抽水蓄能電站面板堆石壩面板裂縫成因及防裂措施研究

徐志丹，譚建軍，陳光耀

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽，550081）

0 引言

在“碳中和”目標背景下，儲能技術被視為解決新能源波動性問題的重要手段之一。目前水電行業(yè)正在從“電源供應者”逐步向“電源供應者+電池調節(jié)者”轉變[1]，而抽水蓄能電站是這次角色轉變的關鍵驅動力。抽水蓄能電站作為目前經濟、清潔的大規(guī)模儲能方式，具有啟停靈活、反應迅速、調峰填谷、調頻調相、緊急事故備用及黑啟動[2]等多種特點和功能，是電力系統(tǒng)中較為可靠、經濟、壽命周期長、技術成熟的儲能技術。抽水蓄能電站可有效提升電力系統(tǒng)的綜合效益，為實現“碳中和”目標打下堅實的基礎。

為降低建設成本，充分利用現有資源，抽水蓄能電站的開發(fā)與建設通常采用已有大壩作為下水庫擋水建筑物，新建大壩作為上水庫擋水建筑物。在上水庫擋水建筑物的選型與建設中，混凝土面板堆石壩因具有安全性高、造價低、實用性強、施工方便、抗震能力強等優(yōu)點，被大量選用。然而，由于抽水蓄能電站運行的特殊性，水位變化頻繁，導致混凝土面板在電站運行過程中承受的水壓力、溫度等外部條件不斷變化，最終引起混凝土面板開裂[3]。面板裂縫的存在嚴重影響壩體的整體性、耐久性及結構安全。因此，對混凝土面板裂縫的成因進行分析，并提出相應的處理與預防措施，是抽水蓄能電站安全運行、穩(wěn)定發(fā)電的關鍵。

1 面板裂縫成因分析

抽水蓄能電站與一般水電站的運行方式不同，由于水位變化的特殊性，導致其混凝土面板裂縫的成因、類型也與一般水電站不同[4]。在查閱文獻的基礎上，結合現場實地調研，對北京十三陵抽水蓄能電站、江蘇宜興抽水蓄能電站、吉林蒲石河抽水蓄能電站、山東泰安抽水蓄能電站和山西西龍池抽水蓄能電站等典型抽水蓄能電站存在的面板裂縫進行了統(tǒng)計分析，得到了抽水蓄能電站混凝土面板開裂的主要類型和成因。

此次現場調研共發(fā)現2 825 條裂縫，十三陵抽水蓄能電站最多，共1 636 條，宜興抽水蓄能電站282 條，蒲石河抽水蓄能電站195 條，泰安抽水蓄能電站143 條，西龍池抽水蓄能電站569條。其中，5%為結構性裂縫，其余為非結構性裂縫。

1.1 結構性裂縫

本次調研結果中，混凝土面板結構性裂縫較少，共142 條。其中，貫穿性裂縫只有1 條，位于泰安抽水蓄能電站混凝土面板中部，裂縫寬0.15～0.2 mm、長0.3～12 m。一般來說，造成面板結構性裂縫的原因有壩體沉降、庫水壓力及面板與墊層約束等[5]。而對于抽水蓄能電站，其運行期間水位通常會發(fā)生大幅變化，導致混凝土面板受到的水壓力也不斷變化，受力環(huán)境的多變性加大了混凝土面板開裂的可能。另外，寒冷地區(qū)的電站在冬季運行時，壩體上游面的水會因低溫而結冰，貼附在混凝土面板上，貼附的冰塊會隨著庫水位的變化而上升或下降，進而對面板表面產生一種“拖曳力”[6]，最終造成面板表面混凝土的破損。這種由于外力作用，在面板表面呈豎向、有規(guī)律性的裂縫是抽水蓄能電站混凝土面板結構性裂縫的主要表現形式。

1.2 非結構性裂縫

面板堆石壩的混凝土面板厚度較薄，但面積較大，這一特征使混凝土面板極易受到外界環(huán)境溫度與濕度變化的影響。尤其是在混凝土面板澆筑施工時，面板混凝土在硬化過程中會釋放大量熱，引起面板表層溫度急劇上升，使新澆混凝土表面水分迅速蒸發(fā)，干燥過快導致混凝土開裂[7]。這是施工后混凝土面板就存在非結構性裂縫的根本原因。

