某水电站碾压混凝土坝裂缝成因分析

江志红

（1.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074；2.中水顾问集团贵阳勘测设计研究院，贵州贵阳550002）

1 工程概况

某水电站位于清水河中游、支流独木河河口2.5 km的河段，是一座以发电为主、兼顾防洪及其它效益的综合水利水电枢纽。水库正常蓄水位868.00m，死水位 845.00m，调节库容为 1.355 亿 m3，多年平均径流量为24.1亿m3，具有季调节能力。电站装机容量180MW，多年平均发电量7.23亿kW·h。

拦河大坝为抛物线双曲拱坝+左岸重力坝。双曲拱坝坝顶高程873.00 m， 坝底高程738.50 m，最大坝高 134.50 m。 坝顶宽 7.00 m，坝底厚 25.0 m，厚高比0.186。坝顶轴线弧长198.43 m，最大中心角81.528 9°，最小中心角 59.440 4°，坝体呈不对称布置，中心线方位角 N2.50°E。重力坝顶部高程873.00 m，底部高程 800.00 m，上游面铅直，下游坡比 1∶0.8，顶部宽 20.0 m，底宽 78.40 m。 重力坝顶长89.13 m，大坝坝轴线总长287.56 m。坝体大体积混凝土为C20三级配碾压混凝土，坝体上游面采用二级配碾压混凝土自身防渗。

2 坝体温度和结构缝监测系统布置

2.1 大坝温度监测

温度监测包括大坝表面温度、库水温度、坝体内部混凝土温度及坝基基础温度等。分别在距坝体上下表面5～10cm处埋设温度计测量坝体表面温度，坝体上游表面温度计在蓄水后作为库水温度计；坝体内部混凝土温度监测采用网格布置，应变计、测缝计均可兼作温度观测；基岩温度监测采用在基础面钻孔分段埋设温度计的方法，监测大坝基础温度分布。

选取拱冠梁、左岸重力坝坝段中间部位断面作为温度观测断面。为了更好地测量温度场，在830 m观测拱高程的适当位置埋设温度计。

表面温度观测：在拱冠梁断面744 m、760 m、780 m、800 m、830 m、836 m、840 m、858 m、871 m（上、下游）高程，在重力坝830 m、845 m、860 m、870 m（上、下游）高程及830 m高程观测拱的两个诱导缝附近，分别布置温度计观测表面温度，其位置控制在距表面5～10 cm。

库水温度观测：在库水位上部，由于受水位变化和日照影响，库水温度变化较大；水库底部受来水泥沙、异重流等影响，温度变化较水库中部大。仪器布设时，也应考虑监测坝体温度场的边界温度分布规律。水库的死水位为845 m，正常水位868 m，在拱冠梁断面 744 m、760 m、780 m、800 m、830 m、836 m、840 m、850 m、858 m、、866 m 高程， 重力坝801 m、830 m、845 m、860 m 高程及 830 m 观测拱的两个诱导缝附近。温度计位置控制在距坝上游面5～10 cm内。

坝体混凝土温度监测：在两个温度观测断面及830 m观测截面坝体中心布置温度计，观测坝体内部混凝土温度。

基础温度观测：在拱冠梁基础帷幕后布置一套温度计。温度计采取钻孔埋设，孔深10 m，孔内埋设5支温度计，以观测基岩在混凝土水化热温升时对基础的温度传递和基础不同深度下的温度分布，同时可根据温度分布了解坝基渗流情况。5支温度计距孔口距离分别为：0.0m、1.0m、3.0m、5.0m 和 10 m。

2.2 坝体结构缝、裂缝监测

坝体结构缝观测即为坝体的诱导缝及碾压混凝土和垫层混凝土结合缝开合度变化观测，用测缝计观测。测缝计布置在775 m、805 m、830 m和858 m高程，同时分别在两个诱导缝的末端部位埋设测缝计。各个高程仪器均埋设在上游和下游表面，距表面距离为 2.0 m。

