严寒地区碾压混凝土重力坝的
温度裂缝及其防治
作者：马富强、梁翻娟
（中国水利水电第三工程局有限公司）
【摘要】在严寒地区采用碾压混凝土筑坝面临着严寒的气候条件和长间歇通仓浇筑的特点。如何防止或减少坝体的温度裂缝是在严寒地区修建碾压混凝土重力坝面临的严峻课题，也是近年坝工界关注、研究的新课题。通过总结已成工程经验和理论研究成果，结合白石坝采取的一套完整有效的温控、防裂措施，在分析了几种具有代表性的温度裂缝的成因的基础上，提出了相应的防裂措施。
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【关键词】 碾压混凝土重力； 温度裂缝； 防裂措施； 严寒地区； 白石坝
一、引 言
在观音阁RCD碾压混凝土重力坝建设期间，乌克兰水利工程勘测设计研究院在1993年《观音阁大坝温度应力计算研究最终报告》中首次揭示：上、下游越冬层面附近垂直拉应力σy远远超过施工缝的抗拉强度，将导致上、下游水平施工缝开裂；垂直拉应力范围深达6～8m。
1994年，中国水利水电科学研究院对观音阁坝进行了全过程仿真计算。同年，邹广歧等人撰文〔1〕，对观音阁坝越冬面水平施工缝开裂原因进行了分析，并对越冬层面附近碾压混凝土层间强度进行了论证。
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1995～1998年大连理工大学〔2〕结合白石碾压混凝土重力坝的设计和施工，分三个阶段论证了设置人工预留缝的必要性和可行性。
1998年，朱伯芳等人〔3〕首次指出，通仓浇筑的常态混凝土重力坝、碾压混凝土重力坝劈头裂缝和底孔超冷会产生环形裂缝问题。
上述研究基本揭示了严寒地区碾压混凝土重力坝各种温度裂缝的机理、特点和规律。
二、温度裂缝
工程经验和理论研究都表明，严寒地区碾压混凝土重力坝具有代表性的温度裂缝主要包括：
⑴ 上、下游坝面的劈头裂缝；
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⑵ 强约束区长间歇顶面（包括越冬面）的纵向裂缝；
⑶ 永久底孔、导流底孔四周的环形裂缝；
⑷ 溢流坝反弧段的纵向裂缝；
⑸ 越冬层面附近上、下游侧水平施工缝开裂。
在上述五种裂缝中，上、下游坝面的劈头裂缝属于横缝。这种裂缝的危害在于，既破坏了坝体的整体性，又破坏了坝体的防渗性。第⑵、⑶、⑷三种裂缝通属纵缝，其中底孔环形裂缝和反弧段裂缝位于高速水流过水断面上，很可能发展成深层或贯穿性裂缝，危害严重。第⑸种属于水平缝，其上、下游侧可分别沿着坝轴线方向贯穿于整个越冬层面，破坏坝体的防渗结构，影响坝体的整体稳定性。
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三、劈头裂缝
位于日本本州岛北部秋田县的玉川坝，坝高100ｍ，1987年建成。该坝的上、下游坝面产生了程度不同的垂直向劈头裂缝。位于辽南碧流河上在建的玉石坝，坝高50.2ｍ，其中的 6#溢流坝段长24ｍ，该坝段169.00ｍ高程以下的上、下游坝面产生了垂直向的劈头裂缝。169.00ｍ高程以上则在溢流坝段中间设置横缝，将一个坝段划分成两个坝段。
碾压混凝土重力坝产生劈头裂缝主要与横缝间距设置不当和采用通仓浇筑方式密切相关。具体原因有：
⑴ 水泥水化，促进坝体温度上升，而短间歇连续升程的通仓浇筑致使坝体温度升高，散热缓慢；
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⑵ 寒冷乃至严寒地区的冬季，气温低，持续时间长，坝体表面温度大幅度下降，内外温差在混凝土表层形成高温度梯度区，导致内部对外部的强烈约束；
⑶ 坝段横缝间距大，基础或老混凝土将对其上部的坝体混凝土产生强烈约束。