運行期間，抽水蓄能電站水位經常發(fā)生變化，導致面板溫度的變化更為劇烈，提高了面板混凝土開裂的概率。特別是山區(qū)的電站，晝夜溫差較大，在抽水蓄能和排水發(fā)電不斷交替的工況下，面板表層溫度也不斷變化，使面板混凝土極易產生裂縫。此次調研發(fā)現，混凝土面板非結構性裂縫較多，共2 683條，占裂縫總數的95%，為抽水蓄能電站混凝土面板開裂的主要形式。根據非結構性裂縫產生的原因，主要將其分為以下兩類：

（1）塑性收縮裂縫。由于混凝土面板表面水分蒸發(fā)速度過快，超過了混凝土拌和物沁水上升至混凝土面板表面的速度，從而引起混凝土的塑性收縮裂縫。在面板混凝土施工期間環(huán)境溫度過高、空氣濕度相對較小或風速過大時，容易產生塑性收縮裂縫[8]。這類裂縫深度較淺，一般呈水紋狀，對壩體安全影響較小。

（2）溫度收縮裂縫。面板混凝土澆筑時，由于水泥水化熱的作用，混凝土內部會產生大量熱，形成面板內外溫差。如果溫差過大，在溫度應力的作用下，會使面板內外結構發(fā)生變形，進而產生溫度收縮裂縫。這類裂縫是在抽水蓄能電站施工過程中最為常見的裂縫。

塑性收縮裂縫與溫度收縮裂縫是此次調研中電站混凝土面板非結構性裂縫的主要表現形式，也是抽水蓄能電站混凝土面板開裂的主要原因。但是，不同電站由于周圍環(huán)境的不同，以及施工工藝的差別，產生裂縫的類型和原因也不盡相同。例如，十三陵水電站縫寬≥0.2 mm 的裂縫共844條，且橫向裂縫居多，長度為3 675.9 m，占其裂縫總長的57.0%，遠大于其他幾個電站的橫向裂縫長度。這主要是因為十三陵電站地處嚴寒、大風的北方地區(qū)[9]，部分面板長期暴露于冷空氣中，冬季時面板混凝土每天將遭受1～2 個凍融循環(huán)，尤其是在高程556～566 m 的水位變化區(qū)[10]，凍融循環(huán)的影響更加明顯，最終造成了面板混凝土大范圍開裂。

2 面板裂縫的處理與預防措施

2.1 裂縫的處理措施

通過查閱資料與調研分析結合的方式，統(tǒng)計了抽水蓄能電站混凝土面板裂縫的常用處理措施，根據縫寬大小分為兩類。

2.1.1 縫寬＞0.2 mm的裂縫

首先對裂縫處進行化學灌漿處理，灌漿材料一般采用水溶性聚氨酯，灌漿料應充滿裂縫所有孔隙。灌漿后，對裂縫表面進行打磨清洗，在表面涂刮聚脲涂層，并粘貼胎基布，見圖1。以本次調研電站采取的處理措施為例，將縫寬＞0.2 mm的裂縫處理工藝簡述如下：

圖1 混凝土裂縫（寬度＞0.2 mm）處理Fig.1 Treatment of concrete cracks(width＞0.2 mm)

（1）沿裂縫兩側，與縫成45°角用電鉆打斜孔與縫面相交，孔距控制在0.2～0.4 m，孔深0.2 m以上。

（2）清洗灌漿孔，埋設灌漿嘴。如果灌漿嘴與縫不連通，則需重新鉆孔，直至灌漿嘴與縫連通。

（3）為保證有效封堵漏水通道，現場灌漿建議采用灌漿壓力0.6 MPa以上的高壓灌漿工藝。當縫面出漿液或不再滲水，即可停止灌漿。

（4）待灌漿材料有一定強度后，拔除灌漿嘴，由此造成的孔洞用高強砂漿進行封閉處理。

（5）用角磨機沿縫面進行打磨處理，處理范圍根據現場情況而定，通常寬0.3 m，并用高壓水槍或空壓機將打磨面清洗干凈。

（6）沿裂縫兩側涂刷30 cm寬的界面劑。

（7）待界面劑風干后，涂刷第1遍聚脲，然后粘貼0.1 m寬的胎基布；待第1遍聚脲風干后，再涂刷聚脲2～4遍。其中，聚脲可采用SK手刮聚脲，涂刷寬度為25 cm，厚度控制在2～3 mm。

