闲林水库堆石坝趾板及面板混凝土防裂试验研究.pdf

第 2 6卷 第 1期 2 0 1 4年 3月 浙江水利 水电学院学报 J Z h e j i a n g Un i v o f Wa t R e s E l e c t r i c P o w V0 I 26 No 1 Ma r 2 O1 4 闲林水 库堆石 坝趾板及 面板 混凝土 防裂试验研究 金 海 ， 杨志祥 ， 金建峰 ， 徐 敏 ( 1 杭州市闲林水库管理处 ， 浙江 杭州3 1 0 0 0 7； 2 中 国水利水 电第十二工程局有 限公司 ， 浙江 杭卅 l 3 1 1 6 0 0) 摘 要 ： 针 对杭 州市闲林水库 面板堆 石坝趾板、 面板 混凝土 的开裂 问题 ， 以 V F防裂剂的掺 量为 变量 ， 对趾板 、 面板 混凝土开展防 裂试验研 究 ， 认 为防裂剂掺量 为 1 0 最为合 适 ， 并据 此确 定防裂 混凝土 的施 工配合 比 混凝 土的抗 渗、 抗 冻等各 项指标均满足本工程 面板 混凝土的强度要求 ， 为趾板 、 面板 混凝土的 生产和施 工提供 可靠依 据 关键词 ： 闲林 水库 ； 面板堆石 坝； 混凝 土； 防裂试验 中图分类号 ： T V 5 4 4 文献标志码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 8 5 3 6 X( 2 0 1 4 ) O 1 0 0 2 5 0 4 Cr ac k i n g Pr ev en t i on Ex per i men t of CFRD i n Xi a nl i n Res e r v oi r J I N Ha i ，rANG Z h i x i a n g ，J I N J i a n f e n g ，XU Mi n ( 1 Ha n g z h o u Xi a n l i n Re s e r v o i r Ad mi n i s t r a t i o n Of f i c e， Ha n g z h o u 3 1 0 0 0 7，C h i n a； 2 S i n o h y d r o B u r e a u 1 2 C O L T D ，H a n g z h o u 3 1 0 0 0 7 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： Cr a c k i n g p r e v e n t i o n e x p e r i me n t o f t he CFRD i n Xi a nl i n Re s e r v o i r i s i l l us t r a t e d i n t he pa p e r ，s pe c i a l l y o n t h e pl i n t h a nd p a n e l ，ma ki ng t he amo u n t o f VF c r a c k a g e n t a s a v a r i a b l e Th e c o n s t r uc t i ng r a t i o o f c r a c ki ng p r e v e n t i o n c o n c r e t e i s e v a l u a t e d wi t h t h e mo s t a pp r o p r i a t e a nt i c r a c k i n g a g e nt a t 1 0 c o n t e nt ，wh i c h c o mpr e h e n s i V e l y me e t s t h e s t r e n g t h r e qu i r e me n t s o f c o nc r e t e p a ne l s i n i mp e r me a b i l i t y a nd a n t i f r e e z i ng，p r o v i d i ng a r e l i a bl