李 斌，孟宪磊，王 磊，孔德轩，王 润

（1.国网新源河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北省承德市 068350；2.长江水利委员会长江科学院，湖北省武汉市 430071）

0 引言

面板堆石坝在国内外是采用最广泛的坝型。随着筑坝技术的提高，混凝土面板坝以其优越的特性得到了较快发展，坝高及面板长度也在不断增加[1]。对高坝面板，普遍采用分期浇筑方式。1970年第一次出现了一次连续浇筑混凝土面板的施工方式，自此以后，对于中小混凝土面板坝，采用一次浇筑面板方式逐渐增多，而对于高混凝土面板坝则采用二期或三期连续浇筑的方式进行施工[2-4]，很少采用一次张拉成型的方案[5]。近些年随着面板防裂的深入研究及施工工艺的不断提高，面板单次施工长度逐渐加长，并在高坝中面板混凝土施工逐渐采用了一次张拉施工工艺[6]。坝体全断面平起填筑至坝顶，进行面板混凝土的一次性施工，对防止面板产生结构裂缝极具积极意义。

针对国内外目前面板混凝土采用一次成型较少的实际，本文在分析国内外混凝土面板堆石坝设计和施工资料的基础上，对比了采用一次成型和分期成型的典型面板坝的混凝土原材料应用、配合比、施工工艺以及开裂情况，探讨了一次成型面板与分期成型面板混凝土坝的施工及防裂措施。

1 一次成型和分期成型典型面板坝的工程概况

公伯峡和吉音面板坝是近年来一次成型长面板的典型工程。公伯峡面板坝在2003年10月22日开始浇筑混凝土面板，2004年8月8日水库蓄水发电。公伯峡面板坝坝高132.2m，原计划面板分两期施工，为了缩短施工工期，提高质量，在采用挤压墙固坡技术和坝体填筑到顶后沉降固体的基础上，将超长面板一次性施工完成，最大块长达218m，是国内目前一次性浇筑面板长度最长的面板堆石坝工程。

吉音面板坝位于新疆和田地区于田县克里雅河干流中游，为二等中型水利枢纽工程。吉音工程大坝混凝土面板，上游迎水面坝坡1∶1.4，最大坡长139.26m，面板厚度自上而下由30cm渐变到60cm。

水布垭面板坝是世界上最高的混凝土面板堆石坝，最大坝高233m。面板混凝土分三期浇筑，混凝土工程量8.66万m3，最长面板单次施工长度达170余米。

蒲石河抽水蓄能电站是东北地区第一座大型抽水蓄能电站。上水库面板斜长最大为128.5m，面板坡度为1∶1.4，2009年5月1日面板混凝土开始施工，2009年8月18日施工完毕。

十三陵抽水蓄能电站位于北京市昌平境内，是我国北方地区建成的第一座大型抽水蓄能电站，也是中国首次在抽水蓄能电站上水库大规模采用钢筋混凝土全面防渗的工程。电站上水库混凝土面板工程于1994年3月底开始浇筑，1995年6月上旬全部完工。上水库混凝土面板最大长度65.4m，配筋率1%，钢筋布置在面板以下1/3处，面板坡度为1∶1.5。

这几座典型的面板坝混凝土设计指标及配合比如表1所示。从表1可以看出这几座典型面板坝的面板混凝土设计强度在C25～C30之间，水胶为0.38～0.49，粉煤灰掺量为15%～25%，除了公伯峡工程外都采用了纤维防裂技术，纤维掺量为0.6～0.9kg/m3。

2 一次成型和分期成型的典型面板坝施工过程与问题

2.1 一次成型面板混凝土

公伯峡水电站施工度汛的特殊条件为面板一次性施工创造了条件，此外，采用面板一次性施工，可减少坝体堆石初期（包括施工期）沉降对面板的影响，简化施工程序，加快工期。公伯峡面板混凝土施工工序主要包括：垂直缝垫层及坡面整修、喷涂乳化沥青、钢筋制安、侧模止水制安、滑模制安、混凝土浇筑、拆模养护、周边缝和垂直缝施工等。公伯峡大坝面板浇筑情况看，当面板长度超过150m时，混凝土浇筑难度大，主要是混凝土入仓时，常会出现混凝土骨料分离现象。混凝土坍落度小时，溜槽容易堵塞，混凝土容易溢出溜槽，或溜槽被拉开，导致大量的混凝土落到坡面上。混凝土坍落度损失大，待混凝土溜到仓号底部时，坍落度往往很小。为了解决这些难题，采取了以下措施：优化混凝土配合比，降低砂料细度模数，用粉煤灰等量替代细砂，以增加混凝土的和易性。提高混凝土坍落度，以增加混凝土的流动性，并严格控制混凝土出机口坍落度。在混凝土运输途中，做好保温措施，减少混凝土坍落度损失。混凝土入仓时，人工用铁锹沿垂直缝和周边缝均匀布料，避免骨料集中现象。以上措施，有效解决了混凝土运输、溜槽入仓和布料的困难[12]。

