高寒、高海拔地區(qū)水電站大體積混凝土裂縫防控措施

張會(huì)強(qiáng)

中交水利水電建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315000

西藏加查水電站位于西藏自治區(qū)加查縣，該工程為二等大（2）型工程，電站總裝機(jī)360MW，采用河床式開(kāi)發(fā)方式，擋水建筑物為常態(tài)混凝土重力壩，發(fā)電廠房壩后布置，建基面高程為3166m，最大壩高83m，壩頂高程3249m；加查水電站位于高原溫帶季風(fēng)半濕潤(rùn)氣候地區(qū)，根據(jù)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，多年平均氣溫9.2℃，冬季最低氣溫-16.6℃。項(xiàng)目地區(qū)屬于西藏高寒、高海拔地區(qū)，氣溫低、溫差大、空氣含氧量低、紫外線輻射強(qiáng)等各項(xiàng)氣候條件給水電站大體積混凝土裂縫防控工作帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。

1 裂縫成因

大體積混凝土在不適宜的條件下會(huì)產(chǎn)生裂縫，如表面裂縫、深層裂縫、貫穿裂縫，不同規(guī)模的裂縫將會(huì)給混凝土結(jié)構(gòu)帶來(lái)不同程度的使用影響。造成大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因有多種，主要包括溫度和濕度的變化、混凝土的脆性和不均勻性、結(jié)構(gòu)不合理、原材料不合格（如堿骨料反應(yīng)），以及模板變形和基礎(chǔ)不均勻沉降等。

該地區(qū)大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的具體原因如下：（1）外界氣溫變化較大產(chǎn)生裂縫，西藏地區(qū)晝夜溫差較大，溫差基本達(dá)到20℃以上，白天太陽(yáng)直射結(jié)構(gòu)物表面，混凝土表面溫度較高，大體積混凝土不易散熱，夜晚氣溫驟降，會(huì)顯著增加混凝土內(nèi)外溫差。溫差越大，混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力越大，混凝土越容易產(chǎn)生裂縫。（2）混凝土收縮產(chǎn)生裂縫，西藏地區(qū)紫外線較強(qiáng)，空氣濕度低，混凝土表面水分易揮發(fā)，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生大面積表面裂縫，長(zhǎng)時(shí)間作用下發(fā)展成深層裂縫甚至貫穿裂縫，影響結(jié)構(gòu)安全和使用性能。（3）水泥水化熱引起裂縫，大體積混凝土中水泥水化過(guò)程中要釋放一定熱量，而大體積混凝土結(jié)構(gòu)表面系數(shù)相對(duì)較小，熱量不易散失，導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。

結(jié)合該工程，從混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、混凝土配合比設(shè)計(jì)、混凝土拌和、混凝土澆筑施工和混凝土的保濕、保溫及保護(hù)等方面闡述高寒、高海拔地區(qū)水電站大體積混凝土裂縫防控措施。

2 設(shè)計(jì)與構(gòu)造措施

設(shè)計(jì)是否合理是影響結(jié)構(gòu)使用和安全性能的最重要內(nèi)容，同時(shí)也是影響大體積混凝土是否會(huì)產(chǎn)生裂縫的關(guān)鍵因素。首先，增加結(jié)構(gòu)抗裂性能，適當(dāng)增加混凝土結(jié)構(gòu)配筋，適應(yīng)混凝土干縮和溫度變形，設(shè)計(jì)過(guò)程中合理縮小壩段尺寸或澆筑塊，增設(shè)左右壩段橫縫或上下游壩段縱縫以利于適應(yīng)干縮和溫度變形；其次，細(xì)化設(shè)計(jì)混凝土分區(qū)，采用“金包銀”的理念，即大壩迎水面后其他永久外露面使用抗?jié)B、抗凍、強(qiáng)度均較高的細(xì)骨料混凝土，大體積混凝土中心部位采用強(qiáng)度較低的粗骨料（如三、四級(jí)配）混凝土，以減少混凝土的水化熱，降低混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力，控制溫度變形。

3 材料控制措施

3.1 配合比設(shè)計(jì)

配合比設(shè)計(jì)階段必須嚴(yán)格選取拌和所用原材料，避免選擇堿活性高的砂石料，盡量選擇水化熱低的水泥材料，同時(shí)應(yīng)控制水灰比，可摻加一定量的粉煤灰或石粉，以降低混凝土的絕熱溫度。

混凝土中摻入一定量的優(yōu)質(zhì)粉煤灰，不但能代替部分水泥，而且粉煤灰顆粒呈球狀，起到潤(rùn)滑作用，可以改善混凝土的和易性，粉煤灰后期強(qiáng)度高、溫升慢，降低混凝土最高溫度值，還可摻加一定量的石粉，增加混凝土的和易性和黏聚性，降低混凝土水化熱。配合比設(shè)計(jì)階段，通過(guò)外加摻料可改善混凝土可操作性，降低成本，同時(shí)降低水化熱，減小混凝土溫度值，一定范圍內(nèi)降低混凝土溫度應(yīng)力，控制溫度變形。