e p r i n c i p l e f o r pl i n t h a nd p a n e l p r o d uc t i o n a nd c 0 ns t r u c 1 ：i o n Ke y wo rd s： Xi a nl i n Re s e r vo i r ；CFRD ；c o n c r e t e；c r a c k i n g p r e ve nt i on e x p e r i me n t 0 引 言 混凝 土 面板 堆石 坝 的建 设发 源 于美 国 ， 自 1 9世 纪末建成 5 4 I n高的 M o v e n a 坝以来， 经过 1 0 0余年的 发展 ， 目前技术 已基本成熟 现代面板堆石坝绝大多 数采用混凝土趾板、 面板作为防渗结构， 因其具有造 价低 、 工期短等优点， 得到了蓬勃的发展” 由于堆 石 体 的沉 降 、 混 凝 土 收 缩 等 原 因 ， 混 凝 土 面板 开裂 很难 避 免 ， 因而 成 为工 程 质 量 控 制 的 重 点 和难 点 问题 面板 混 凝 土 裂缝 可 分 为 结 构 性 裂 缝 和非 结 构性 裂缝 由于 混凝 土 自身 施 工 质 量 和 周 边 环境因素使面板混凝土产生应力 而导致 的裂缝为 非结构性裂缝 ； 由于堆石体在 自重和水压力作用下 产生不均匀 沉降导致混凝 土面板 与垫层料或混 凝 土或 混凝 土挤 压 边 墙 脱 空 导 致 面板 产 生 贯 穿 性 的 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 l - 2 1 作者简介 ： 金海( 1 9 8 7一) ， 男 ， 浙江杭州人 ， 助理工程 师 ， 从事 水利工程管理工作 裂 缝 为结 构 性 裂缝 裂缝 对 大坝 的危 害是 显而 易 见的 ， 它将降低混凝 土面板的耐久性 ， 进 而引发渗 漏 并危 及大 坝 安全 美 国的盐 泉 面板 坝 和 葡 萄牙 的 伯 勒代 拉 面板 坝 ， 均 因面 板 严重 断 裂 和 漏水 而 影 响 安 全 运 行 ； 中 国 沟 后 水 库 大 坝 面 板 接 缝 止 水 的 损 坏 ， 也是 导致 垮 坝失 事 的原 因之一 杭州市闲林水库大坝工 程位 于杭州 市余 杭 区 闲林镇 ， 工 程 任 务 以 城 市 应 急 备 用 、 抗 咸 备 用 和 抗 咸供水为主 ， 兼具 防洪 和改善水环境等功能 大坝 工 程包 括面 板堆 石 坝 土 建工 程 、 泄 洪 兼 导 流洞 土 建 工程、 上坝道路土建工程 、 附属金属结构 、 机 电设备 安装 工 程 、 施 工 导 流 工 程 以及 其 他 生 产 生 活 设 施 等 为预防大坝面板非结构性裂缝 的产生 ， 保证库 区安全 ， 以及经济有效地解 决趾板 、 面板混凝 土 的 开裂 问题 ， 本 文 以 V F防裂剂 的掺量 为 变 量对 趾 板 、 面板 混凝 土作 了 防裂 试 验 研 究 ， 为 趾 板 、 面板 防 裂 混凝土的生产和施工提供依据 2 6 浙江水利水 电学院学报 第 2 6卷 1 试验方案 1 1 面 板混凝 土 结构概 况 本工程混凝土面板堆石坝坝顶高程 7 4 1 1 3 ， 最低 建基 面 高程 3 4 m， 最大 坝高 4 0 1 13 ， 坝顶 长度 2 3 0 1 1 3 ， 宽 8 m， 坝前 坡 比 1 ：1 4， 坝后坡 比为 1 ：1 6 ， 面 板 混凝 土 厚度 为 4 0 0 mm， 混 凝 土 强 度 为 C 2 5、 抗 渗 等 级 W8 、 抗 冻 等 级 F 1 0 0， 混 凝 土级 配 为二 级 配 ， 强 度 保证率 9 5 ， 坍落度 3 0 7 0 I I l n 3 混凝土工程量约 为 2万 m ， 其 中面板混 凝土 工程 量为 5 1 4 1 I T I ， 趾 板 混 凝 土工程 量为 8 5 4 11 3 1 2补偿收 缩 混凝土 混凝土浇筑后 ， 胶凝材料在水化过程中散发大 量 