高寒、高蒸发地区面板坝钢筋混凝土面板防裂抗裂技术探讨.pdf

西 北水 电 2 0 1 4年 第 4期 2 9 文章编号 ： 1 0 0 6 -2 6 1 0 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 0 2 9 0 4 高寒 、 高蒸发地 区面板坝钢筋混凝土面板 防裂抗裂技 术探讨 赵 庆， 苗 结， 李学 强 ( 中国水电顾 问集团西北勘测设计研究院有限公司， 西安7 1 0 0 6 5 ) 摘要 ： 主要介绍了新疆地区高寒、 高蒸发等恶劣气候条件下 2座百米级混凝土面板坝防裂、 抗裂设计、 施工经验。察 汗乌苏面板坝面板混凝土掺聚丙烯纤维防裂， 由于气候原因使混凝土养护困难造成后期面板裂缝较多。柳树沟面板 坝在总结察汗乌苏工程经验教训的基础上， 面板采取在不同的分区分别掺入罗赛植物纤维和钢纤维的方法提高抗裂 性 能。事实证明 ， 在与察汗乌苏基本相 同的施工环境及混凝土养 护条件下 ， 钢纤 维混凝土对特殊 拉压部位混凝 土初 裂强度和断裂韧性提高作用较明显， 罗赛纤维混凝土抗裂效果明显提高。 关键词： 面板堆石坝； 面板裂缝； 控制 ； 钢纤维； 聚丙烯纤维； 罗赛纤维( R S 2 0 0 0 ) ； 混凝土； 抗裂； 察汗乌苏水电站； 柳 树 沟 水 电站 中图分类号 ： T V 6 4 1 4 3 文献标识 码 ： A S t ud y on Te c hn o l o g y o f Cr a c k Pr e v e nt i o n a n d Re s i s t a n c e o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e Fa c e o f Da m i n Hi g h-c o l d an d Hi g he v a po r a t i o n Re g i o n Z HA O Q i n g ，MI A O Z h e ， L I X u e q i a n g ( H Y D R O C H I N A X i b e i E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， X i * a n 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a ) Abs t r a c t： Cr a c k p r e v e n t i o n，c r a ck r e s i s t a n c e d e s i g n，a n d c o n s t r u c t i o n e x pe rie nc e o f t wo CFRDs wi t h h e i g ht o v e r 1 00m e a c h b ui l t i n h i g h - c o l d a n d h i g h e v a p o r a t i o n r e g i o n i n X i n j i a n g a r e i n t r o d u c e d T h e f a c e c o n c r e t e o f C F R D o f C h a n h a n w u s u H y d r o p o w e r S t a t i o n i s mi x e d w i t h p o l y p r o p y l e n e fi b r e t o p r e v e n t c r a c k i n g B u t t h e c o n c r e t e f a c e c r a c k s a l o t l a t e r b e c a u s e o f t h e d i ffic