混凝土面板堆石坝问题原因分析与对策-中国大坝工程学会水库大坝云平台

1、混凝土面板堆石坝变形浅析、控制与对策杨和明（中国水利水电第十一工程局有限公司 河南 郑州 450001 ）摘 要：本文对 CFRD 出现的一系列变形形态进行了归类，并对其产生变形乃至破坏的 原因进行剖析，同时提出了变形控制与解决问题的方法，以及处理变形的措施，对往后的 CFRD 设计、施工，以及运行管理起到借鉴作用。关 键 词： CFRD 变形 浅析 控制 对策中国自 1985 年开始用现代技术修建混凝土面板堆石坝（以下简称面板坝）建成以来，已经走过30年发展历程。在已建成高 30m以上的220多座各类面板坝中，坝高 100m级的 有64座，坝高150m级15座，并陆续建成了天生桥一级（178

2、m），洪家渡（179.5m ）、三 板溪（185.5m）和水布垭（233m）等一批200m级高坝，积累了丰富的科研、设计、施工、 运行管理及监测等现代技术经验，虽说起步虽晚， 但起点高， 发展速度快， 为混凝土面板堆 石坝向更高更广的方向迈进奠定了坚实的基础。但在施工和运行过程中也不同程度出现各类变形问题，这些问题的出现同时给大坝的 运行安全构成威胁，及时处理得当，对大坝的运行及安全是积极有益的。一、CFRD 变形问题的主要表现混凝土面板堆石坝变形问题，有的在施工期就有表现，有的发生在蓄水期，有的发生 在运行期等阶段，具体的表现归类为以下几个方面：混凝土面板脱空，混凝土面板裂缝，混凝土面板侧向

3、挤压破坏与水平断裂，混凝土面板局部塌陷，周边缝止水撕裂造成大坝漏水， 反渗水造成混凝土面板裂缝和 推 动，大坝防浪墙挤压破坏，渗漏等。二、CFRD 变形问题的原因分析、控制与对策 1、混凝土面板的脱空混凝土面板的脱空表现在施工期和运行期，其主要原因是随着大坝的逐步加高和自然 沉降造成的， 因大坝填筑使用的石料料源各异和成份及特性不同， 施工过程碾压密实度的不 同，造成大坝的沉降量也各不相同， 目前还不能够精确计算获得， 设计阶段沉降值计算仅为由于大坝沉降造给混凝土面板造各期施工混凝参考值。 混凝土面板在浇筑成型后是刚性的， 而大坝堆石体相对是柔性的， 成脱空是必然的， 但要看其脱空度值的大小。

4、 尤其是大坝在运行期的脱空， 成的危害更大。超过100m级高度的混凝土面板堆石坝一般要采用分期施工混凝土面板, 土面板前，预沉降一般设为 36 个月，最好过一个雨季（汛期） ，但要看沉降值收敛情况， 高坝一般以月沉降率小于 5mm，作为判断能否浇筑面板的标准。对软岩填筑的坝体更应延 长其沉降期，待沉降基本稳定后浇筑面板。对分期施工的混凝土面板，要求大坝临时填筑高度高出该期面板顶部高程1015m 以上，以期坝体继续升高压实有良好的变形的协调性。 在不影响工程发挥效益的前提下， 可据 情适当推迟最后一期面板的施工时间。在大坝浇筑混凝土面板时，面板与挤压混凝土边墙间可预埋11.5吋塑料灌浆花孔管，为

5、了防止浇筑混凝土时进浆堵孔，制作时在打梅花孔的灌浆管外侧缠绕透明塑料胶带， 灌浆管引至防浪墙底板以上，灌浆管的间距 23m 为宜，灌浆相互作为排气管。分期对面板 脱空空腔进行回填灌浆， 填实脱空区域， 实施时务必控制灌浆压力， 不得过大形成对面板的 顶托力。对设有放空洞的大坝，在放空库水后，可在根据混凝土面板根据监测到的脱空部位进 行钻孔，分为进浆孔和排气孔， 采用低压或无压灌浆， 脱空空间尺寸大的部位可灌注水泥 （掺 粉煤灰）砂浆，灌浆应分三个等级，先灌注稠浆、浓浆，再灌注稀浆，直至回填密实。但在 灌浆时对面板的抬动及时监测，发现有抬动变形，及时停止注浆。在 200m 级以上高坝分期面板间设

