抽水蓄能电站面板堆石坝面板裂缝成因及防裂措施研究
时间：2023-02-08 19:35:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
徐志丹，谭建军，陈光耀
（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳，550081）
在“碳中和”目标背景下，储能技术被视为解决新能源波动性问题的重要手段之一。目前水电行业正在从“电源供应者”逐步向“电源供应者+电池调节者”转变[1]，而抽水蓄能电站是这次角色转变的关键驱动力。抽水蓄能电站作为目前经济、清洁的大规模储能方式，具有启停灵活、反应迅速、调峰填谷、调频调相、紧急事故备用及黑启动[2]等多种特点和功能，是电力系统中较为可靠、经济、寿命周期长、技术成熟的储能技术。抽水蓄能电站可有效提升电力系统的综合效益，为实现“碳中和”目标打下坚实的基础。
为降低建设成本，充分利用现有资源，抽水蓄能电站的开发与建设通常采用已有大坝作为下水库挡水建筑物，新建大坝作为上水库挡水建筑物。在上水库挡水建筑物的选型与建设中，混凝土面板堆石坝因具有安全性高、造价低、实用性强、施工方便、抗震能力强等优点，被大量选用。然而，由于抽水蓄能电站运行的特殊性，水位变化频繁，导致混凝土面板在电站运行过程中承受的水压力、温度等外部条件不断变化，最终引起混凝土面板开裂[3]。面板裂缝的存在严重影响坝体的整体性、耐久性及结构安全。因此，对混凝土面板裂缝的成因进行分析，并提出相应的处理与预防措施，是抽水蓄能电站安全运行、稳定发电的关键。
抽水蓄能电站与一般水电站的运行方式不同，由于水位变化的特殊性，导致其混凝土面板裂缝的成因、类型也与一般水电站不同[4]。在查阅文献的基础上，结合现场实地调研，对北京十三陵抽水蓄能电站、江苏宜兴抽水蓄能电站、吉林蒲石河抽水蓄能电站、山东泰安抽水蓄能电站和山西西龙池抽水蓄能电站等典型抽水蓄能电站存在的面板裂缝进行了统计分析，得到了抽水蓄能电站混凝土面板开裂的主要类型和成因。
此次现场调研共发现2 825 条裂缝，十三陵抽水蓄能电站最多，共1 636 条，宜兴抽水蓄能电站282 条，蒲石河抽水蓄能电站195 条，泰安抽水蓄能电站143 条，西龙池抽水蓄能电站569条。其中，5%为结构性裂缝，其余为非结构性裂缝。
1.1 结构性裂缝
本次调研结果中，混凝土面板结构性裂缝较少，共142 条。其中，贯穿性裂缝只有1 条，位于泰安抽水蓄能电站混凝土面板中部，裂缝宽0.15～0.2 mm、长0.3～12 m。一般来说，造成面板结构性裂缝的原因有坝体沉降、库水压力及面板与垫层约束等[5]。而对于抽水蓄能电站，其运行期间水位通常会发生大幅变化，导致混凝土面板受到的水压力也不断变化，受力环境的多变性加大了混凝土面板开裂的可能。另外，寒冷地区的电站在冬季运行时，坝体上游面的水会因低温而结冰，贴附在混凝土面板上，贴附的冰块会随着库水位的变化而上升或下降，进而对面板表面产生一种“拖曳力”[6]，最终造成面板表面混凝土的破损。这种由于外力作用，在面板表面呈竖向、有规律性的裂缝是抽水蓄能电站混凝土面板结构性裂缝的主要表现形式。
1.2 非结构性裂缝
面板堆石坝的混凝土面板厚度较薄，但面积较大，这一特征使混凝土面板极易受到外界环境温度与湿度变化的影响。尤其是在混凝土面板浇筑施工时，面板混凝土在硬化过程中会释放大量热，引起面板表层温度急剧上升，使新浇混凝土表面水分迅速蒸发，干燥过快导致混凝土开裂[7]。这是施工后混凝土面板就存在非结构性裂缝的根本原因。