u l t y o f c u r i n g d u e t o c l i ma t e Ba s e d o n t he e x p e rie n c e a nd l e s s o ns f r o m t h e p r a c t i c e o f t he CFRD o f Ch a h a n wu s u Hy d r o po we r S t a t i o n，t he f a c e c o nc r e t e o f t he CFRD o f Li u s h ug o u Hy d r o po we r S t a t i o n i s mi xe d wi t h Ro s a y v e g e t a bl e fib r e a nd s t e e l fib r e t o i nc r e a s e i t s c r a c k r e s i s t an c e Th i s pr a c t i e e d e mo n s t r a t e s t h a t i n t h e c o n s t r u c t i o n o f L i u s h u g o u Hy d r o p o we r S t a t i o n，u n d e r t h e s a me c o n s t ruc t i o n a n d c u r i n g c o n d i t i o n s a s t h o s e i n c o n s t r u c t i o n o f Cha h a n wu s u Hy d r o p o we r S t a t i o n，t he c o nc r e t e wi t h s t e e l fibr e o b v i o u s l y i mpr o v e s t h e i ni t i a l c r a c k i n g s t r e ng t h a n d b r e a k i n g r e s i s t a n c e o f t h e c o n c r e t e a t t h e s p e c i a l c o mp r e s s i v e a n d t e n s i l e p o s i t i o n s a n d t h e c o n c r e t e wi t h t h e Ro s a y fi b r e i mp r o v e s h i g h l y t h e c r a c k r e s i s t a n c e a s we l 1 Ke y w o r d s ： C F R D； f a c e c r a c k i n g ； c o n t r o l ； s t e e l fi b r e ； p o l y p r o p y l e n e fi b e r ； R o s a y fi b r e( R S 2 0 0 0 ) ； c o n c r e t e ； c r a c k r e s i s t a n c e ； C h a ha n wus u Hy d r o po we r S t a t i o n；Li us hu g o u Hy d r o p o we r St a t i o n 混凝土面板大坝是以面板为主要防渗体 的一种 坝型 ， 由于具有较 高安全性 、 经济性及适应 性 的特 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 4 0 4 作者简介 ： 赵庆( 1 9 8 1 一) ， 男 ， 山东省安 丘市人 ， 工 程师 ， 从 事水 利水电工程设计工作 点 ， 已经 发 展成 为一 种 具 有 强 竞 争 力 的主 流 坝 型 。