大坝混凝土填筑施工过程中，坝体755m、810 m、846 m及872 m高程碾压混凝土坝面先后出现贯穿上下游的裂缝。为监控坝体裂缝的变化情况，在裂缝上布设测缝计，为后续处理提供科学的依据。

3 浇筑过程及水管冷却

3.1 浇筑过程

从2005年4月中旬开始拱坝基础垫层混凝土的浇筑，4月下旬开始拱坝碾压混凝土施工，汛前碾压至755 m高程。汛后11月初，坝体继续上升，2006年元月中旬至中孔803.50 m高程，间歇1个月后分别浇筑右岸、左岸及中孔附近混凝土至814.5 m高程，之后坝体继续上升。2006年6月，拱坝施工至846 m高程。2006年7月开始，先浇筑表孔右岸混凝土至坝顶高程，间歇一个月后再浇筑表孔左岸坝块至顶，2007年5月完成表孔常态混凝土浇筑。

重力坝于2005年9月底开始碾压，2006年2月碾压至837.5 m高程，间歇约一个半月后，2006年3月底，重力坝坝体继续上升，于2006年6月碾压至846 m高程。2006年8月，重力坝混凝土继续上升，9月底浇筑完毕。

3.2 水管冷却

坝内埋设的冷却水管以蛇形按1.5 m （水管垂直间距）×1.5 m（水管水平间距）布置。为防止振捣变态混凝土时振捣棒把PVC管压扁或压破，埋设时水管距上下游坝面各1.5m，水管距接缝面、坝内孔洞周边1.5m。采用8圆钢制作的U型卡将冷却水管固定在碾压混凝土面上，冷却水管单根回路250m左右。冷却水管材料采用高强度聚乙烯，管外径φ32 mm，内径为 φ28mm，单个回路通水量20～25 L／min。

各部位混凝土冷却目标温度见表1。温度荷载是拱坝的一项主要荷载，封拱温度场的优化是减小拱坝温度荷载不利影响的最有力措施，一般情况下取封拱温度场等于或略低于年平均温度场。后期冷却的目的是要在封拱灌浆时形成一个与稳定温度场梯度方向一致且大小相近的封拱温度场，这样有利于使坝体运行期温升、温降荷载大小相近，从而减小坝体应力或减少冷却费用。冷却目标温度即为计算确定的、形成该稳定温度场混凝土所需降至的温度。

4 裂缝成因分析

4.1 裂缝调查

2007年3月，先后对拱坝及重力坝混凝土浇筑后出现的裂缝进行了调查统计，结果见表2。

4.2 裂缝成因分析

4.2.1 混凝土外掺物

实验证明本工程混凝土配合比合理，水泥安定性满足规范要求，水化热在正常范围内。混凝土中掺入一定量粉煤灰可起到降低水泥水化热、节约水泥用量的作用。水泥熟料中少量的MgO在混凝土硬化后期缓慢水化，产生微膨胀作用，可以补偿混凝土后期降温阶段的体积收缩而并不破坏混凝土结构，起到减少或避免混凝土裂缝的作用。水泥质量与配合比设计不是坝体产生裂缝的原因。

4.2.2 混凝土内外温差

混凝土硬化期间，水泥产生大量水化热，内部温度不断上升，在混凝土表面产生拉应力。后期降温过程中，由于受到基础或老混凝土的约束，又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力，当这些拉应力超出混凝土抗裂能力时，即出现裂缝。

从混凝土浇筑时段、通水时段及同期温度计测值来看：拱坝755 m高程以下混凝土浇筑过程未通冷却水。 755.9～768.2 m 高程 2005 年 11 月中旬才开始通水冷却，要求目标冷却温度为12℃，而同期该部位混凝土的内部温度实际最高达 35.80℃（2005年11月24日，760 m高程），当时气温却只有7.9℃。 可以认为混凝土外部温度为7.9℃，内部温度为35.80℃。由于未及时对内部混凝土进行温度削峰和对外部混凝土加强保温措施，如此大的内外温差必然导致混凝土产生裂缝。