也就是说，在内外温差、基础及内部强烈约束下，坝体表面将产生较大的温度应力，以致超过处在强度增长期混凝土的抗裂能力，导致垂直向劈头裂缝的发生。
防止劈头裂缝的关键是：
⑴ 缩短横缝间距，当坝体温度降至稳定温度时，沿坝轴线方向的温度应力不足以产生横向裂缝；
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⑵ 适当加强坝面保温，这在上游坝面和顶面不难做到，下游坝面则囿于施工和碍于观瞻，只能做好当年浇筑混凝土的冬季保温；
⑶ 适当放宽坝基开挖标准，降低基础约束程度，但必须做好坝体、坝基的整体设计。
四、基础混凝土纵向裂缝
碾压混凝土筑坝一般均需浇筑1.5～2.0ｍ厚的基础垫层混凝土。其作用是：
⑴ 使其与岩基结合良好，提供足够的抗剪断指标；
⑵ 防渗、抗融蚀以确保其耐久性；
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⑶ 作为坝基固结灌浆和帷幕灌浆的混凝土盖板；
⑷ 填塘找平，作为碾压混凝土的基础。
工程经验表明：凡在入冬前浇筑的基础垫层混凝土，不论保温做得多好，甚至采取蓄水保温，基础垫层混凝土仍然会产生程度不同的裂缝。如果横缝设置得当，这些裂缝基本上为纵向裂缝。而在春季浇筑的基础垫层混凝土则基本不产生或很少产生裂缝〔4〕。
研究表明，如果垫层在低温季节浇筑，浇筑后气温逐渐上升，由水化热温升与气温升高引起的表面应力始终为压应力；如果垫层浇筑后气温逐渐下降，若无表面保温，温度裂缝几乎不可避免。
因此，就避免或减少基础混凝土裂缝而言，在严
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寒地区筑坝，最好将基础混凝土浇筑安排在春季进行。
五、底孔环形裂缝
严寒地区碾压混凝土重力坝的永久底孔和导流底孔一般高程较低，处在强约束区内。严冬季节，坝体极易产生纵向裂缝；随着裂缝的发展，贯穿底孔，便形成了环形裂缝。观音阁坝的两个永久底孔产生了5条环形裂缝；3个导流底孔产生了12条环形裂缝。底孔周边为钢筋混凝土，承受高速水流作用。底孔内环形裂缝的修补处理难度大、费用高，且系活缝，修补处理后还会再开裂。
底孔处在强约束区内，长达50～60ｍ有余。采用通仓浇筑的常态混凝土，不设纵缝，基础约束强烈，范围大。底孔系与外界连通的临空面。在长达5个多
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月的严寒季节，由于超冷而引起很高的温度应力〔4〕。这是严寒地区碾压混凝土重力底孔产生环形裂缝的根本原因。
白石坝为了防止或减少底孔的环形裂缝，采取了以下一些措施：
⑴ 在底孔坝段的基础混凝土浇筑中，预留宽槽，翌春浇筑微膨胀混凝土；
⑵ 在底孔出口与边墙交界处设置纵缝，将底板长度从54.66ｍ缩至34.59ｍ，降低基础约束；
⑶ 底孔周边采用硅粉混凝土或高强混凝土，大体积内部则采用满足强度要求的低标号混凝土，减少水泥用量，并在施工期间严格进行养生；
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⑷ 冬季停工期封堵进出口和闸门井，并对坝面加强越冬保温。
这些措施收到了良好的效果。
六、溢流坝反弧段纵向裂缝
混凝土重力坝中的溢流坝段，由于体形本身的要求，其坝底宽往往最宽；而在严寒地区采用碾压混凝土筑坝和挑流消能的溢流坝中，最严重的裂缝是沿着反弧段上游侧法向产生的纵向裂缝。它使一个完整的坝体开裂成两部分。
对于白石这座中等高度的坝，通过有限元全过程仿真计算进行的理论研究表明，由于基础的强烈约束和很高的内外温差，尽管采取比较严格的越冬保温措施，仍然会在溢流堰面反弧段偏向上游侧的表面产生
