混凝土面板堆石坝面板裂缝分析和处理工艺探索

田科宏

(中国水利水电第三工程局有限公司，陕西西安，710032)

作者简介: 田科宏(1975—)，男，高级工程师，主要从事化学灌浆材料研究与施工。

【摘 要】 混凝土面板堆石坝是近些年应用广泛的水利水电工程挡水建筑物，由于面板混凝土自身特性和面板所处的环境及其工作条件等原因，混凝土面板的裂缝难以避免。本文通过施工和蓄水等不同时段面板的受力、面板的变形分析，归纳裂缝产生的规律，并结合潘口水电站、宝瓶河面板等裂缝处理的实例，建议面板裂缝处理应根据不同区域、不同形状区别处理，以满足面板的防渗要求。

【关键词】 混凝土面板; 裂缝; 处理

1 混凝土面板堆石坝面板裂缝

混凝土面板堆石坝因其使用当地材料筑坝，具有降低工程造价、对坝基地质要求不高、大坝稳定性好、不易溃坝的特点，近年来广泛用作水利水电工程挡水建筑物。许多混凝土面板堆石坝工程的面板都产生裂缝，这是与面板混凝土自身特性和面板所处的环境及其工作条件有关，根据裂缝的成因面板裂缝可以分为: (1)干缩裂缝; (2)减缩裂缝; (3)温度应力裂缝; (4)挠曲应力裂缝。

2 面板的荷载、变形及裂缝产状

混凝土面板是浇注铺设在堆石坝上游面垫层上的薄板，承受的荷载包括: (1)面板混凝土自重; (2)趾板对面板底部的支撑力; (3)坝体对面板的支撑力和摩擦力; (4)蓄水期面板上库水压力。混凝土面板的厚度和质量比坝体小得多，但是其刚度却比坝体大得多，在上述荷载作用下面板必然发生挠曲，面板的部分区域产生拉应力。

有资料指出，随坝体的变形面板在施工期中下部是朝上游方向鼓出变形的，上部则是向下游收缩的; 蓄水期在水压力的作用下，坝体与面板均朝下游方向变形。施工期1/3坝高以下由于受两坝肩的约束较大，加之底部坝体变形朝上游鼓出，致使面板中部呈朝上游突出的变形状态; 蓄水后，在较高的水头压力作用下，面板中部朝下游变形，两侧面板由于受坝肩的约束，局部存在向上游变形的反翘现象。施工期1/3坝高以上面板中部向下游收缩变形，两坝肩面板局部存在向上游变形的反翘现象; 蓄水后，在水压力作用下整体向下游方向变形，面板在施工期和蓄水期所处的受力状态是完全不同的。

从众多的面板堆石坝面板开裂的实际统计情况来看，面板早期裂缝均为很细小的裂缝，而且很不稳定，一般经过1～2年后，即坝体填筑到一定高度后，面板上的裂缝才基本上稳定下来，并且裂缝绝大多数集中分布在坝高2/3以下左右一带，呈水平状开裂，规律性较强。

从面板开裂的实际统计情况来看，面板早期的细小裂缝是由温度应力和混凝土干缩造成的，但随着坝体继续填筑，后期变形仍在逐渐增加，施工期由于面板和垫层料的弹性模量差异非常大，面板比起垫层料的变形相对小了许多，两者变形不一致，导致面板受垫层料的剪切挤压; 加之面板的自重以及大坝填筑时的洒水和大气降雨形成的施工期反向水压力作用于面板上，致使面板成为受弯拉构件，在坝高2/3以下部位的面板上游面形成较大的拉应力，从而导致面板混凝土的开裂现象，这与面板堆石坝面板施工期往往在中下部产生较为集中的水平状开裂的实际规律是吻合的。蓄水期在较高的水头压力作用下，面板反向挤压垫层料，导致蓄水期面板所受的接触面剪切力和水压力恰好相反，蓄水期在坝高2/3以下部位的面板下游面形成较大的拉应力，从而出现开裂现象，而此时面板上游面的部分裂缝会得到一定程度的闭合。

面板裂缝的处理，不仅要对已有裂缝进行补强，而且要满足后期面板受力变形的需要。另外在高寒地区还要考虑后期水位交替变换对面板混凝土的冻融破坏。

3 工程实例

3．1 潘口水电站大坝面板裂缝处理

潘口水电站位于湖北省十堰市竹山县境内，地处堵河干流上游河段。大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高114.0m，坝顶宽9.2m，上下游坝坡均为1 1.4，面板分两期施工。裂缝具有下列特点: ①裂缝出现早，面板混凝土大约在3d就出现裂缝，但是数量少，7～14d左右发生较快，前期裂缝较窄为0.1～0.2mm，以后逐渐发展约为0.2～0.3mm。②裂缝基本为水平方向，与坡面方向垂直。③裂缝大部分集中在Ⅰ期面板斜长的10～96m范围内，该区域属于面板应力较集中区。④通过对裂缝深度的检查，所检查裂缝均以浅表裂缝为主。