运行期间，抽水蓄能电站水位经常发生变化，导致面板温度的变化更为剧烈，提高了面板混凝土开裂的概率。特别是山区的电站，昼夜温差较大，在抽水蓄能和排水发电不断交替的工况下，面板表层温度也不断变化，使面板混凝土极易产生裂缝。此次调研发现，混凝土面板非结构性裂缝较多，共2 683条，占裂缝总数的95%，为抽水蓄能电站混凝土面板开裂的主要形式。根据非结构性裂缝产生的原因，主要将其分为以下两类：
（1）塑性收缩裂缝。由于混凝土面板表面水分蒸发速度过快，超过了混凝土拌和物沁水上升至混凝土面板表面的速度，从而引起混凝土的塑性收缩裂缝。在面板混凝土施工期间环境温度过高、空气湿度相对较小或风速过大时，容易产生塑性收缩裂缝[8]。这类裂缝深度较浅，一般呈水纹状，对坝体安全影响较小。
（2）温度收缩裂缝。面板混凝土浇筑时，由于水泥水化热的作用，混凝土内部会产生大量热，形成面板内外温差。如果温差过大，在温度应力的作用下，会使面板内外结构发生变形，进而产生温度收缩裂缝。这类裂缝是在抽水蓄能电站施工过程中最为常见的裂缝。
塑性收缩裂缝与温度收缩裂缝是此次调研中电站混凝土面板非结构性裂缝的主要表现形式，也是抽水蓄能电站混凝土面板开裂的主要原因。但是，不同电站由于周围环境的不同，以及施工工艺的差别，产生裂缝的类型和原因也不尽相同。例如，十三陵水电站缝宽≥0.2 mm 的裂缝共844条，且横向裂缝居多，长度为3 675.9 m，占其裂缝总长的57.0%，远大于其他几个电站的横向裂缝长度。这主要是因为十三陵电站地处严寒、大风的北方地区[9]，部分面板长期暴露于冷空气中，冬季时面板混凝土每天将遭受1～2 个冻融循环，尤其是在高程556～566 m 的水位变化区[10]，冻融循环的影响更加明显，最终造成了面板混凝土大范围开裂。
2.1 裂缝的处理措施
通过查阅资料与调研分析结合的方式，统计了抽水蓄能电站混凝土面板裂缝的常用处理措施，根据缝宽大小分为两类。
2.1.1 缝宽＞0.2 mm的裂缝
首先对裂缝处进行化学灌浆处理，灌浆材料一般采用水溶性聚氨酯，灌浆料应充满裂缝所有孔隙。灌浆后，对裂缝表面进行打磨清洗，在表面涂刮聚脲涂层，并粘贴胎基布，见图1。以本次调研电站采取的处理措施为例，将缝宽＞0.2 mm的裂缝处理工艺简述如下：
图1 混凝土裂缝（宽度＞0.2 mm）处理Fig.1 Treatment of concrete cracks(width＞0.2 mm)
（1）沿裂缝两侧，与缝成45°角用电钻打斜孔与缝面相交，孔距控制在0.2～0.4 m，孔深0.2 m以上。
（2）清洗灌浆孔，埋设灌浆嘴。如果灌浆嘴与缝不连通，则需重新钻孔，直至灌浆嘴与缝连通。
（3）为保证有效封堵漏水通道，现场灌浆建议采用灌浆压力0.6 MPa以上的高压灌浆工艺。当缝面出浆液或不再渗水，即可停止灌浆。
（4）待灌浆材料有一定强度后，拔除灌浆嘴，由此造成的孔洞用高强砂浆进行封闭处理。
（5）用角磨机沿缝面进行打磨处理，处理范围根据现场情况而定，通常宽0.3 m，并用高压水枪或空压机将打磨面清洗干净。
（6）沿裂缝两侧涂刷30 cm宽的界面剂。
（7）待界面剂风干后，涂刷第1遍聚脲，然后粘贴0.1 m宽的胎基布；
待第1遍聚脲风干后，再涂刷聚脲2～4遍。其中，聚脲可采用SK手刮聚脲，涂刷宽度为25 cm，厚度控制在2～3 mm。
2.1.2 缝宽≤0.2 mm的裂缝
对于缝宽≤0.2 mm 的裂缝，可省掉灌浆工序，直接对裂缝表面进行打磨清洗，然后依次涂刷界面剂与聚脲，并粘贴胎基布，最后再次涂刷聚脲涂层即可。
2.2 裂缝的预防措施
针对本次调研电站混凝土面板裂缝产生的主要原因与表现形式，采取有效措施防止裂缝的产生，控制裂缝数量，对抽水蓄能电站安全、稳定运行有着重要意义。