的 水 化 热 ， 由于 混 凝 土 的 导 热 性 较差 ， 在 混 凝 土 结 构 内部 聚集大 量热 量 而 不 能散 发 混 凝 土在 降 温 过程 中 ， 形 成 混 凝 土 表 里 温 差 ， 起 因于 表 里 温 差 超 过 一 定 范 围 ， 就 有 可 能 发 生 表 面 裂 缝 ， 进 而 发 展 成 贯穿性 裂缝 另一 种 情况 是 混凝 土 构 件从 最 高 的截 面平均温度逐渐降至环境大气 的平均温度 ， 降温过 程 中起 因于 温 差 的 温 度 应 变 收 到 外 部 约 束 时 所 引 发 的裂 缝 是 贯 通性 的 而 补 偿 收 缩 混 凝 土 ， 能 够 让混 凝 土 适 度 膨胀 ， 受 到 外 部 、 内部 约 束 后 产 生 压 应力抵 消 其有 害 的限制 收缩 拉 应力 ， 从 而 达 到 避 免 或大 大减轻 混凝 土 开裂 的 目的 ， 这 就是 补 偿 收 缩 混 凝土 的 防裂 机 理 ， 也就 是 说 ， 补 偿 收缩 混凝 土 防 裂 的原 理就 是利 用 限制膨胀 来补 偿 限制收 缩 在基 准混凝 土 配合 比 中掺 入 V F防裂 剂 ， 可 以 使混 凝土 产生 微膨 胀 膨胀 变 形 在 约束 条 件 作 用 下 使得 混凝 土 内部 产 生 压 应 力 从 而对 混 凝 土 收 缩 变 形产生的拉应力进行补偿 ， 拉应力的峰值被均化并 减小 ， 最终达到防裂作用 V F防裂剂的掺量决定着 混凝 土 的限制 膨胀 率 的 大小 ， 而 限 制膨 胀 率 是 防 裂 混凝 土设 计 中最为 重 要 的参 数 ， 直 接决 定 混 凝 土 抗 裂性 能 的优劣 所 以 防裂 混凝 土 试 验 的核 心 内容 就 是确定 V F防裂剂的掺量 1 3试验 方案 根 据 厂 家 推 荐 掺 量 ( 胶 凝 材 料 用 量 的 8 1 2 ) 及 以往多 项 同类 工 程 的应 用 经验 ， 选 择 1 0 、 1 2 两个 掺量 进 行 试 验 ， 另 外 制 作 不 掺 V F防 裂 剂 ( 掺 量为 0 ) 的试 件作 对 比试验 试 验项 目主 要 有 力 学性 能试 验 ( 抗 压 强度 ) 、 耐久 性能 ( 抗渗 、 抗 冻 ) 、 变 形性 能 ( 极 限拉伸值 、 限制膨 胀 率 、 干缩 率 ) 试 拌 方 案 及抗 压试验 结果 ( 见表 1 ) 表 l 防 裂 混 凝 土 抗 压 试 验 结 果 2 试验结果及分析 2 1 防 裂混凝 土抗渗 试验 、 抗 冻试验 根据 水 工 混 凝 土 试 验 规 范 ( S L 3 5 2 2 0 0 6 ) ， 制作混凝 土抗渗试 件 ， 至设 计龄期后 进行 抗渗试验 采用逐级加压 法加压至 0 8 MP a ， 各组 抗渗试 件均 无渗 水 ， 试件 的抗 渗等 级 均满 足 W8 要求 混凝土抗 冻试验按 水工混凝土试 验规范 快 冻法 进 行试 验 按试 拌 方 案 制 备 抗 冻试 件 ， 至 龄 期后进行抗冻试验 ， 各组混凝土均满足设计 F 1 0 0 抗 冻要 求 2 2 防裂混 凝土 变形性 能试 验 2 2 1极 限拉 伸 值 试 验 混凝 土 极 限 拉 伸 试 验 按 水 工 混 凝 土 试 验 规 范 ( 4 5混凝 土轴向拉伸试验 ) 进行检验 按试拌 方案制备轴向拉伸试件 ， 至龄期后进行混凝土轴 向 拉伸试验， 掺量 O 、 掺量 1 0 、 掺量 1 2 三组试件 的极 限拉伸值 分 别 为 1 1 41 0 、 1 1 11 0、 1 0 6 1 O ， 均符 合设 计要求 2 2 2防 裂混凝 土 限制膨 胀率 及 干缩试 验 为取得 防 裂 混 凝 土 限 制 膨 胀 率 及 干 缩 率 两 个 关键参数 ， 试验选取三种 V F防裂剂掺量 、 两种配筋 率 进行 混凝 土变 形试 验 ， 试 验结 果 ( 见 表 2 ) 第 1期 金海等 ： 闲林水库 堆石坝趾板及 面板 混凝土防裂试验研 究 2 7 2 3 防裂 混凝 