6、置铰缝， 铰缝顶部设置水平柔性止水， 使得面板随大 坝沉降而贴紧垫层料的混凝土挤压边墙坡面转动。2、混凝土面板裂缝面板混凝土裂缝从其成因主要分为温度裂缝、干缩裂缝、结构裂缝。 温度裂缝是由于水泥水化热作用或外界温度影响，特别是气温骤降，形成混凝土内外 温差过大， 产生拉应力超出混凝土抗拉强度， 或者超出混凝土极限拉伸值时， 造成混凝土产 生的裂缝。干缩裂缝是由于外界气温和湿度条件影响，混凝土面板因失去过多水分而产生收缩裂 缝；混凝土干缩通常是一个渐进的过程，可能要延续到一年以上。 虽然混凝土的徐变可以使其松弛并延缓开裂， 但后期有温度应力和干缩叠加，对混凝土裂缝产生重要威胁。所以，尽量减少混凝

7、土的干缩仍然是十分必要的。另外， 新浇混凝土尚未终凝， 由于表面蒸发过快失水引起混凝土塑性收缩而产生浅表的细微裂缝，也应采取措施预防和及时处理。结构裂缝主要是由于面板长而薄的特点、外荷载或坝体、坝基的不均匀变形所引起， 需要采取一系列结构和施工措施研究解决。施工期和运行期面板裂缝处理的对策：(1) 施工期的裂缝优化混凝土配合比设计：从原材料砂石骨料、水泥、粉煤灰、外加剂的选择开始，选在混凝土配合比中，掺聚丙烯纤维，防止混凝土浇筑初期收缩裂缝的产生。图1某大坝混凝土面板施工期裂缝处理还可在配合比中参加适量的膨胀剂，抵消混凝土早期收缩变形，补偿收缩防止混凝土裂缝的产生。混凝土面板选择在温和季节浇筑

8、施工。混凝土采用塑料薄膜加草袋保湿保温养护，7天后白天揭去塑料薄膜，覆盖草袋沿高程布设多道喷淋花管喷淋养护，直到蓄水前。对施工期各种因素，出现的裂缝要求 组织人员进行普查，对缝宽小于 0.2mm , 采用涂刷一层环氧，在贴12层玻璃丝布; 对缝宽大于0.2mm的裂缝，采用化学灌浆 或开U型槽回填预缩砂浆、涂刷环氧加贴 12层玻璃丝布处理。(2 )运行期裂缝处理运行期的裂缝基本上是结构外力图2某大坝混凝土面板运行期裂缝处理用热膨胀系数小的灰岩骨料，选用普通硅酸盐水 泥，1级粉煤灰，到混凝土配合比设计试验，配 合比的现场验证等工作入手，到混凝土的生产、 运输、下料浇筑的设备配套性，生产管理现场组

9、织的协调性和指挥的有效性，混凝土浇筑振捣、 抹面、养护等各个环节，只有每个施工环节和工 序、工艺要求做到位。这是最为关键的第一步。作用所致。处理需要放空库容，可结合发电、供水等细致检查进行统计，分类进行处理。(3)对于软岩筑坝，不均匀材料筑坝，或者因填筑质量不均匀造成大坝亏坡，面板施 工前进行测量，采用人工局部干硬性细石混凝土填筑补坡，采用小型机械碾压。3、混凝土面板侧向挤压破坏与水平断裂图3 混凝土面板发生挤压破坏混凝土面板侧向挤压破坏，主要原因是由于大坝沉降变形的不协调造成的。从受力变形角度去分析，肯定受到来自侧向不均匀集中力的作用，使得面板的受力存在张性缝面板向河床中部位移的趋势与变形超

10、出了面板的极限承受能力而产生。在河谷相对较窄的大坝， 在 大坝施工完成后，而一般大坝最高断面在河床中部，沉降量最大值发生在大坝中部，这时面板向中部位移挤压的趋势加剧所致。在河床较宽的大坝， 也会出现挤压破坏现象发生，是由于大坝沿坝轴线方向大坝填筑材料及碾压密实度的不均匀性，大坝高度的差异性，或者临时度汛预留防护槽式断面高差存在，大坝的沉降差导致侧向位移和受力。而不能说只有河谷较窄的面板坝存在侧向受力与变形，而河床较宽的大坝河床中部面板也存在侧向位移与受力 变形的可能。因此，对于有度汛要求的面板坝，为保证在汛前达到大坝度汛高程，一般采用复式梯形断面填筑， 或者导流有保护过流要求大坝，纵横填筑高差

