淺談水庫大壩及主材的研究應用

喬民國

（甘肅省臨夏州水務局，甘肅 臨夏 731100）

大壩的主要功能是防洪、防凌、蓄水、供水、發電。大壩能否實現這些功能，主體結構設計至關重要。大壩主體結構常用材料是混凝土、土石，以混凝土較多。本文主要闡述大壩用混凝土?；炷恋馁|量和如何使用對工程建設、工程質量起著關鍵作用。大壩混凝土涉及各種材料和施工技術，必須推動新技術創新，提高大壩建設質量。

1 混凝土大壩

混凝土大壩的分類如下。

1.1 重力壩

大壩主要承受來自水的橫向推力，壩體的承受力主要靠大壩的重力與壩基之間的摩擦力來實現，這類大壩稱為重力壩，見圖1。其優點是結構簡單，易施工，耐久性好等。由于摩擦力靠重力提供，因而壩體體積較大，水泥用量大，材料強度沒有更好發揮作用。以帶有蓄水、排洪排沙、發電功能的水庫重力壩為例（見圖2），重力壩從功能角度可分為非溢流壩段和溢流壩段，后者指水位高過安全水位線后通過溢流壩流走。發電水管設計在底部，以提供穩定水流。

圖1 重力壩示意圖

圖2 重力壩分段功能示意圖

1.2 拱壩

壩體兩端插入山谷，俯視為一個弧形，凹面承受水的壓力，這類水壩稱為拱壩，見圖3。

圖3 拱壩實景圖

1.3 支墩壩

支墩壩結構見圖4。

圖4 支墩壩示意圖

2 大壩用混凝土

大壩混凝土是大壩工程的主要材料?；炷链髩瓮ǔ２捎脻仓?、碾壓或預制裝配方式建造。

2.1 混凝土大壩用材

大壩用混凝土要考慮以下因素：一是體積大，要防止開裂；二是溢流壩段、溢洪道需考慮水流重壓高速沖擊作用，要用抗沖擊、耐磨損混凝土。

2.1.1 水泥

水泥是大壩混凝土的重要組成部分，常用的有礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥等。

2.1.2 骨料

骨料在大壩混凝土中的用量僅次于水泥，與壩體的質量密切相關?？紤]到固廢利用，人工骨料的應用比例有逐漸加大的趨勢。骨料有粗細之分，粗骨料粒徑＞4.75mm（俗稱石子，有碎石及卵石兩種）。粗骨料應滿足GB/T 14685－2001《建筑用卵石、碎石》的技術要求。細骨料顆粒＜4.75mm（俗稱砂，有人工砂及天然砂兩類），品質要求執行DL/T 5144-2015《水工混凝土施工規范》，要純凈，不應含有雜物。

2.1.3 外加劑

常用的外加劑有緩凝劑和減水劑。

1）緩凝劑加入混凝土中的目的是降低水泥或石膏水化速度和水化熱、延長凝結時間。

2）減水劑加入混凝土中的目的是在維持混凝土塌落度基本不變的條件下，減少拌合用水量，對水泥顆粒也有分散作用，減少單位水泥用量。

2.2 大體積混凝土

大壩用混凝土屬于大體積混凝土范疇。GB 50496-2018《大體積混凝土施工標準》對大體積混凝土的定義是尺寸大于1m的混凝土，其特點是混凝土中的膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫，裂縫會嚴重影響大壩的質量和使用功能。

2.2.1 大體積混凝土裂縫形式

大壩混凝土裂縫主要有3 種形式，其區分是裂縫深度[1]。

1）貫穿裂縫：裂縫貫穿整個混凝土，破壞了混凝土的整體性，進而影響穩定性，甚至導致大壩無法使用。貫穿裂縫不是一下形成的，往往是由表面裂縫向縱深發展而成。

2）深層裂縫：裂縫較深，沒有貫穿，混凝土還是一個整體，但有可能發展為貫穿裂縫。

3）表面裂縫：集中在表面，危害較小。

2.2.2 大體積混凝土裂縫成因

1）水泥水化熱

大壩混凝土澆筑對水泥而言是一個水化過程，會釋放一定的熱量，由于混凝土表面系數相對較小，體積過于龐大，導致內部大量的水化熱量聚集不能散失，內外產生大溫差，形成開裂。這種情況往往發生在混凝土澆筑后最初的3～5天。

2）環境溫度

如果外界環境溫度較低，會進一步加大里外溫差?；炷羶炔克療釡囟?0℃-65℃，時間延續較長，溫度應力隨之產生。

3）混凝土收縮

混凝土中80%水分要蒸發，混凝土體積會收縮。體積的變化將導致應力變化，進而產生裂縫。

2.2.3 大體積混凝土升降溫速率

大體積混凝土的溫度變化開始是升溫，到達最高點后轉而降溫，升溫速率高過降溫速率（見圖5）。大體積混凝土的升溫最高點與配合比、尺寸及現場條件等因素有關，一般情況下3-4天可達到峰值。從圖5可見，大體積混凝土內部與表層升溫曲線不一樣，升溫時要控制溫度差，否則易造成表面開裂，降溫速度過快也會造成貫穿性縮縫，也要防范。溫度差值見圖6。

圖5 底板混凝土內部與表面溫度曲線

圖7 底板混凝土內部與表面溫度差值曲線

雖然大體積混凝土的定義是大于1m，但并不絕對，有些情況下，尺寸雖大，但混凝土配制時充分考慮了水泥品種、強度等級及每立方水泥用量等，里外溫度差不大，并沒有開裂現象發生。經驗總結，混凝土溫升值與環境溫度差值小于25℃，所產生的溫度應力小于混凝土的抗拉強度，不會開裂；當差值高于25℃，所產生的溫度應力大于混凝土的抗拉強度，會發生開裂。

2.2.4 設計環節

1）摒棄設計強度越高越好的錯誤理念，堅持夠用就好的原則，大體積混凝土一般選擇范圍為C20-C35，再考慮利用后期強度R60，水泥用量下降，混凝土溫升得以控制，進而避免開裂現象發生。

2）混凝土施工配合比優選試驗，不僅是為滿足混凝土設計強度、耐久性、抗滲性等要求和施工和易性需要，也可合理降低水泥用量。

2.2.5 材料環節

1）水泥用量：在滿足要求的前提下，盡可能控制水泥用量，可降低水化熱。水泥用量是混凝土收縮率的重要影響因素，推薦水泥使用量低于380kg/m3。

2）采用連續級配，石子：5-40mm；砂子：中、粗。

3）摻合料、外加劑要進行試驗論證，以確定適合的使用量。

2.2.6 施工環節

1）按國家規范施工。

2）高溫、寒冷季節施工要采取多種措施，確保溫差不要過大。

2.2.7 控溫檢測環節

1）建立健全管理保障體系，配備相應的技術人員、檢驗試驗設備。

2）進行有效監測，例如混凝土升溫、內外溫差、降溫速率、環境溫度等，測試每晝夜不少于2次；

3）混凝土入倉溫度、塌落度要安排專業人員檢測，保留好試件。對于外觀質量要及時檢測，對出現的問題及時處理。采用無損探檢或鉆孔取芯、壓水試驗等對可疑處進行檢查。

3 結語

本文簡要介紹了水庫大壩的分類，重點對常見混凝土大壩、混凝土主材、大體積混凝土進行了闡述。大體積混凝土常見的一些通病，避免的辦法是以防為主。從機理上講是采用溫度控制技術，具體需落實到多個環節，包括混凝土結構的設計、選材、配合比優化、溫度和溫度應力監測等。