土抗 裂计 算 2 3 1 极 限拉 伸值 S 的确 定 根据实测混凝土极 限拉伸值 ， 考虑徐变可使混 凝土的极限拉伸值增加 ， 提高混凝 土的极限变形能 力 ， 可安全增加 5 0 ， 因此 ， 实际混凝土极限拉伸值 计 算 应 为 S =S ( 1+0 5) 掺 量 0 、 掺 量 1 0 、 掺 量 1 2 三组 试 件 的极 限拉伸 值分 别 为 1 7 1 1 0一 、 1 661 0一 、 1 59 X 1 0一 2 3 2混 凝 土冷缩 率 |s 值 的 确定 混 凝 土冷 缩 率 取 决 于 施 工 时 段 混凝 土 实 际 浇 筑温度 ， 水化 热温升和月平 均最低温度 计算 公式 S =A ， X O t ( 为混凝土降温过程的最大温差 ， O t 为 混 凝 土线膨 胀 系数 ， 一 般 取 O =1 X 1 0 。 ) ； 混 凝 土 温差 =混 凝 土 内部 最 高温 度 一环境 温 度 式 中 ： 一混凝 土浇 筑 温度 +水 化 热 温升 ； 环 境 温 度 一按 最 不 利 情 况 取 施 工 期 间 工 地 月 平 均 最 低 温 度 闲林水 库 大坝 工 程 面板 大 约 于 2 0 1 4年 2月 开 始 浇 筑 ， 根 据 当地 气 象 统 计 资 料 ， 该 时 段 多 年 平 均 最低气温为 0 9 ： 号虑水泥水 化热， 经计算 混凝 土 内部 最 高 温 度 为 2 7 8 c C， 则 混 凝 土 温 差 ： = 2 7 8 0 9=2 6 9 ， 混 凝 土线 膨 胀 系 数 O t =I l 0。 ，则混凝 土 冷缩 率 为 ： S r =r X =2 6 91 X 1 0 ：2 6 9 X 1 0 2 3 3 混凝 土 干缩 率 S ，值 的确 定 混凝 土 干 缩 是 由于 混 凝 土 中水 分 散 失 和环 境 湿度 下 降 引 起 的 ， 如 能及 时补 充 水 份 ， 或 增 加 环 境 湿度 ， 则干缩可逆特性可 以发挥 ， 使混凝土 由收缩 转为微膨胀 本 流域属 亚热 带 ， 气 候 温 暖， 雨 量 充 沛 ， 多年平均降雨量 为 1 4 4 8 11 1 m， 根据上述气候条 件 ， 结 合 试验 实测 的 混凝 土 限制 收 缩 的试 验 成果 及 面板 混凝 土 实 际配筋 率为 0 4 0 ， 以 6 0 d龄 期 配筋 率 为 0 4 0 的试 件 的干缩 值 为基 准 确 定干 缩 应变 掺 量 0 、 掺 量 1 0 、 掺 量 1 2 三 组 试 件 的 干缩 率 分 另 0 为 1 8 0 0 1 0 一 、 1 7 0 01 0 一 、 1 6 9 01 0 一 2 3 4限制膨 胀 率 ( e ) 的确 定 通过 补偿 收缩 通式 计算 ： l DI =l e S 一S I I S I ， 得 出 掺 量 0 、 掺 量 1 0 、 掺量 1 2 三组 试 件 的 e分 别 为 2 7 8 01 0、 2 7 0 0 1 0 一、 2 7 9 0 X 1 0； 掺 量 0 、 掺 量 1 0 、 掺 量 1 2 三 组 试 件 的 e 实 测值 分别 为 0 1 6 71 0 一、 2 7 6 71 0 一、 2 7 931 0一 从 上述 防裂计 算结 果 可 以看 出 ， 防裂 剂 掺量 为 1 0 和 1 2 时， 均 可满足防裂要 求 从经济角度 出 发 ， 选 择 防裂 剂掺量 为 1 0 3 施工建议 3 1 混凝 土坍 落度 的控 制 防裂混 凝 土 ， 应 具 有 良好 的 工 作 性 ， 既 要 满 足 现 场远 距 离 运 输 的要 求 ， 又 要 容 易 振 捣 密 实 ， 同 时 坍落度应尽量小， 以减小混凝土用水量达到降低混 凝 土 干缩 的 目的 依 据 面 板 混 凝 土 的施 工 工 艺 ， 混 凝土入仓时坍落度宜控制在 3 0 7 0 m m 因此坍落 度 损失 直接 影 响混 凝 土 的 现场 生 产 与 施工 的进 行 导 致混 凝 土坍 落度 损 