吉音面板坝混凝土采用“套筒丝接钢筋接头人工现场组装、混凝土罐车运输、坡面溜槽入仓、人工振捣、二次收面、Ⅰ/Ⅱ序板跳仓法一次到顶浇筑面板”的施工方案。吉音工程大坝面板浇筑前采用垂直缝砂浆条带、乳化沥青防渗隔离层和W型铜止水等措施控制坝面平整度、提高坝面防渗能力，有效地改善了面板基础面的约束条件，消除了施工过程基础面过大起伏、局部深坑或尖角、侧模移位及架立筋未及时割除等不利因素的影响，确保了面板的一次浇筑成型。面板混凝土完成浇筑脱模后，使用无纺布和复合土工布及时覆盖进行保温、保湿防护，采用温水常流水方式将面板养护至水库下闸蓄水；浇筑混凝土时整个工作仓面遮盖彩条布防护来降低风速影响；养护用水温度控制在白天13～15℃，夜间18～20℃，通过上述措施，进一步增强了混凝土养护过程中的保温效果和保湿能力，养护取得了预期效果[6]。

表1 工程面板混凝土配合比及设计指标[7-11]Tab.1 Concrete mix ratio and design index of panel concrete

2.2 分期成型面板混凝土

水布垭面板混凝土分三期施工，为期2年多。面板混凝土施工工序为：测量放样、坡面清理、止水层铺设或垫块安装、喷阳离子乳化沥青、钢筋安装、止水片安装、模板安装、混凝土拌制与运输、溜槽入仓及人工摆动溜槽布料、混凝土浇筑、抹面、养护、裂缝检查与处理、表面止水安装等。水布垭面板混凝土工程首次将羧酸类减水剂应用于面板混凝土中。为降低成本，在一、二期面板混凝土中采用聚丙烯腈纤维（单丝型），三期面板部分处于水位变化区，要求面板混凝土具有更高的抗裂能力，采用了钢纤维（冷拉型）和聚丙烯腈纤维复掺的方式。在分期成型面板的过程中不可避免产生施工缝，施工缝是面板防渗的薄弱环节，如施工缝不精心，处理不当，可能形成渗漏隐患，施工中尽量避免产生施工缝。水布垭面板混凝土在钢筋下部按水平方向控制面板水平施工缝，在钢筋上部按面板法线方向留设。钢筋穿过施工缝，露出施工缝的钢筋长度不小于其锚固长度。水平施工缝不设止水，认真凿毛、冲洗、清除污物和排除表面积水，浇筑混凝土前预先铺l层20～30mm厚与混凝土同强度等级的砂浆[13]。

蒲石河面板混凝土施工主要包括：坡面清理、砂浆垫层（块）凿除成槽、垫层铺设和垫块安装、钢筋安装、止水片埋设、模板安装、混凝土拌制与运输、溜槽入仓及人工摆动溜槽布料、混凝土浇筑、抹面、养护、裂缝检查与处理、表面止水安装等工序。在昼夜温差大的恶劣气候环境下，为了防止混凝土收缩开裂，工程中通过掺入粉煤灰，改善了混凝土的和易性，降低水泥用量、改善混凝土热学性能和变形性能、减少混凝土收缩；掺入膨胀剂，利用其微膨胀性补偿其收缩变形，可防止或减少裂缝的产生；掺入聚丙烯纤维，控制混凝土的收缩、龟裂，提高抗渗性、耐磨损性、耐腐蚀性。掺入引气剂显著地改善混混凝土的和易性，极大提高混凝土的抗渗性、抗冻性等指标，并严格控制混凝土含气量在4%～6%之间[14]。

十三陵抽水蓄能电站上池采用钢筋混凝土面板全池防渗。混凝土面板宽16m，厚30cm，配有单层双向钢筋。面板接缝采用底部及表面两道止水。局部周边缝中间增设一道橡胶止水带，面板混凝土全部使用无轨滑模施工。铜止水使用现场液压机械成型，其接头采用工厂模压成型，保证了面板接缝止水的可靠性。表面止水在橡胶板与混凝土面间增加一层“GB”板，黏结密实。面板混凝土施工中对连接板翘头处和池坡面板起始段提出了一套较好的施工方法[11]。