2.2.1 结构性裂缝
混凝土面板结构性裂缝的产生一方面是由于坝体的不均匀沉降，造成混凝土面板与坝体脱空，使面板刚度无法承受坝体沉降变形产生的外拉力，进而导致混凝土面板出现细小裂缝，随着时间的推移，裂缝逐渐扩大，最终形成贯穿性裂缝；
另一方面，由于抽水蓄能电站特殊的运行特性，以及严寒地区上游水结冰对面板形成的“拖拽力”，最终引起混凝土面板开裂。因此，对于结构性裂缝的处理，应以预防为主，治理为辅。主要预防措施如下：
（1）合理分缝，科学配筋。在混凝土面板设计过程中，首先需确定主要的受拉、受压区域，对受拉区域设置张性缝，受压区域设置压性缝，合理设置分缝距离，并选用变形程度较高的填料对缝隙进行填充，从而避免混凝土面板由于受压出现“升翘”现象[11]。针对受拉较大的区域，应科学合理地布设钢筋，提高面板抗拉强度，提升面板整体刚度。
（2）预留坝体沉降期。面板施工前，为避免坝体的不均匀沉降引起混凝土面板开裂，可为坝体预留3个月左右的沉降期，让坝体在面板混凝土浇筑前进行充分沉降。这样可以有效避免混凝土面板与坝体的脱空情况，降低面板裂缝出现的概率。
2.2.2 非结构性裂缝
非结构性裂缝的预防主要从混凝土配合比优化与施工质量控制两个方面进行分析说明：
（1）混凝土配合比优化。优化面板混凝土原材料及配合比，可以提高混凝土抗裂性能，减小垫层约束作用力，以控制非结构性裂缝的产生。混凝土原材料主要有水泥、粉煤灰、减水剂、膨胀剂、砂石骨料和纤维等。第一，可选用水化热低、干燥收缩小、后期强度高的水泥；
第二，可通过掺加细颗粒的活性掺和料，降低混凝土的温升作用，减少界面过渡区的内泌水和孔隙，提升水泥和骨料的黏结能力，提高混凝土的抗拉强度[12]；
第三，采用中强度、低弹模、低线膨胀系数的骨料，降低混凝土的弹模和热变形；
第四，掺加一定量的人工合成纤维，不仅可以有效防止混凝土的早期裂缝，还可以提高混凝土的强度和抗弯韧性，有利于防止运行期面板开裂；
第五，掺入膨胀剂，使混凝土在硬化过程中产生微膨胀，在一定程度上补偿混凝土的体积收缩，防止收缩裂缝的产生；
第六，选用高性能减水剂，达到减少水泥用量，推迟水化热峰值出现时间及降低水化热峰值大小的目的。
（2）施工质量控制。第一，选择在一天中气温相对较低且稳定的时刻进行面板混凝土的浇筑，避免在夏季午间高温、大雨或大风条件下浇筑，减少外界环境对混凝土施工的影响；
第二，浇筑时应采取适当的温控措施，高温时可加冷水、冰水进行拌和，或对骨料进行预冷降温措施，低温时可加温水拌和，或对骨料进行预加温措施，以保证混凝土出机温度满足设计与规范标准要求；
第三，现场振捣应采取快插慢拔的方式，并正确掌握振捣时间，避免过振或漏振；
第四，脱模后应及时对混凝土进行二次抹面处理，减少表面裂缝的产生[13]。
通过查阅文献资料与现场调研相结合的技术路线，对抽水蓄能电站面板堆石坝面板裂缝的成因及防裂措施进行了分析研究，结论与建议如下：
（1）抽水蓄能电站混凝土面板裂缝的主要表现形式分为结构性裂缝和非结构性裂缝。其中，以温度变化引起的非结构性裂缝为主，这是由抽水蓄能电站的运行特点决定的。
（2）抽水蓄能电站混凝土面板裂缝的预防措施应以面板结构设计优化为基础，以混凝土原材料选择、配合比优化为核心，并严格遵守施工过程中的质量控制措施，防止混凝土面板裂缝的产生。
（3）为了更全面、科学地研究抽水蓄能电站混凝土面板开裂机理，提出针对性的防治措施，后期研究应注重面板混凝土的模拟试验研究、微观结构研究及抗裂能力的数值分析研究。■
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