失 的原 因很 多 ， 较 为 多见 的有 水泥的因素 、 施工及 环境因素 以及拌 和方式 等 现 场 拌合 楼设 置 在坝 下 ， 混 凝 土从 拌 合 楼 到仓 面 的运 输时间大概 5 m i n右 ， 为此在室 内做 了混凝土 的坍 落度损失试验 ， 以便 确定 出机 口坍落度损 失范 围 经试验 ， 混凝 土5 mi n坍落度损失 2 7 ， 因此混凝土 出机 口坍落度应控制在 5 0 7 0 mm， 才能满足现场 施 工要 求 3 2趾 板 、 面板 防裂 混凝 土施 工 配合 比的确 定 综合混凝土各项试验结果可 以看出， 编号为 0 2 的配 合 比施 工和 易性 、 力 学性 能 、 耐 久 性 能 、 变 形 性 2 8 浙 江 水 利 水 电 学 院 学报 第 2 6卷 能均 能 满 足 防 裂 趾 板 、 面 板 混 凝 土 设 计 要 求 C 2 5 W8 F 1 O 0 因此 ， 推 荐编 号 为 0 2的 配合 比为 闲林 水 库 大 坝 面 板 工 程 趾 板 、 面板 混 凝 土 施 工 配 合 比 ( 见表 3 ) 表 3 趾板、 面板防裂混凝土推荐施工配合 比 3 3混 凝土 的施 工控 制 ( 1 ) 为了防止温降过大 ， 减少温差 ， 混凝土浇筑 时 间应选 环境 温度 在 5 2 0 c C为宜 ( 2 ) 为提 高 混 凝 土 的抗 裂 能力 ， 混凝 土拌 和物 应具备粘聚性好， 骨料不易分离 、 流动性好等特点 ， 因此应 充分保证 各 种 原材 料 的称 量 准 确 、 拌 和 充分 均 匀 ( 3 ) 为 了防 止 混凝 土早 期 裂 缝 的 出现 ， 在 混 凝 土初 凝前 应采 用二 次 压 面工 艺 混凝 土 初 凝 后应 及 时铺 盖保 温材 料并及 时洒 水养 护 ( 4 ) 认 真做 好混凝 土保 温 保湿 的养 护 工 作 以减 少 环境条 件引起 的干 缩 和冷 缩 面板 养 护 工作 至少 持续 9 0 d ， 最好能养护到坝体蓄水 ( 5 ) 配 合 比中 骨料 均 以饱 和 面 干 、 标 准 粒 径 为 准 ， 现 场 混凝 土浇 筑 时 ， 应根 据 骨 料 实 际含 水 量 和 超逊 径情 况进行 调整 ( 6 ) 严格控制机 口坍落度 机 口坍落度应控制 在 5 07 0 mm ( 7 ) 混 凝土含 气量 应控 制在 4 5 5 5 范 围 内， 现场混凝土生产时应根据混凝土的含气量及时 调整引气剂的掺量 ， 以保证现场混凝土含气量达到 控制要 求 4 结 语 试 验表 明防 裂剂掺 量 为 1 0 最 为合适 ， 并 据 此 确 定 防 裂 混 凝 土 的施 工 配合 比 混 凝 土 的抗 渗 、 抗 冻等各项指标均满 足本工程 面板 混凝土的强度要 求 ， 为防裂混凝 土的实施提供了理论依据 同时 ， 把 握 好从 拌合 、 运输 、 浇 筑 、 养 护 的 施 工 各 个 环 节 ， 严 格 控制好 混凝 土 浇筑 质 量 ， 加 入 V F防裂 剂 能 够 有 效 地减 少面板 非结 构 性 裂缝 的发 生 ， 对 于 防止 裂 缝 产生、 保证工程质量， 具有重要作用 参 考文 献 ： 1 蒋 国澄 ， 徐泽平 国际混凝 土面板堆 石坝发展综述第一届 堆石坝国际 研讨 会总 报 告 J 现代 堆 石坝 技术 进 展 ， 2 0 0 9 ( 3)： 9 29 3 2 赵树冬 堆石坝面板混凝 土裂缝修 复技术研 究 J 中国高新 技术企业 ， 2 0 1 0 ( 1 )： 1 5 01 5 1 3 魏德荣 ， 高伟中 ， 秦一涛， 等 混凝土面板裂缝的监测 J 贵州 水力发电 ， 2 0 0 4 ， 1 8 ( 4 )： 3 9 4 1 4 鲁电 堆石坝混凝土面板防裂机理 研究 J 水利水 电科技 进展 ， 2 0 0 1 ， 2 1 ( 4 ) ： 4 8 4 9 5 鲁电 补偿收缩混凝 土防裂机理研 究 【 J 水 利水 电科 技进 展 ， 2 0 0 3， 2 3( 4)： 81 7