随着设计施工水平的不断提高 ， 在一些气候 条件较差的严寒地 区也 出现了面板坝 的身影 ， 如何 保证在高寒 、 高蒸发地区混凝土面板的防裂 、 抗裂能 力 、 减少面板混凝土裂缝成为 了面板坝设计 的一项 重要内容。本文结合察汗乌苏 、 柳树沟 2座 已建成 3 0 赵 庆， 苗 拮， 李学强 高寒 、 高蒸发地 区面板 坝钢筋混凝土面板防裂抗裂技 术探 讨 面板坝的设计施工及实际运行情况 ， 对新疆严寒恶 劣气候环境条件下 ， 混凝土面板的防裂 、 抗裂问题及 经验教训进行论述及探讨。 1 工程概况及 自然条件 1 1 自然条 件 察汗乌苏面板坝和柳树沟面板坝均位于新疆巴 音郭楞蒙古 自治州境 内开都河 中游 ， 是开都河中游 河段的相邻梯级 ( 直线距离约 1 0 k m) ， 该 区域地理 位置北纬 4 2 。 、 东经 8 5 。 附近 ， 海拔 1 5 0 0 2 5 0 0 1T I 。 该地区气候条件较差， 绝对最高气温 3 8 5 c C， 绝对 最低气温一 3 6 6 ， 平均蒸发量 1 7 0 2 5 m i i l ， 最大 风速 3 2 0 n r s ， 最大冻土深度 1 4 2 C I I 1 。具有高寒 、 干旱 、 高蒸发 、 风速大 、 昼夜温差大的气象特点。 1 2 察 汗乌 苏水 电站 面板 坝工程 概 况 察汗乌苏面板砂砾石坝坝顶高程 1 6 5 4 1 3 1 ， 最大 坝高 1 1 0 IT I ， 为河床趾板建在覆盖层上面板砂砾石 坝 。坝 顶 长 约 3 3 8 i n ， 坝 顶 宽 8 2 1T I ， 上 游 坝 坡 l： 1 5 ， 下游设“ 之” 字形上坝道路 。面板厚度按 t = 0 3 + 0 0 0 3 H确定 ， 分 2期施工 ， 一 期面板 顶高程 1 6 2 2 m， 面积 3 7万 1T I ， 二期 面板顶高程1 6 5 0 2 3 m， 面 积 约1 3 万m 。 面 板 混 凝 土 标 号 C 2 5 W1 2 F 3 0 0( 二 ) 。 察汗乌苏水电站大坝于 2 0 0 6年 2月 1日开始 填筑 ， 2 0 0 7年 1 0月 3 1日水库下闸蓄水 ( 蓄至死水 位 1 6 2 0 IT I ) ， 2 0 0 8年 5月 3 1日二期面板浇筑完成 。 目前大坝沉降最大 5 3 8 C I I 1 ， 约 占坝高( 含覆盖层厚 度 ) 的 0 3 6 。 1 3柳树 沟水 电站面板 坝概 况 柳树沟面板坝坝顶高程 1 4 9 9 m， 最大坝高 1 0 0 m， 为河床趾板建在基岩上的面板堆石坝 ， 坝顶宽 1 0 m， 坝顶长 1 8 6 m， 上游 坝坡 1：1 4， 下游 坝坡 设 “ 之” 字形上坝道 路。面板厚度按 t =0 3 + 0 0 0 3 H 确定 ， 面板浇筑不分期 ， 面板 面积 2 3 8万 IT I ， 最大 斜长 1 6 8 r n ， 浇筑量约为 1 0 5万 I T I 。面板混凝土标 号 C 2 5 W1 2 F 3 0 0 ( 二 ) 。坝体填筑料为料场开挖块石 料和建筑物开挖碴料 ， 岩性为凝灰岩。 2 0 1 1年9月 1日大坝开始填筑 ， 2 0 1 2年 5月 3 0 E t 填筑到墙底高程 1 4 9 6 Il l 。面板浇筑从 2 0 1 2年 9 月 1日开始至 2 0 1 2年 1 O月 1 4日结束 ， 历 时 2个半 月。 目前大坝最大沉降约 4 5 c m， 占坝高的 0 4 5 。 2 混凝土面板防裂设计 2 1裂缝分 类 面板混 凝土裂缝一般分为收缩裂缝 和结构 裂 缝 。结构裂缝主要是 由坝体不均匀变形所引起 ， 可 通过提高坝体填筑质量 ， 预留预沉降时间， 减少竣工 后不均匀变形来控制 ； 收缩裂缝是混凝 土的收缩变 形受到约束产生的拉应力大于混凝土的抗拉强度而 引起的 ， 是面板混凝 土中最普遍 发生 的裂缝。