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6MPa以上的最大主拉应力〔2〕。此值已远远超过堰面高强混凝土的抗裂能力，从而导致沿着最薄弱部位反弧表面的法向产生贯穿性的纵向裂缝。
为了防止这种裂缝的产生，除了采取将基础垫层设置纵缝、降低混凝土浇筑温度、加强越冬保温等措施之外，可在堰面反弧段上游侧最大主拉应力部位设置表面纵向预留缝，避免无措施部位的开裂和进行昂贵的处理；预留缝的下端，在碾压混凝土顶面上的常态混凝土内布设水平限裂筋，上端设置止水，与坝段横缝止水相连。设置预留缝的前提是确保其自身及坝体的稳定性、防渗性及抗冲耐磨性。
七、越冬层面水平施工缝开裂
早在观音阁之前，于1987年建成的日本玉川碾压混凝土重力坝曾经连续几年发生了越冬层面水平
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施工缝的开裂。观音阁坝重蹈覆辙，引起了国内外专家学者的关注。如何防止越冬层面附近上、下游面水平施工缝的开裂是在严寒（包括寒冷）地区修建碾压混凝土重力坝面临的严峻课题，也是近年逐渐引起坝工界关注研究的新课题。在白石水库工程建设中，防止越冬层面水平施工缝的开裂的理论研究和工程实践取得了突破性的进展。
理论研究〔1，2〕和工程实践都表明，严寒地区中、高碾压混凝土重力坝越冬层面水平施工缝的开裂难以避免。
开裂的主要原因是：
⑴ 冬季停浇期长达5个月，致使上下层温差大；
⑵ 冬季气温低，坝体内外温差大；
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⑶ 采用通仓浇筑，不进行二期冷却，坝体温度高，内部约束强；
⑷ 越冬面层间强度低于混凝土本体强度。
防止越冬层面水平施工缝开裂的措施，除了采取温度控制措施、加强冬季保温外，可在越冬层面附近的上、下游侧预设诱导缝，以期达到应力释放和重分布、严格防止上游坝面无措施水平施工缝开裂的目的。
白石坝采取的预设诱导缝措施达到了预期的目的。
八、结 语
严寒地区采用碾压混凝土筑坝，必须高度重视严
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寒的气候条件和间歇式通仓浇筑的特点。这与温暖地区或常规混凝土筑坝迥然不同，使得坝体温度应力问题尤为突出。
在严寒地区修筑中、高碾压混凝土重力坝，均应在设计阶段通过全过程仿真计算进行深入的温度应力和防裂措施的研究，采取行之有效的温度控制和防裂措施。
在采取适当的温控、防裂措施仍不能满足抗裂要求的情况下，可以采取诸如设置纵缝、预设诱导缝等结构措施，避免在无措施部位开裂。其前提条件是确保自身及坝体整体的稳定性和防渗性。
在总结已成工程经验和理论研究成果的基础上，白石坝采取了一套完整有效的温控与防裂措施，可供严寒地区碾压混凝土筑坝参考借鉴。
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参考文献
［1］ 邹广歧，李贵智，王成山，杜志达.观音阁水库混凝土大坝越冬面水平施工缝的开裂原因及处理措施〔J〕.水利水电技术，1955，（8）.
［2］ 王成山，刘永林，陆殿阁，李贵智.白石水库碾压混凝土坝温度控制与防裂措施的研究与应用〔J〕.水利水电技术，1998，（9）.
［3］ 朱伯芳，许 平.通仓浇筑常态混凝土和碾压混凝土重力坝的劈头裂缝和底孔超冷问题〔J〕.水利水电技术，1998，（10）.
［4］ 贾东权，杜士斌，李光波，杨小波.北方严寒地区碾压混凝土筑坝的特点〔J〕.水利水电技术，1999，（12）.
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载：水利水电技术.
2001年第1期，P. 60-62.
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