3 面板混凝土开裂情况

3.1 一次成型面板开裂情况

2011年6月，中国水利水电科学研究院对公伯峡面板坝36块面板进行了裂缝检查，发现36块面板均有裂缝产生，在水位线以上135条，伸入水位线以下的裂缝有22条。骑缝钻芯结果表明，面板混凝土裂缝相对较深，延伸到水位线以下的裂缝，垂直于面板方向的开裂深度在11～25cm，裂缝表面宽、下部窄，没有出现贯穿性裂缝。公伯峡面板裂缝具有一定规律性：产生的裂缝在库水位附近面板较多，延伸入水面以下很少；面板裂缝逐年在增加，且冬季产生的面板裂缝远远大于夏季。土石坝面板应力通常包括结构应力和温度应力。结构应力是由大坝自重、库水压力以及堆石流变等因素造成的。公伯峡所处地冬季气温低，昼夜温差大，温度应力是造成公伯峡面板堆石坝面板裂缝的主要因素。水位附近面板位于空气与水的交界面上，在冬季低温时水面以上面板混凝土温度较低，而在水位以下受库水温度影响，面板混凝土温度相对较高，则在交界面上面板混凝土的温度梯度较大，从而容易产生较大的温度拉应力。当气温很低或者受到强烈寒潮影响时，该处的温度梯度显著增大，温度拉应力也随着增加，易发生面板混凝土开裂的现象[15]。

吉音工程坝址区多年平均气温9.6℃，极端最高气温43℃，极端最低气温-26.3℃，平均降水量123.3mm，平均蒸发量1847mm，湿度45.2%，平均风速1.5m/s，最大风速16m/s，自然环境恶劣。通过严格施工质量管理，加强养护，有效消除了不利因素对混凝土面板的影响。施工完成的5.25万m2面板上，仅有137条宽度0.20mm左右的裂缝，且未出现贯通性裂缝，取得了良好的防裂效果[9]。

3.2 分期成型面板开裂情况

水布垭大坝面板混凝土裂缝检查统计反映，面板共发生了914条裂缝，其中Ⅰ类裂缝794条（含裂纹275条），Ⅱ类和Ⅲ类裂缝120条。大坝面板混凝土裂缝大多为结构性裂缝，同时也有干缩与温度应力、坝体沉降变形和两岸坝坡地形的影响。2007年3月初，水布垭枢纽工程于2007年4月19日正式下闸蓄水。首台机组于同年7月开始发电，枢纽工程运行正常。根据监测资料，坝后量水堰平均过流量为30.5L/s，最大渗流量为40L/s[16]。

为跟踪掌握十三陵抽水蓄能电站上水库混凝土面板裂缝分布及发展变化情况，2005年、2010年和2012年分别对上水库556.0m高程以上部分混凝土面板的裂缝进行了检查，由裂缝检查结果可知，电站运行期混凝土面板裂缝一直呈增长趋势，截至2012年556.0m高程以上面板裂缝共计1636条，其中缝宽≥0.2mm的裂缝844条，且宽度≥0.2mm的裂缝增长较快。上水库556.0m高程以上面板裂缝的分布规律基本相同，面板裂缝主要为水平向裂缝，约占裂缝总长度的80%左右。冬季电站正常发电运行时，混凝土面板在夜间气温较低时段暴露于冷空气中，易遭受冷空气的“冷击”作用，导致面板产生较大的温度应力。根据混凝土面板结构特点，混凝土面板长度远大于其宽度，导致面板顺坡向温度应力大于垂直坡向温度应力，这是混凝土面板水平向裂缝居多的主要原因。岩坡面板的温度应力大于主坝坡面板的温度应力，主要原因是岩体的弹性模量大于堆石体的弹性模量，岩体对面板的约束更强，从而导致面板产生的温度应力更大[17]。

4 混凝土面板开裂成因及措施

面板混凝土作为堆石体大坝的主要防渗结构，其整体性和耐久性关系到大坝的安全运行。对于一次成型或者分期成型的面板混凝土而言，面板裂缝绝大多数为水平方向，横穿整个板块的宽度，纵向裂缝较少，且多集中在较长板块的中下部，上部较少。

