黄静 伍言凤

摘要：通过研究GD3项目面板开裂特征、适用规范、施工特征、现场试验等，采用相关分析法、三维仿真计算等方法定量评估开裂主要原因。对中外研究面板开裂的成果进行了补充，提出了停止使用沥青砂浆代之以薄膜做垫层的工程预防措施及专利技术。

Abstract： By studying the cracking characteristics， applicable specifications， construction characteristics， field tests， etc. of the panel of the GD3 project， quantitative analysis of the main causes of cracking is carried out using correlation analysis methods， three-dimensional simulation calculations and other methods. It complements the results of cracking of research panels at home and abroad， and proposes engineering preventive measures and patented technologies to stop the use of asphalt mortar and replace the film with a cushion.

关键词：面板堆石坝;面板;开裂;原因;分析;方法

Key words： face rockfill dam;face plate;cracking;cause;analysis;method

中图分类号：TV544                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）15-0187-02

0  引言

埃塞俄比亚GD3水利水电综合利用项目大坝设计为坝高113m面板堆石坝，位于埃塞俄比亚北纬5°38′，东经39°43′，属热带雨林区，年平均气温25℃，面板开始浇筑后实测最低日温17.6℃，实测最大日温差17℃。防渗面板采用ACI设计施工。坝面最大面板长度180.5m，采用90天龄期圆柱体抗压强度25MPa混凝土，面板布双层钢筋。面板后结构依次为：喷阳离子沥青砂浆，三油两砂1cm厚、5MPa挤压边墙混凝土、3m宽垫层料、4m宽过渡料、主堆石、次堆石。

1  面板施工特征

GD3面板混凝土塌落度4～7cm，水灰比0.54，WHDF密实剂掺量5.7kg/m3，纤维掺量0.5kg/m3，粉煤灰掺量50kg/m3。未掺EEA即引气剂。GD3大坝面板按设计一次浇筑成型;跳仓浇筑右岸相邻块。流水养护。搅拌车转料、滑槽垂直运输、人工移动滑槽就位下料。溜槽数量：在8m长的面板上设置2条，在16m长面板上设置3条溜槽。

在2014年7月2日浇筑完12块后开始发现面板裂缝共256條，其中宽度方向通长裂缝数168条。个别裂缝贯穿，可见坝体涵水外渗。

2  早期裂缝特征及发生发展规律

本文没有沿用业界结构裂缝和收缩裂缝的分类法，认为早期裂缝包含收缩裂缝和结构变形裂缝，从危害上讲，把早期贯穿性收缩裂缝也归为结构裂缝。

面板在施工期已出现的裂缝有如下特征：

①面板长度小于68m的，没有发现开裂。

②裂缝集中在面板中部，面板上部和下部两端范围内没有。

③没有发现任何竖向裂缝或者任意方向裂缝。

④裂缝水平方向分布。

⑤裂缝长度。检查发现ML2，ML4，ML8，M0，共55条长度大于1m;其中27/55=49%裂缝到边墙;19/55=34%裂缝延伸到止水片鼻子，表明这部分裂缝中有部分贯穿面板全断面。

⑥每块板上裂缝间距小于20m，大部分约8m。

⑦裂缝宽度。靠板中间裂缝宽度较边上大。宽度在0.06～0.31mm之间。8月5日检查面板MR2，发现18条裂缝，其中17条裂缝宽度小于0.2mm，只有一条宽度0.31mm，也是最终发现的全部裂缝中最大宽度。

⑧裂缝深度0～板厚，大部分为表面缝，表面裂缝比例大于1-19/54=66%。用超声检测ML4，ML2和MR2裂缝宽度和深度，显示能探测深度小于141mm。但是通过场外校核，超声检测裂缝深度值不可信。

⑨开裂时间和数量变化。浇筑后第4天可以观察到裂缝，裂缝数量在10天后基本上没什么变化。

⑩试验块MR4总长158m，分两段浇筑，第二段在第一段20天后浇筑。第一段70m长没有裂缝，第二段87.8m长段面板出现5条裂缝。混凝土配合比采用原来的配合比，原来13块面板中7块有裂缝。

{11}在ML9、ML1配合比优化如下：w/c：水灰比从0.54减小到0.50。增加4.5引气剂。密实剂：从5.7减少到4.6。

{12}开裂顺序特征。

1）7月份观察到MR2开裂顺序显示首条裂缝4天后出现在面板正中间，5天后第二条裂缝出现在断开的两节正中间附近，7天、19天后板节中间出现新裂缝。

2）裂缝从面板中部偏下开始出现，将板裂成两块;二序裂缝在这两块板上随后出现，大部分裂缝再在其间相继出现。

3）温度分布计算结果与开裂顺序吻合。

基于面板MO上预埋的钢筋计测量数据，设计分包单位进行了温度场三维仿真计算。三维仿真计算工况、结果如下。

a.混凝土浇筑后温升快，1天左右到最高，温升大约10℃。

b.内部约束影响很大，应力安全系数是1.0、混凝土可能开裂。

c.绝热温升每降低6℃时混凝土内部温度降低2℃。

d.混凝土防裂能力要提高，面板太长，以致需要很长时间才能浇筑完毕，内部约束影响太大。

{13}“中舜ZHONGSHUN”水泥发热和强度增长期特征：15小时温度到峰值，第四天开始下降，10天后温度下降进入相对平缓的过程线。

3  面板产生裂缝原因分析

3.1 坝体填筑质量好，排除坝体沉降变形至裂

由上述裂缝分布，坝体变形或沉降也会导致裂缝分布如上述，但在业主代表美国MWH严格的现场控制背景下，通过坝体填筑材料、工艺、沉降观测分析、坝体汛期排水、降水分析，排除沉降致裂，因此专家组排除了坝体沉降过大导致面板开裂。