这类 性质的裂缝 通过提高面板混凝土本 身的抗裂性 能 ( 混凝土原材料的选 优 、 性能优化等 ) 、 合理确定适 宜的浇筑时段 、 加强温控养护与添加抗裂材料等措 施来予 以减免 。 2 2 察汗乌苏面板坝面板防裂设计 2 2 1 防裂措施 ( 1 )温控养护措施 1 )通过材料优选及性能优化 ， 即胶凝材料选用 中热硅酸盐水泥 ， 并掺人 1 5 的粉煤灰和适量外加 剂( 高效减水剂及 引气剂 ) ， 合理减少单位水泥及水 的用量 ， 有效地降低混凝土的水化热温升 ， 改善混凝 土的和易性 ， 降低混凝土温度应力 。 水泥 ： 采用 P MH 4 2 5中热硅酸盐水泥。 粉煤灰 ： I 级粉煤灰 。 外加剂 ： A X N A型高效减水 剂、 A X S F 引气 剂 以及 F D N高效减水剂。 2 )严格控制混凝土人仓温度不超过 2 8。 【 = 。一 期面板混凝土于 2 0 0 6年夏季施工 ， 采用骨料料仓遮 阳、 水泥和粉煤灰储存罐淋水降温 、 早晚气温低时段 施 二 措施 ， 运输罐车隔热保温被包裹 ， 综合措施控制 混凝土入仓温度。 3 )一期混凝土表面用塑料布覆盖防风保湿 ， 初 凝后流水养护； 二期混凝土面板采用塑料布防风保 湿 、 线毯压覆保温养护。 ( 2 )工 程措 施 1 )预留足够的坝体沉 降时间。面板浇筑前坝 体预留沉降时间至少 3个月。 2 )面板下部的垫层料 区表 面采 用厚 5 c m 的 M 5砂浆找平 ， 表面涂刷沥青 ， 割除架立钢筋 ， 减小其 对面板 的基础约束。 3 )面板混凝土 中掺用纤 维材料 。聚丙烯纤维 混凝土的特点是能很好地抑 制混凝土早期 塑性收 缩 ， 有阻止早起收缩裂缝的作用 。有资料表明， 混凝 西 北水 电 2 0 1 4年 第 4期 3 1 土 中聚丙烯腈纤维掺量在 0 51 k g m ， 其抗裂性 能 比普通水泥砂浆提高 5 8 7 3 3 1 ； 水 布垭工程 面板掺量聚丙烯腈纤维 在 0 8 k g m 的情况下， 面 板抗裂效果理想 J 。察汗乌苏 面板 混凝土掺 聚丙 烯腈纤维“ 丹强丝” ， 掺量为 0 9 k g m 。 2 2 2面板裂缝情况 每期面板浇筑 完毕 3 0 d后即对裂缝进行检查 并作处理 ， 表 1为各期混凝土面板的裂缝统计情况。 面板总裂缝 7 1 1条 ， 其 中一期面板发现裂缝 4 2 0条 、 1 1 4 条 ( 1 0 m ) ，二 期 面 板2 9 1 条 、2 2 4 条 ( 1 0 m ) 。经凿槽检查 ， 裂缝深度 2 5 c m， 超声 波检测裂缝深 2 8 7 1 5 c m， 没有贯穿 面板 ， 说明 面板裂缝均为表面水平裂缝。 表 1 各期混凝 土面板 的裂缝统计表 2 2 3面板 裂 缝 产生原 因分析 大坝填筑后预 留 5个月以上 的沉 降期 ， 一二期 面板浇筑时垫层料处的监测沉降速率变化较小 ， 变 形趋于收敛 ， 坝体大部分沉降 已于填筑过程 和预沉 降期完成 ， 分析面板裂缝不应是结构裂缝。 施工单位凿槽检测裂缝深 度 25 c m， 新疆水 利水电勘测设计研究院物探队超声检测裂缝深度在 2 8 7 2 c m之间， 远小 于面板厚度 3 0 6 1 5 c m， 故确定面板 裂缝 均为表层 裂缝。根据 上述裂缝性 状 ， 设计分析认为裂缝产生原因可能有以下几种 ， 主 要是塑性裂缝和温度裂缝 。 ( 1 )拉面板期 间坝址 区风速较大， 大风天气频 繁 ， 空气湿度小 ， 面板表面覆盖的养护草帘等无法固 定 ， 混凝土表面蒸发失水干缩严重 ， 引起混凝土面板 表面塑性收缩较大形成塑性裂缝 。 ( 2 )混凝土浇筑入仓温度较高 ， 造成水化温升 较快 ， 并且新疆地 区昼夜温差较大、 温度突变 ， 混凝 土内外温差较大 ， 导致产生温度裂缝 。 2 2 4混凝 土 面板抗 裂 经验探 讨 ( 1 )坝体预 留足够的预沉 降时间 ， 混凝土面板 裂缝不会产生结构裂缝 。察汗乌苏面板坝坝高 1 1 0 m， 预留沉降期约 5个月 ， 面板裂缝深度为 2 8 7 2 c m， 远小于面板厚度 3 0 6 1 5 c m。 ( 2 )一期面板于夏季 ( 7 、 8 、 9月 ) 浇筑 ， 面板裂 缝 1 1 4 ( 1 0 m ) ， 二 期面板于春 季 ( 4 、 5月 ) 浇 筑 ， 面板裂缝 2 2 4条 ( 1 0 m ) ， 明显春季浇筑的面 板每千平米发生裂缝 比夏季浇筑面板多 ， 且多 1 倍。 ( 3 )夏季气温较高 ， 昼夜温差相对不大 ， 河道风 速不大 ， 流水养护容易 ； 春季气温较低 ， 昼夜温差较 大 ， 河道风速较大， 线毯固定不易， 保湿 、 保温养护困 难 。经分析裂缝产生主要原因是混凝土温降收缩引 起 的温度裂缝和表面蒸发失水较快引起的塑性收缩 裂 缝 。 ( 4 )混凝土掺聚丙烯纤维在昼夜温差较大 、 蒸 发量大地 区对抑制早期塑性收缩效果不明显。 ( 5 )拉面板时机宜选择在温控 、 养护较容易 、 外 部恶劣气候条件影响相对较小 的季节进行 ， 新疆地 区宜选在夏季施工。 2 3 柳 树 沟面板 坝 防裂设 计 2 3 1 防裂措 施 ( 1 )采用中热水泥 ， 添加引气剂和外加剂， 掺粉 煤灰 ， 优选混凝土原材料和进行配合 比优化。 ( 2 )拉面板 时间选择在夏末秋初 ， 即 9 1 0月 上旬。减少外部气候条件 的不利影响。养护方法同 察汗乌苏面板坝 ， 加强流水养护和线毯保温保湿措 施 。 ( 3 )混凝 土中掺配罗塞纤维 ( R S 2 0 0 0 ) 和钢纤 维 。 1 )罗塞纤维 ： 植物性纤维亲水性 能好 、 纤维根 数多( 掺量 1 k g m ， 长度为 5 m m， 每 m 混凝土单 丝纤维 的数量达 到 62 2万根 ) ， 抗拉 强度 7 5 0 MP a 。经配合 比对 比试验 ， 抗压 强度与未掺基准混 凝土 比相当 ， 抗拉强度提高 1 5 ， 与基准混凝土相 比， 掺罗塞纤维使得混凝土开裂时间由 4 8 m i n延长 到 9 0 m i n ， 平均 裂缝 宽度 由 1 1 mm 降低 为 0 3 5 m m， 裂缝面积降低 了 7 9 ， 抗 裂等级达 到一级 ， 显 著提高了混凝土抗裂性能。 经材料试验验证 ， 最终柳树沟混凝土面板采用 罗赛纤维素防裂。 表 2 混凝土抗裂性能试验结果表 类 刷 删 m 时 i n 删缝平 ra 均宽 m 度 裂缝 h i 率 m 一 基准配合比 4 8 掺 R S 2 0 0 0纤维混凝土 9 O 1 1 4 8 4 0 一 O 3 5 l 01 5 7 9 3 2 赵庆 ， 苗结 ， 李 学强 高寒 、 高蒸发地 区面板坝钢 筋混凝 土面板 防裂抗 裂技 术探 讨 表 3 面板基准混凝土与掺 罗赛纤维 R S 2 0 0 0混凝土 检测结果对 比表 基准混凝土 2 3 3 3 2 6 3 7 5 2 0 2 2 2 8 IF 1 2 F 3 0 0 掺R S 2 0 0 0纤维混凝土2 3 6 3 2 3 3 8 0 2 1 8 2 6 4 I F 1 2 2 )钢纤维： 掺加钢纤维则可以明显提高混凝土 的初裂强度和断裂韧性 ， 这对于高坝面板在高水头 作用下或是由坝体沉降引起面板产生较大的弯曲变 形时， 起到提高混凝土强度 、 阻止裂缝产生或限制裂 缝扩展作用。钢纤维混凝土 目前在水布垭水电站工 程 期面板和龙首二级水 电站工程 面板 中局部采 用 ， 防裂效果较好 。