002802602402202002020-03-24 2020-04-07 2020-04-21 2020-05-05 2020-05-19 2020-06-02日期38033028023018013080沉降值/mmV7-1V8-1V6-12020-03-202020-04-102020-05-012020-05-22日期36034032030028026024022020034032030028026024022018014010060沉降值/mm2020-03-242020-04-072020-04-212020-05-052020-05-192020-06-02日期填筑高程/m高程/m；沉降值/mm降雨量/mm坝轴线桩号：坝0+122埋设高程：EL.272.00 m顺河向桩号：V1-1：坝上0+080、V2-1：坝上0+048、V3-1：坝下0+000、V4-1：坝下0+040、V5-1：坝下0+080坝轴线桩号：坝0+122埋设高程：EL.315.00 m顺河向桩号：V9-1：坝上0+019、V10-1：坝上0+000、V11-1：坝下0+030坝轴线桩号：坝0+122埋设高程：EL.294.00 m顺河向桩号：V6-1：坝上0+048、V7-1：坝上0+000、V8-1：坝下0+040填筑高程/m填筑高程/m海河水利填筑高度填筑高度V10-1V11-1V9-1942023.No.4化变形情况吻合，说明混凝土面板施工期间的强降雨对坝体变形产生了一定的影响。但是，沉降变形最大值在规范允许范围内，同时从裂缝的分布特征得出先浇的序块裂缝比序块裂缝少，这并不符合结构性裂缝的分布规律，因此大坝的沉降变形对本工程面板裂缝产生的关联度较小。4结论本文基于堆石坝混凝土面板裂缝分布特征，从混凝土面板施工工艺、周边施工环境和坝体沉降变形等多角度深入分析与面板裂缝的关联性，得到了如下结论。（1）面板浇筑仓面大小、入仓方式对面板裂缝的产生有一定影响，但是关联性较小。面板混凝土结构长、宽、厚三向尺寸差距悬殊，在序块浇筑时容易受序块的挤压约束效应影响。（2）周边气温环境是面板裂缝产生的主要原因。面板浇筑过程中序块紧跟序块施工，受序块挤压约束导致序块内部温度难以及时散去，面板内外较大的温差加剧了混凝土裂缝的生成。（3）强降雨对大坝湿化变形影响较大，多次造成沉降监测数据出现突变，但是突变峰值不大。面板裂缝分布不符合结构性裂缝的特征，大坝的沉降变形对裂缝产生的影响较小。参考文献1 杨泽艳，周建平，王富强，等.中国混凝土面板堆石坝发展30年J.水电与抽水蓄能，2017，3（1）：1-5，12.2 杨泽艳，周建平，蒋国澄，等.中国混凝土面板堆石坝的发展J.水力发电，2011，37（2）：18-23.3 孙役，燕乔，王云清.面板堆石坝面板开裂机理与防止措施研究J.水力发电，2004（2）：30-32.4 Wang Z J，Liu S H，Vallejo L，et al.Numerical analysis of thecauses of face slab cracks in Gongboxia rockfill damJ.Engineering Geology，2014，181：224-232.5 宋文晶，孙役，李亮，等.水布垭面板堆石坝第一期面板裂缝成因分析及处理J.水力发电学报，2008（3）：33-37.6 张伟.温泉水电站大坝面板混凝土裂缝成因及处理措施J.水利水电技术，2013，44（10）：93-95.7 WANG Z，LIU S，VALLEJO L，et al.Numerical 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