3.2 混凝土拌和及運(yùn)輸

由于西藏夏季氣溫較高，太陽(yáng)紫外線輻射較強(qiáng)，混凝土自拌和出料、運(yùn)輸至澆筑現(xiàn)場(chǎng)溫升較大，嚴(yán)重影響成型混凝土的內(nèi)部溫度?；旌狭蠝囟瓤刂拼胧┤缦拢海?）混凝土拌和過(guò)程中應(yīng)對(duì)砂石骨料進(jìn)行預(yù)冷或加冰、冰水進(jìn)行拌和，以控制出料溫度；（2）混凝土水平運(yùn)輸或垂直運(yùn)輸過(guò)程中避免太陽(yáng)直射，水平運(yùn)輸車輛應(yīng)加設(shè)可開(kāi)啟式的液壓棚蓋或帆布覆蓋，車輛四周擋板及垂直運(yùn)輸纜機(jī)吊罐使用聚乙烯苯板外部貼合，盡量避免太陽(yáng)直射鐵板升溫。

4 澆筑施工階段控制措施

4.1 建基面施工

該工程建基面主要為巖石基礎(chǔ)面，由于巖石本身風(fēng)化較嚴(yán)重及爆破開(kāi)挖過(guò)程中外力作用導(dǎo)致建基面破碎嚴(yán)重，且存在條形斷層破碎帶，此類巖石建基面必須妥善處理，否則巖石斷面移動(dòng)后將引起上部混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。條形巖石斷層破碎帶必須挖槽處理，槽深為槽寬的1.5倍，處理完成后于槽頂鋪設(shè)大直徑的鋼筋網(wǎng)，在抗拉鋼筋上安裝鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備；混凝土澆筑完成后及時(shí)觀測(cè)斷層鋼筋應(yīng)力變化，直至基礎(chǔ)固結(jié)灌漿完成，若應(yīng)力增加較大，則應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況增加固結(jié)灌漿深度并加大注漿量，以增加基巖整體穩(wěn)定性，避免由于基巖斷層帶應(yīng)力變化導(dǎo)致上層混凝土產(chǎn)生裂縫，影響結(jié)構(gòu)使用安全。

4.2 大體積混凝土澆筑施工

大體積混凝土澆筑施工前應(yīng)按照設(shè)計(jì)要求合理劃分單元倉(cāng)位面積尺寸和澆筑厚度，單元倉(cāng)位面積宜小不宜大，以增加散熱系數(shù)，夏季澆筑厚度宜為1.5m，冬季澆筑厚度可以為1.5～3.0m，最厚不宜超過(guò)3m。

加查水電站大壩混凝土采用三、四級(jí)配澆筑施工，因此在澆筑過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)振搗，以3遍為宜，一般非結(jié)構(gòu)鋼筋部位采用Φ150mm的8頭振搗機(jī)進(jìn)行機(jī)械振搗，結(jié)構(gòu)鋼筋或距離模板1m范圍內(nèi)采用Φ100mm的振搗棒進(jìn)行人工振搗，保證混凝土的均勻密實(shí)性，保證混凝土的抗開(kāi)裂能力。

（1）特殊季節(jié)施工。西藏地區(qū)夏季太陽(yáng)直射溫度較高，白天最高氣溫在30℃以上；冬季夜間氣溫較低，最低氣溫在-16℃以下；環(huán)境極高溫和極低溫都會(huì)影響混凝土的強(qiáng)度，混凝土易開(kāi)裂。①夏季，混凝土澆筑過(guò)程中除采取措施降低混合料溫度和運(yùn)輸升溫程度，還必須采取措施降低倉(cāng)面溫度和混凝土縫面溫度；混凝土入倉(cāng)前采用噴霧機(jī)噴霧，降低倉(cāng)面溫度，使其在15℃以下，保證基層混凝土縫面濕潤(rùn)無(wú)積水；混凝土平倉(cāng)振搗完成或單元工程澆筑完成后及時(shí)覆蓋塑料薄膜和保溫卷材，混凝土水平面沖毛完成后仍采用塑料薄膜和保溫卷材覆蓋，直至澆筑上層混凝土。②冬季，外界環(huán)境氣溫較低，夜間氣溫均在0℃以下，混凝土澆筑過(guò)程中應(yīng)提高混合料的出機(jī)口溫度，加熱水拌和或?qū)⑸笆橇项A(yù)熱，保證混凝土出機(jī)口溫度在10℃以上；混凝土運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)水平運(yùn)輸自卸汽車和垂直運(yùn)輸?shù)睦|機(jī)吊罐采取外部保溫措施，減少運(yùn)輸過(guò)程中的溫度損失；混凝土入倉(cāng)前，采用尺寸為20m×10m的電熱毯將縫面溫度提升至5℃以上，澆筑過(guò)程中倉(cāng)面需配備足夠的柴油暖風(fēng)機(jī)或電熱暖風(fēng)機(jī)提高倉(cāng)面澆筑部位溫度，倉(cāng)面無(wú)積水和結(jié)冰；混凝土平倉(cāng)振搗完成或單元工程澆筑完成后及時(shí)覆蓋塑料薄膜和保溫卷材，混凝土澆筑完成后在上部搭設(shè)保溫暖棚，暖棚內(nèi)設(shè)置不少于4臺(tái)暖風(fēng)機(jī)，加熱直至混凝土沖毛完成；混凝土澆筑7d后方可拆除已采取保溫措施的模板，一邊拆除模板一邊在混凝土的外露面粘貼5cm厚的保溫苯板；保證混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)，提高抗開(kāi)裂能力。