11、一般不宜大于 40m，以减少大坝沉降变形的不均匀性。从施工组织来讲，大坝填筑有条件的尽可能采用全断面平起。混凝土面板的断裂主要是面板脱空造成，大坝蓄水受力变形超出面板的变形能力。大坝坝体主堆石区的填筑材料特性要求做到基本均匀，尽可能选用填筑石料与材质的一致性，填筑碾压质量一致性，以至于大坝运行期沉降同步性。使得面板不至于局部存在沉降差异过大。在河谷中央的面板宜设置35条吸收纵向位移的垂直变形缝是有益的。运行期由于库水位的变化，混凝土面板的受力及变形也是不断变化的，面板的受到拉应力和拉应变随之而变。 因此，对坝高大于100m的大坝混凝土面板宜根据工程特点确定是 否需要配置双层钢筋，板缝两侧均采用

12、倒“U”型钢筋加固。研究面板混凝土改为高性能混凝土，提高混凝土抗（拉）压强度和变形能力，将过去传统C25提高到C50高性能混凝土。对大坝混凝土面板脱空及时回填灌浆处理。对位于有抗震要求的面板坝坝体，分期施工混凝土面板顶面端缝应设置为法向缝，不宜设置成水平缝。并设置键槽，浇筑下期面板混 凝土前，应打毛冲洗干净，铺筑23cm的砂浆,这样做对抗震有利。一旦出现面板间挤压破坏，放低水位，人工 凿除，割除变形钢筋，重新安装钢筋，安装止水， 立模浇筑面板混凝土并加强养护。4、混凝土面板局部塌陷地震造成面板混凝土分期施工缝脱落水平方向出现断板，首先要对断板上下游方向的破损部位进行人工凿除，割除变形钢 筋，重

13、新安装钢筋，浇筑混凝土并养护。面板局部塌陷一是由于大坝填筑局部区域碾压不密首先放低库水位要低于处理部位，做好安全防护。检图5某大坝运行期混凝土面板局部塌陷实，蓄水后面板受力变形所致；二是由于大坝面板受到挤 压破坏或脱空断裂后，或者板缝止水撕裂，库区水渗流将 垫层料逐渐带入主堆石坝体产生坑洼所致。查坍塌区域，对塌空区探查清楚，用人工局部开 挖，视塌空区域原设计填料的种类，分层用小型 机具夯实，恢复混凝土面板。5、周边缝止水撕裂造成大坝漏水周边缝止水撕裂一是大坝沉降变形过大，铜止水的伸长量超标，二是由于大坝上游两岸主堆石区，以及大坝上游过渡料、垫层料，尤其特殊垫层料，碾压不密实受外力沉降塌陷， 或

14、者止水局部缺陷（小孔洞或破损）漏水渗流逐步将垫层料细颗粒带向下游流失所致。大坝趾板是随两岸地质条件设计选定的，应对周边缝的止水结构形式，在不同方位、不同段落应研究加强型止水不同的形式，以及不同伸长量，以适应周边缝的变形需要首先在施工严格按照碾压试验确定技术参数组织施工与检测，填筑料按照设计或者试验要求洒水，确保大坝填筑质量，对大坝两岸接触边缘，务必要配置液压夯板，或者小型振动碾碾压，提高岸坡或小区料填筑料的密实性，尤其是大坝上游岸坡约30m50m的填筑质量显得更为重要，包括岸坡的主堆石料，包括趾板下的过渡料、垫层料，特殊小区垫层料的施工质量，这是保证大坝周边缝不出现质量问题的前提。由于趾板是随

15、大坝两岸的岩石状况勘探选定的，应研究趾板的方向性、方位性对止水材料的结构形式和适应性，以更好地适应周边缝的变形。不同部位铜止水鼻子高度和形式应有所不同。大坝填筑期制作专用槽型木盒，锚扣在趾板止水上，保护止水不被施工行人踩踏或滚 石砸坏，保证止水安全。混凝土面板施工期，在拉每块起始面板前，务必安排专人认真仔细检查趾板止水的完好情况，就是有个绿豆大的小眼决不能放过，对砸坏或破损部位安排专业人员进行补焊或修复。千里之堤溃于蚁穴。铜止水材质务必采用熟铜，熟铜的变形适应 性优于生铜。橡胶止水要使用真正的橡胶制品， 最好不要使用塑料止水材料。对周边缝与板缝T型或十字型接头部位的铜图6 机械压制的整体铜止水

16、接头 止水，在工厂制作专业模具压合成型，减少人工焊接质量风险，确保铜止水安装质量。图7 某坝周边缝铜止水撕断止水失效一旦出现周边缝止水撕裂造成大坝漏水，这是需先将大坝水位放至修复部位高程以下，局部凿除，对 冲蚀的过渡料、垫层料按照设计要求，分层进行回填 或灌注砂浆填充；安装好新止水，再分别立模浇筑 趾板和面板混凝土。6、反渗水造成混凝土面板裂缝或抬动反渗水往往是由于河床大坝趾板高程低于其下游河床高程，造成施工期大坝坝体水位高， 如果不设防排出，主要 对一期面板产生向上游的顶托力， 导致混凝土面板密集的裂 缝。如果坝体内水位过高，顶托力过大， 甚者将面板向上游 推动。例如200m级的高坝，大坝面