在不考虑由于施工质量造成开裂的前提下，一次成型或者分期成型的面板混凝土的裂缝可以分为两类，第一类属于结构裂缝，主要由过大的堆石体变形、面板底部脱空以及面板受水压力、冰压力和地震力等外荷载引起。因此需要控制面板堆石坝变形，一是需要控制坝体总体变形，包括坝体的沉降和蓄水期的水平位移；另一方面需要减小坝体的不均匀变形，为面板和接缝提供良好的工作环境。变形控制的关键是确定合理的坝料参数和选择恰当的面板浇筑时机，做到浇筑面板时面板顶部高程对应部分的坝体大变形过程已完成。

第二类裂缝属于收缩裂缝，也即当混凝土收缩变形受到约束（约束来自面板垫层/底部挤压边墙、两侧面板、趾板等），产生的拉应力大于混凝土抗拉强度而引起。面板混凝土的收缩主要包括温降收缩和干燥收缩。温降收缩主要由水泥水化热和外界气温变化引起，并在面板厚度方向产生温度梯度，当温度变形受到混凝土的外部约束和内部各质点间的约束产生的应力超过混凝土的抗拉强度就会产生温度裂缝。尤其是面板混凝土在浇筑后不久若受寒潮侵袭，会形成较大的内外温差，易形成温度裂缝。此外，气候环境对面板混凝土的温度变形也有较大影响，较大的日温差会使面板混凝土形成较大的内外温差，产生温度裂缝。干燥收缩是由于环境湿度降低，混凝土水分散失产生的体积收缩。干燥收缩是一个长期的收缩过程，其收缩速率随着干燥时间增加而急剧减小。面板混凝土表面积与体积之比很大，受干燥收缩影响很大，干燥的气候环境将加剧混凝土干燥收缩程度。

上述工程控制面板裂缝的措施主要是从控制坝体沉降变形、减少坝体对面板的约束、混凝土原材料选择及混凝土质量控制、混凝土养护等几个因素考虑的，主要包括：

（1）坝体沉降变形是造成面板混凝土裂缝的重要因素，提高坝体填筑质量非常关键。控制坝料颗粒级配和碾压参数，使用大功率的碾压设备，可有效地解决不均匀变形对面板的影响。

（2）面板基础对面板裂缝有密切关系。保证基础面光滑平整，消除施工过程基础面过大起伏、局部深坑或尖角、侧模移位及架立筋未及时割除等不利因素影响，可改善面板工作环境。可在面板基础面为挤压边墙表面喷涂一定厚度的乳化沥青隔离保护层。

（3）在混凝土原材料的选择上，掺入粉煤灰等掺和料替代水泥，进一步减少混凝土用水量，延长坍落度损失时间，提高混凝土密实性，以达到减少混凝土水化热、改善混凝土的和易性；掺入减水剂、膨胀剂和引气剂其中一种或多种外加剂改善混凝土工作性能；掺入纤维提高混凝土抗拉强度和极限拉伸值，增强、改善混凝土早期抗裂性能，减小混凝土干缩率。

（4）混凝土制备工艺上，严格控制混凝土配合比；拌和质量（原材料计量、投料顺序、拌和时间、强度指标、坍落度和含气量指标），检测出质量不达标的混凝土严格采用弃料处理。

（5）混凝土浇筑过程中控制拌合物运输质量，混凝土由溜槽送至工作面，人工均匀布料、及时平仓，然后振捣提高混凝土内部密实度，为控制面板平整度打基础，浇筑过程中，随作业面升高要特别注意及时割除插在面板基础上的架立筋，减小对面板的约束，控制好滑模滑升速度，保证面板平整度。

（6）加强混凝土养护，是有效防止混凝土产生裂缝的一项重要措施。面板混凝土完成浇筑脱模后，应使用无纺布和复合土工布及时覆盖进行保温、保湿防护，采用温水常流水方式将面板养护至水库下闸蓄水；为保证脱模的混凝土表面得到及时覆盖，在滑模底部托挂与面板同宽，长度为20m的无纺布，随滑模同步升高及时覆盖面板。

5 结论

（1）从选择的几座典型面板坝施工资料来看，采用一次成型和分期成型的面板混凝土的施工工艺较为类似，且面板混凝土的开裂与采用一次成型工艺或者分期成型工艺没有必然的联系。

（2）从选择的几座典型面板坝的开裂情况来看，一次成型或分期成型的面板混凝土的裂缝都可以分为两类，一类属于结构裂缝，另一类裂缝属于收缩裂缝。

（3）对于采用一次成型和分期成型的面板混凝土，减少面板混凝土裂缝的措施都是从控制坝体沉降变形、减少坝体对面板的约束、合理选择混凝土原材料以及控制混凝土施工质量、加强混凝土养护等几个因素考虑。

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