3.2 GD3面板开裂原因

面板开裂是多种因素综合作用的结果。在熟悉混凝土和结构性能，研究材料、工艺、环境等等对裂缝发展趋势和规律影响的基础上，根据裂缝特征反推本项目双层面板开裂原因和显著诱因。

通过现场详查、经验和国内外相关施工、设计、材料与试验规范研究，推断出大部分原因。采用特征-因素分析法，列举原因，每个原因都能与相关特征建立联系或解释它，表1中原因都能解释、诱发、引起或者支持相关特征，标Y表示能够说明，N表示其他。

从表1可以看出，29项开裂影响因素中，共有11个因素获得5个以上的肯定评估项“Y”，可以判定Y=5以上或者4以上因素为要因，对此攻关。但是，只有1项能够解释全部13个裂缝特征。

3.3 国际上对于混凝土开裂原因分析方法

ACI224R研究了结构混凝土体积变形裂缝机理，面板参照ACI224.3R。

ACI224R给定得假定与力学模型显示混凝土在约束条件下体积变化至裂，取面板在长度方向上横截面的一个微分条受长度方向两侧拉力，该力上大下小，因为板底受地面约束力。该模型适用于解释所有体积变化致裂的裂缝，尤其适用于贯穿板厚的裂缝。

ACI报告揭示了一个全断面贯穿开裂情况，作者认为另有一种局部多个等强面张开用来补偿体积变形的情形。ACI委员会在ACI224R-90《混凝土结构裂缝控制》报告以示意图解释了结构性裂缝机理：可见有约束时累积了过大的体积变形不协调、不同步必然产生裂缝，尤其是贯穿性结构裂缝。

3.4 国际大坝委员会（ICOLD）公报公布的面板开裂原因的结论

国际大坝委员会在2010年CFRD专刊141期中（6.3）对面板开裂总体上分了两种：收缩裂缝和由不同机理导致的结构裂缝（shrinkage cracks and structural cracks caused by a variety of mechanisms）。很明显这里把温度和干缩列入了收缩范围，没列入结构裂缝，把荷载、移位等变形裂缝列入了结构裂缝中。这种大类比较笼统。作者认为，约束条件下的收缩体积变形过大必然产生构件断裂的裂缝，以适应收缩变形需要，这时产生的贯穿裂缝不管它有多宽，他们同样应该是结构裂缝范畴。

3.5 国内研究机构研究裂缝成因的结论

中国水科院等很多机构对面板裂缝成因进行了较系统的研究。尤其是结构性裂缝研究成果与本课题应用研究结论相互印证，也是本课题新型长面板防裂措施的重要理论依据。

3.6 面板约束力验证试验

作者利用挤压边墙工艺试验块（暴露近3年）做了喷阳离子沥青砂浆垫层与面板砼之间粘结力试验。采用三种沥青含量的沥青砂浆（少沥青：砂子体积比=1：15，仿GD3面板垫层、面板设计配比1：10、浓1：5）施做的垫层，每种垫层做凌晨和正午两种温度下粘结力检测，用边长50mm的立方体现浇砂浆块做水平方向粘结拉力检测，申请的发明专利进入实质审查阶段。

4  结语

本文采用的面板开裂成因的特征-因素相关性分析法适用于很多场合下解决复杂问题;试验验证法取得数据将原因进一步量化，并引导了预防措施中国专利技术的诞生——申报中;中外对比法、专家论证法暴露了全球范围内研究深度和水平，凸显了本课题分析方法的实用性、合理性和研究结论的原创性，新颖性，先进性。

参考文献：

[1]ACI 224R-90，Control of Cracking in Concrete Structures Reported by ACI Committee 224.

[2]BUILDING CODE REQUIREMENTS FOR STRUCTURAL CONCRETE  AND COMMENTARY （ACI 318M-05）， ACI Committee 318 Structural Building Code.

[3]国际大坝协会公报，第141期（ICOLD bulletin 141），CONCRETE FACE ROCK DAMS， Concepts for design and construction，2010年全球发布.

[4]黄静.中国葛洲坝集团第一工程有限公司，堆石坝面板垫层：中国，zl 2016 2 0120599.7[P]. 2016-07-26.

作者簡介：黄静（1972-），男，湖北麻城人，教授级高级工程师，研究方向为面板堆石坝面板防裂技术。