17、板的厚度仅才1m，图8某大坝施工期反渗水钻孔喷出而1m水头形成的压力为 1t/m2，1m高平方米混凝土容重为2.4t/m2，那么仅2.4m的水头就与1m高混凝土面板相平衡。因此施工期坝体内部的水 位监测和控制显得十分重要。在大坝基础填筑期，在河床趾板头以上，要根据河床下游填筑的基面与趾板基础的高差大小，5m10m的高度布设一层排水管，直径大于100的钢管，深入大坝堆石料区，反渗管的间距20m30m，通向大坝面板厚度以外， 从而实现降低施工期间坝体内水位的目的。预埋的钢管在埋入的端部长度23m打花孔，包扎23滤网防止堵塞。在施工汛期基坑往往被淹没，可在反向排水管出口设置了逆向止水阀，具备自动平压

18、而水不会通过反向排水管进入坝体，那么其反渗管可不预封堵，但考虑到耐久性，安全起见大坝蓄水前需要封堵。在高寒地区筑坝，冬季相对时间长，气温低等特点，可在反渗管内安装加热电阻丝，提高冰盖高度，反渗管置于冰盖最通电加热保证反渗管通畅； 或者采用围堰基坑冬季充水, 大厚度以下。施工期要在大坝坝体内建基面上安装数支水位观测管，以便于掌握大坝坝内水位高程。在完成面板混凝土和表面止水施工即将下闸蓄水前， 作为反向排水的永久性封堵，有必要分析封堵时机。通常, 坝前粘土铺盖及盖重施工与反向排水管封堵存在一定的 冲突，倘若在铺盖还没有施工前，就将反向排水管封死，图9 某大坝施工期反渗水喷出1根，引出到铺盖上游，引

19、出管在面则面板内的反渗水水压无法平衡。为此，以往水电站 面板坝采用分层、分序封堵，每层预留反向排水管中的板周围浇筑混凝土盖帽包围，待铺盖填至厚2m以上后，再封堵引出的反渗管，较好地解决了封堵时机不当可能造成的反渗水推动面板或破坏止水的问题。反渗管的封堵，一般安排在大坝蓄水前进行。在大坝上游铺盖料填筑之前，分层用细石混凝土进行分段进行回填密实，且要求在反渗管与面板接触面上，立模打毛浇筑约1m3的盖帽混凝土，并打上 8根以上非穿透面板插筋锚固，确保万无一失。在反渗管封堵最好选择在汛后的无雨季节，封堵后及时组织盖重料的回填，并提前组织好大坝的安全鉴定和预验收，为及早下闸蓄水创造条件，以减少蓄水前反渗

20、水对混凝土面 板带来的不安全风险。施工期一旦出现反渗水过大，面板出现 顶托时时而推动或者造成裂缝，首先可在面板 低位或者水平趾板上钻排水孔（可设排水竖井 抽排），将压力水及时地释放排出，对面板抬 动尽量自动复位，对脱空部位进行无压灌浆， 保证面板与垫层料坡面的紧密接触，对面板出现的裂缝缝宽大于0.2mm裂缝采用化学灌浆，对小于0.2mm的裂缝采用人工切槽 35cm，用橡皮锤将预缩砂浆分层夯实，表面粘贴12层玻璃丝布。7、大坝防浪墙挤压破坏大坝防浪墙挤压破坏不言而喻是 由于大坝沉降尚未不稳定，故一般均滞 后修建防浪墙。大坝运行期由于大坝填 筑高度差异，导致沉降值的差异，防浪 墙在伸缩缝处一般发生挤压破坏。防浪墙施工尽可能的安排在大坝蓄水图ii某大坝运行期防浪墙产生破坏后一段时间再施工防浪墙，以减少大坝沉降对防浪墙结构的影响。处理方法常规采用凿除伸缩缝破坏的混凝土，检查面板与防浪墙底板连接止水，以及防浪墙伸缩缝的情况， 对损坏的要及时修复安装， 立模浇灌细石混凝土，同时对防浪墙伸缩 缝破坏，采用沥青玛蹄脂进行填塞或者灌注沥青。8、渗漏图12某大坝坝肩绕渗水量大渗漏分为大坝坝体渗漏、坝 基渗漏和坝肩绕渗。大坝坝体渗漏主要发生在周 边缝、面板板间缝的止水，以及 防