2.1.2 縫寬≤0.2 mm的裂縫

對于縫寬≤0.2 mm 的裂縫，可省掉灌漿工序，直接對裂縫表面進行打磨清洗，然后依次涂刷界面劑與聚脲，并粘貼胎基布，最后再次涂刷聚脲涂層即可。

2.2 裂縫的預防措施

針對本次調研電站混凝土面板裂縫產生的主要原因與表現形式，采取有效措施防止裂縫的產生，控制裂縫數量，對抽水蓄能電站安全、穩(wěn)定運行有著重要意義。

2.2.1 結構性裂縫

混凝土面板結構性裂縫的產生一方面是由于壩體的不均勻沉降，造成混凝土面板與壩體脫空，使面板剛度無法承受壩體沉降變形產生的外拉力，進而導致混凝土面板出現細小裂縫，隨著時間的推移，裂縫逐漸擴大，最終形成貫穿性裂縫；另一方面，由于抽水蓄能電站特殊的運行特性，以及嚴寒地區(qū)上游水結冰對面板形成的“拖拽力”，最終引起混凝土面板開裂。因此，對于結構性裂縫的處理，應以預防為主，治理為輔。主要預防措施如下：

（1）合理分縫，科學配筋。在混凝土面板設計過程中，首先需確定主要的受拉、受壓區(qū)域，對受拉區(qū)域設置張性縫，受壓區(qū)域設置壓性縫，合理設置分縫距離，并選用變形程度較高的填料對縫隙進行填充，從而避免混凝土面板由于受壓出現“升翹”現象[11]。針對受拉較大的區(qū)域，應科學合理地布設鋼筋，提高面板抗拉強度，提升面板整體剛度。

（2）預留壩體沉降期。面板施工前，為避免壩體的不均勻沉降引起混凝土面板開裂，可為壩體預留3個月左右的沉降期，讓壩體在面板混凝土澆筑前進行充分沉降。這樣可以有效避免混凝土面板與壩體的脫空情況，降低面板裂縫出現的概率。

2.2.2 非結構性裂縫

非結構性裂縫的預防主要從混凝土配合比優(yōu)化與施工質量控制兩個方面進行分析說明：

（1）混凝土配合比優(yōu)化。優(yōu)化面板混凝土原材料及配合比，可以提高混凝土抗裂性能，減小墊層約束作用力，以控制非結構性裂縫的產生?；炷猎牧现饕兴唷⒎勖夯?、減水劑、膨脹劑、砂石骨料和纖維等。第一，可選用水化熱低、干燥收縮小、后期強度高的水泥；第二，可通過摻加細顆粒的活性摻和料，降低混凝土的溫升作用，減少界面過渡區(qū)的內泌水和孔隙，提升水泥和骨料的黏結能力，提高混凝土的抗拉強度[12]；第三，采用中強度、低彈模、低線膨脹系數的骨料，降低混凝土的彈模和熱變形；第四，摻加一定量的人工合成纖維，不僅可以有效防止混凝土的早期裂縫，還可以提高混凝土的強度和抗彎韌性，有利于防止運行期面板開裂；第五，摻入膨脹劑，使混凝土在硬化過程中產生微膨脹，在一定程度上補償混凝土的體積收縮，防止收縮裂縫的產生；第六，選用高性能減水劑，達到減少水泥用量，推遲水化熱峰值出現時間及降低水化熱峰值大小的目的。

（2）施工質量控制。第一，選擇在一天中氣溫相對較低且穩(wěn)定的時刻進行面板混凝土的澆筑，避免在夏季午間高溫、大雨或大風條件下澆筑，減少外界環(huán)境對混凝土施工的影響；第二，澆筑時應采取適當的溫控措施，高溫時可加冷水、冰水進行拌和，或對骨料進行預冷降溫措施，低溫時可加溫水拌和，或對骨料進行預加溫措施，以保證混凝土出機溫度滿足設計與規(guī)范標準要求；第三，現場振搗應采取快插慢拔的方式，并正確掌握振搗時間，避免過振或漏振；第四，脫模后應及時對混凝土進行二次抹面處理，減少表面裂縫的產生[13]。

3 結論與建議

通過查閱文獻資料與現場調研相結合的技術路線，對抽水蓄能電站面板堆石壩面板裂縫的成因及防裂措施進行了分析研究，結論與建議如下：

（1）抽水蓄能電站混凝土面板裂縫的主要表現形式分為結構性裂縫和非結構性裂縫。其中，以溫度變化引起的非結構性裂縫為主，這是由抽水蓄能電站的運行特點決定的。

（2）抽水蓄能電站混凝土面板裂縫的預防措施應以面板結構設計優(yōu)化為基礎，以混凝土原材料選擇、配合比優(yōu)化為核心，并嚴格遵守施工過程中的質量控制措施，防止混凝土面板裂縫的產生。

（3）為了更全面、科學地研究抽水蓄能電站混凝土面板開裂機理，提出針對性的防治措施，后期研究應注重面板混凝土的模擬試驗研究、微觀結構研究及抗裂能力的數值分析研究?！?/p>