根据裂缝的情况进行了处理试验，试验后优化的处理方案为: 裂缝宽度≤0.2mm的裂缝采用如下工艺: 裂缝两侧混凝土面清理→涂刷10cm宽PSI200水泥基液→养护→裂缝两侧各30cm宽度喷涂2mm聚脲防水层。

裂缝宽度＞0.2mm的裂缝采用如下工艺: 缝两侧混凝土面清理→贴灌浆嘴封缝→试气检查→CW环氧树脂灌浆→灌后贴嘴处理→灌后检查→裂缝两侧各30cm混凝土面清理→涂刷水泥基液→养护→裂缝两侧各30cm宽度喷涂2mm聚脲防水层。

2011年6月份开始裂缝处理施工，在坝前粘土回填前完成了死水位以下的裂缝普查和处理施工，坝前粘土回填开始后进行死水位以上的裂缝普查和施工。潘口水电站在2011年9月8日下闸蓄水，随着水位的变化，在水位变化区域有新增裂缝出现，裂缝均为水平方向，在水位变化的数小时内可以观察到裂缝的开裂和变长，待一周后基本稳定。面板2/3以上部位的裂缝在蓄水过程中未发现有明显变化。

对于新出现的裂缝待其稳定后，根据要求进行了处理。2011年10月22日完成了大坝面板的裂缝处理施工，并通过了各方联合验收。2011年底前对水位以上的大坝面板进行了裂缝普查，未发现有新增裂缝出现，表面喷涂的聚脲防水层随裂缝的开合变化没有开裂、破损、剥离等现象，满足大坝面板裂缝处理的需要。潘口水电站大坝量水堰所观测到的渗流量最大时为9L/s，面板的防渗满足要求。

3．2 黑河宝瓶河水电站大坝面板裂缝处理

宝瓶河水电站位于甘肃省张掖市的黑河上游，电站总库容2050万m3，电站额定水头132.00m，总装机123MW。大坝为混凝土面板堆石坝，面板一次施工。通过对面板裂缝普查: ①面板裂缝均以水平裂缝为主; ②面板裂缝多集中在坝高1/4～2/3的区域; ③裂缝宽度主要在0.2mm以下，有少量宽度0.2～0.5mm的裂缝。

混凝土面板是大坝防渗体系的重要部位，考虑到宝瓶河大坝处在冰冻严寒地区，水位变化区混凝土面板面临冻融循环的破坏，加速了混凝土老化、碳化、开裂现象，为此在冻融变化区面板混凝土表面有必要采取有效的柔性封闭防渗保护措施，隔离水汽冻融侵蚀，有效延长面板结构工程寿命。结合潘口水电站大坝面板处理的经验和其他混凝土面板堆石坝面板裂缝处理的成功案例，确定宝瓶河大坝混凝土面板裂缝处理方案为:

对于死水位2480.0m以上面板，先封补处理混凝土面板裂缝; 后在混凝土面板表面喷涂HK966高强弹性涂料进行封闭防渗施工。其中裂缝封补按照: ①对于＜0.2mm裂缝，用HK－G－2底胶和聚酯无纺布进行一布两胶封缝粘贴操作; ②对于≥0.2mm裂缝，先进行HK－G－2环氧灌浆封补，在表面贴无纺布封闭处理。

对于死水位2480.0m以下面板，①面板裂缝小于0.2mm的非贯穿、非贯通裂缝采用在裂缝表面两侧各10cm宽度，在裂缝两端部各延长30cm进行涂刷HK966高强弹性涂料进行封闭，涂刷厚度为0.3mm。②面板裂缝小于0.2mm的贯穿、贯通性裂缝采用在裂缝表面两侧各10cm宽度，在面板和垂直缝结合部的表层止水涂刷HK966高强弹性涂料进行封闭，涂刷厚度为0.3mm。③面板裂缝宽度在0.2～0.5mm的裂缝，在裂缝表面凿出4cm×4cm的“V”形扩展槽，使用HK－EP－1弹性环氧嵌缝填充，表面涂刷两侧各10cm宽度的K966高强弹性涂料进行封闭。④面板裂缝宽度大于0.5mm的裂缝，采用贴嘴灌注LW/HW聚氨酯后，在裂缝表面凿出4cm×4cm的“V”形扩展槽，使用HK－EP－1弹性环氧嵌缝填充，表面涂刷两侧各10cm宽度的K966高强弹性涂料进行封闭。