（2）溫度監(jiān)測(cè)及通水冷卻降溫。該工程共配備4臺(tái)冷水機(jī)組，8臺(tái)電子測(cè)溫儀器，25臺(tái)紅外線測(cè)溫計(jì)；混凝土澆筑過(guò)程中在每個(gè)倉(cāng)位埋設(shè)HDPE（高密度聚乙烯）冷卻通水管路和不少于3支測(cè)溫組件，自澆筑完成后開(kāi)始每天測(cè)量混凝土內(nèi)部溫度，根據(jù)每日測(cè)量平均溫度了解混凝土內(nèi)部溫度情況，根據(jù)內(nèi)部溫度升降速率調(diào)整每日冷卻通水流量，通過(guò)每日冷卻水流量的調(diào)整控制混凝土內(nèi)部溫度升降在0.5℃范圍內(nèi)；通過(guò)冷卻水降低大體積混凝土內(nèi)部溫度峰值，冷卻通水時(shí)間一般為28d或直至內(nèi)部溫度平穩(wěn)后結(jié)束。

（3）裂縫處理。施工過(guò)程中若采取的各項(xiàng)措施做得不到位，則大體積混凝土不可避免會(huì)產(chǎn)生裂縫，無(wú)論是表面細(xì)微裂縫、深層裂縫，還是貫穿裂縫，都應(yīng)對(duì)其予以重視并及時(shí)處理，處理完成前不得進(jìn)行下道工序施工。對(duì)于表面裂縫，應(yīng)在刻槽處理后澆筑上層混凝土，對(duì)于深層裂縫和貫穿裂縫，應(yīng)待裂縫不再繼續(xù)發(fā)展后進(jìn)行刻槽、預(yù)縮砂漿處理、埋設(shè)注漿管、安裝限裂半管和限裂鋼筋，經(jīng)驗(yàn)收合格后方可繼續(xù)澆筑上層混凝土，若未經(jīng)處理澆筑上層混凝土，裂縫會(huì)繼續(xù)向上、向下發(fā)展，出現(xiàn)更大面積的混凝土開(kāi)裂破壞。具體處理措施如圖1所示。

圖1 裂縫處理示意圖

5 成品保濕、保溫及保護(hù)

混凝土澆筑完成后，在達(dá)到一定強(qiáng)度前，不允許在上面走動(dòng)、堆放材料和設(shè)備，混凝土澆筑完成3d后方可拆除非承重模板，模板拆除后及時(shí)粘貼保溫苯板。西藏地區(qū)屬于高寒高海拔地區(qū)，晝夜溫差大，紫外線強(qiáng)烈，陽(yáng)光直射溫度高，濕度小，風(fēng)速大，氣壓低，因此日均蒸發(fā)量很高，若保濕措施不完善，則會(huì)因?yàn)榛炷帘砻嫠挚焖僬舭l(fā)導(dǎo)致大體積混凝土產(chǎn)生裂縫。為了避免過(guò)大蒸發(fā)量的影響以及極寒天氣的侵蝕，在澆筑后必須及時(shí)采取保濕、保溫措施，達(dá)到良好的保溫、保濕的效果；同時(shí)直至澆筑上層混凝土前，對(duì)混凝土水平面采取灑水保濕措施，垂直面采取掛設(shè)花管噴水保濕措施，混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間宜不少于14d。若冬季停止施工，應(yīng)采用保溫材料將所有與外界空氣直接接觸的混凝土外露面覆蓋，避免內(nèi)外溫差過(guò)大引起溫度裂縫。

6 結(jié)束語(yǔ)

大體積混凝土裂縫是影響水電站等工程結(jié)構(gòu)使用性能和安全性能的重要因素，但其裂縫的產(chǎn)生與控制在施工過(guò)程中受諸多因素的影響，只有在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、施工工藝、配合比設(shè)計(jì)以及成品的養(yǎng)護(hù)和保護(hù)過(guò)程中采取合理的控制措施，嚴(yán)格管理，嚴(yán)密組織施工，才能有效避免大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。