经分析 ， 在柳树沟面板左右岸拉 应 力区范围和高程 1 4 6 01 4 7 0 m( 坝高 2 3附近 1 0 m) 面板 混凝 土拉压应 力较 大区域 ， 掺钢 纤维。 钢纤 维 采 用 哈 瑞 克 斯 铣 削 型 钢 纤 维 ， 掺 量 4 2 kg m 。 2 3 2面板 裂缝 情 况 混凝土面板共发现裂缝 2 7条 ， 混凝土面板总面 积约 2 1 万 m ， 平均 1 3条 ( 1 0 m ) ， 其中 ： 1 )其 中压坡体高程 1 4 3 0 m 以下 5条 ， 裂缝宽 度均小于 0 2 mm， 最长长度 1 5 m； 2 )1 4 3 0 m高程以上 2 2条 ， 裂缝宽度小于 0 2 m m的 1 条 ， 0 2 m m 宽度 0 5 m m 的 2 l条 ， 长度 0 9 6 0 m。 3 )两岸掺钢纤维的面板共 8块 ， 未发现裂缝 ， 高程 1 4 6 01 4 7 0 m范 围共发现裂缝 4条 裂缝 ， 裂 缝长 度 2 3 3 4 m， 宽 度 0 3 0 5 mm。 4 )均 为表 面裂缝 。 表 4 各期混凝土面板 的裂缝统计表 6 1 5 21 6 0 0 2 7 2 2 2 7 7 8 O 0 2 3 3面板裂缝产生原因分析及抗裂设计经验探讨 ( 1 )百米高大坝 ， 填筑时间约 8个月 ， 平均月上 升速度 1 2 5 m 月 ， 预留沉降时间约 3个月 。总体 看大坝填筑上升速度略高， 虽大坝沉降变形在施_T 期间大部分 已经结束且趋 于收敛 ， 也预 留了合适的 沉降时间 ， 但硬岩堆石后期流变远未结束， 经分析柳 树沟面板裂缝主要是由堆石流变变形引起面板的挠 曲变形产生。 ( 2 )掺罗赛纤维后 ， 对抑制混凝 土表面塑性和 收缩 裂 缝 效 果 明 显 ， 面 板 裂 缝 数 统 计 均 1 3 条 ( 1 0 m ) ， 达到抗裂先进水平。 ( 3 )两岸可能受拉 区域面板掺钢纤维后未发生 裂缝 ， 说 明钢纤维对特殊 拉压部位混凝土初裂强度 和断裂韧性提高作用较 明显。 ( 4 )在坝高 2 3附近面板挠 曲率较大部位仍然 产生一定数量的水平裂缝 ， 说明钢纤维对挠 曲率变 形较大部位 的表面裂缝抗裂作用提高有限 ， 抗裂措 施仍应主要 以合理的双层配筋为宜 。 3 结语 通过对察汗乌苏 、 柳树沟水 电站 2座面板坝 的 实际设计施工及实 际运行经验总结 ， 得 到以下经验 认 识 ： ( 1 )不论坝体采用堆石料还是砂砾石料的面板 堆石坝 ， 坝体需预留足够 的变形期及沉降期 ， 防止结 构裂缝的产生 。 ( 2 )高寒 、 高蒸发等恶劣气候环境地区 ， 面板施 工时机宜选择在夏季。但尽管如此 ， 昼夜温差大 ， 河 道风速大 ， 高蒸发仍会对混凝土保湿 、 保温养护带来 困难 ， 造成混凝土温降收缩 的温度裂缝和表面蒸发 失水较快引起 的塑性 收缩裂缝 ， 需采取合理必要 的 养护措施。 ( 3 )聚丙烯纤维在高寒 、 昼夜温差较大 、 蒸发量 大地区对抑制混凝土早期塑性收缩效果不明显。掺 用罗赛纤维 ， 对抑制混凝土表面塑性裂缝和收缩裂 缝效果较明显 ， 抗裂效果优良。 ( 4 )钢纤维对特殊拉压部位混凝土初裂强度和 断裂韧性提高作用较 明显 。但在坝高 2 3附近面板 挠曲率较大部位 ， 钢纤维对挠 曲率变形较大部位抗 裂作用有限， 抗裂措施应主要 以合理的双层配筋为 宜 。 参考文献 ： 1 杨劲松 混凝土面板 堆石坝 裂缝 产生机 理及 防治措施 J 浙 江水利科技 ， 2 0 0 6， ( 7 ) ： 7 1 7 2 2 张聪慧南山水库面板堆石坝混凝土面板 防裂技术 J 两北 水 电， 2 0 1 2， ( 0 3 ) ： 4 2 4 6 3 张海文 ， 李家正 ， 刘凤茹 ， 何 唯平 聚丙烯 腈纤 维在混凝 土面板 堆石坝的应用及其性能研究 J 水利水 电技术 ， 2 0 0 6， 3 7( 5 ) ： 6 6 5