表1 拱坝及重力坝通水时段情况表Table 1 :Concrete cooling time of the arch dam and gravity dam

4.2.3 间歇期过长

汛前，拱坝混凝土浇筑至755 m高程停仓度汛（2005年5月中旬停仓），汛后11月初恢复浇筑，期间间歇时间达5个月之久。对于新浇混凝土来讲，老混凝土坝面是一个强约束面，相当于新混凝土一直在强约束区施工。当新混凝土收缩时，会在下游坝面引起拉应力，另外周期性变化的气温也会在某些时期引起较大拉应力。新混凝土整体收缩和老坝混凝土温度变化引起的拉应力是间歇期过长带来的新问题。间歇期过长，基础老混凝土的约束必然导致混凝土裂缝的产生。

4.2.4 养护及保温

充分养护是保证混凝土强度等性能正常发展和防止干缩裂缝的重要措施，混凝土浇筑完毕后，应及时洒水养护以保持混凝土表面经常湿润，一般浇筑完毕后12～18h内即开始养护，养护期不少于14d。

值得注意的是养护同时，混凝土表面没有进行保温覆盖。混凝土浇筑后，硬化过程中，水泥水化产生大量水化热，由于混凝土体积较大，大量的水化热聚集在混凝土内部不易散发，导致内部温度急剧上升，而混凝土表面散热较快，这样就形成较大的内外温差，造成内部与外部热胀冷缩的程度不同，使混凝土表面产生一定的拉应力。实践证明，当混凝土本身温差达25℃～26℃时，混凝土内便会产生10 MPa左右的拉应力，而一般的混凝土抗拉强度远远小于此值。当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土表面就会产生裂缝，这种裂缝多发生在混凝土施工中后期。混凝土施工时，温差变化较大或者混凝土受到寒潮袭击等，混凝土表面温度会急剧下降而产生收缩，表面收缩的混凝土受内部混凝土的约束，将产生很大的拉应力而导致裂缝。

2006年11月底至12月初开始浇筑拱坝及重力墩最上部混凝土，此时外部气温较低，而内部温度上升较快。拱坝及重力墩上下游面裂缝及872 m高程裂缝均产生在气温骤降时段（坝顶高程为873m，浇至872 m高程后停仓，改浇常态混凝土）。气温的变化会使混凝土产生表面温度应力，如果新浇筑坝面保温措施不及时，完全可能产生早期裂缝。笔者认为这是产生混凝土表面裂缝的主要原因。

表2 裂缝情况统计表Table 2 :Statistics of cracks

4.2.5 早期拆模

混凝土掺粉煤灰影响早期强度，其早期强度增长缓慢，致使早期抗拉强度偏小。滑模的施工特点是变相的拆模过早，新浇筑混凝土早期拆模会在表面引起很大的拉应力，出现“温度冲击”现象。混凝土浇筑初期，由于水化热的散发，表面存在相当大的拉应力，表面温度比气温高，此时拆除模板，混凝土脱模后还没有完全硬化，过早暴露在空气中，表面温度骤降，必然引起温度梯度，从而在表面附加一拉应力，与水化热应力迭加，再加上混凝土干缩，表面的拉应力很大，就有导致裂缝的危险。但如果拆模后及时在表面覆盖一轻型保温材料，可防止混凝土表面产生过大的拉应力，效果显著。

5 结 语

通过以上几点原因分析，认为本工程混凝土裂缝的原因主要有以下四点，一是混凝土内外温差过大，未及时通冷却水；二是部分坝块混凝土浇筑间歇期过长；三是养护及保温措施不及时；四是滑模拆除时间不当。

[1]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].中国电力出版社，1998.

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[4]王德厚.大坝安全监测与监控[M].中国水利水电出版社，2004.