混凝土面板裂缝处理完成后，组织各方联合验收，最新的监测数据表明防渗效果良好。

3．3 苗家坝水电站大坝面板裂缝处理

苗家坝水电站位于白龙江下游甘肃省文县境内，距下游已建成的碧口水电站公路里程31.5km。枢纽建筑物主要由混凝土面板堆石坝、溢洪洞、泄洪排沙洞、引水发电洞及岸边厂房等组成。电站正常蓄水位800m，死水位795m，汛期临时排沙水位795m，总装机容量240MW(3×80MW)。面板分40块，其中分缝6m宽24块，12m宽16块，面板混凝土施工完成后表面裂缝检查，宽度大于0.2mm的裂缝占已发现裂缝总数的10%，宽度为0.15～0.2mm的占72%，其余为宽度小于0.15mm。从裂缝的分布来看，80%的裂缝都位于高程745～770m之间。

裂缝处理方案为: 裂缝宽度大于等于0.15mm或深层贯穿裂缝采用SK－E改性环氧缝内化学灌浆，同时采用SK手刮聚脲复合胎基布对其表面进行封闭处理; 对于开度小于0.15mm裂缝，表面清理后采用SK－E改性环氧灌浆材料涂刷封闭。

3．4 鸭嘴河布西大坝面板裂缝处理

鸭嘴河布西水电站工程位于四川省凉山州木里县境东南侧的鸭嘴河中游布西店附近。鸭嘴河是雅砻江右岸一级支流，河流上游由布定沟和鲁昌沟汇合而成，汇口以下称鸭嘴河。电站装机容量20MW(2×10MW)，水库枢纽主要由大坝、表孔泄洪洞、泄洪放空洞组成。水库大坝采用钢筋砼面板堆石坝，水库正常水位3300m，坝顶高程3305.8m，最大坝高140.8 m，坝顶全长271m，坝顶以上设有1.2m高防浪墙，坝顶宽度12m。

裂缝处理方案为: 裂缝宽度大于等于0.2mm或深层贯穿裂缝采用打斜孔SK－E改性环氧缝内化学灌浆，对于裂缝宽度大于等于0.5mm在化学灌浆完成后，沿缝面凿“U”形槽，槽顶宽4cm，槽深3cm，槽内嵌填柔性GB止水材料。所有的裂缝均在表面打磨清理后采用SK手刮聚脲复合胎基布对其表面进行封闭处理，宽度20cm，厚度2mm。

4 结语

(1)混凝土面板堆石坝面板是大坝防渗体系的重要部位，由于面板自身的特点，面板产生裂缝难以避免，对于已经产生的裂缝要根据性状区别处理，然后进行表面封闭。

表1 水电三局设计院参与施工处理的混凝土面板堆石坝案例表

续表1

(2)根据面板蓄水时的受力分析和国内诸多面板堆石坝面板后期的观测结果，在裂缝表面封闭时，应根据面板不同高程区别处理: ①回填铺盖层以下，由于有自愈保护的铺盖，只需要逐缝封闭即可满足防渗要求。②回填铺盖层到死水位区域面板，长期处于水位下，难以放空检修，在受力下朝下游方向变形，甚至有新受压裂缝产生，同时洪水期河流泥沙较易淤积，一定程度上保护面板。因此，该区域的面板应全面喷涂高弹性防水涂料进行防渗保护，厚度不宜太厚，0.3～1mm为宜。③死水位到最高水位区域的面板，由于长期受水位上涨和降落的影响，该区域的面板受力不断发生变化，裂缝也处于不断闭合和张开的变化状态，因此应全面喷涂高弹性防水涂料进行防渗保护，厚度应满足不断变形的需要，1.5～3mm为宜。④最高蓄水位以上区域面板可以出于美观考虑全面处理，厚度不宜大于0.3mm。

(3)聚脲喷涂技术是新型无溶剂、无污染的绿色喷涂技术，可以在任意曲面、斜面及垂直面上喷涂成型，施工速度快且不受环境温度和湿度的影响。已经广泛应用在基础交通、电力能源、市政建设、海工水工和军事等领域。通过在潘口水电站混凝土面板裂缝封闭的施工和其他工地的对比其具有以下优势: ①喷涂聚脲施工简单迅速，干燥时间短，施工工期短，可快速投入使用; ②高强度、高柔韧性和高附着力; ③100%固含量体系，无挥发性有机物、无气味，对环境影响小，是真正的绿色产品，聚脲颜色可以调节，施工后和混凝土基本保持一致。

(4)聚脲的断裂伸长率大于400%，另外聚脲具有抗多种化学品腐蚀的性能，突出耐磨、耐老化、防渗性能。

混凝土面板堆石坝是近些年应用广泛的水利水电工程挡水建筑物，由于自身特性等原因，混凝土面板的裂缝难以避免，需要广大技术、施工、材料等方面的同仁共同努力，不断探索总结，寻找适合面板裂缝处理的最佳方法。

参考文献

［1］郦能惠.高混凝土面板堆石坝新技术［M］.北京: 中国水利水电出版社.2007.

［2］孙役，燕乔，王云清.面板堆石坝面板开裂机理与防止措施研究［J］.水力发电.2004，(2).