乔民国
（甘肃省临夏州水务局，甘肃 临夏 731100）
大坝的主要功能是防洪、防凌、蓄水、供水、发电。大坝能否实现这些功能，主体结构设计至关重要。大坝主体结构常用材料是混凝土、土石，以混凝土较多。本文主要阐述大坝用混凝土。混凝土的质量和如何使用对工程建设、工程质量起着关键作用。大坝混凝土涉及各种材料和施工技术，必须推动新技术创新，提高大坝建设质量。
混凝土大坝的分类如下。
1.1 重力坝
大坝主要承受来自水的横向推力，坝体的承受力主要靠大坝的重力与坝基之间的摩擦力来实现，这类大坝称为重力坝，见图1。其优点是结构简单，易施工，耐久性好等。由于摩擦力靠重力提供，因而坝体体积较大，水泥用量大，材料强度没有更好发挥作用。以带有蓄水、排洪排沙、发电功能的水库重力坝为例（见图2），重力坝从功能角度可分为非溢流坝段和溢流坝段，后者指水位高过安全水位线后通过溢流坝流走。发电水管设计在底部，以提供稳定水流。
图1 重力坝示意图
图2 重力坝分段功能示意图
1.2 拱坝
坝体两端插入山谷，俯视为一个弧形，凹面承受水的压力，这类水坝称为拱坝，见图3。
图3 拱坝实景图
1.3 支墩坝
支墩坝结构见图4。
图4 支墩坝示意图
大坝混凝土是大坝工程的主要材料。混凝土大坝通常采用浇筑、碾压或预制装配方式建造。
2.1 混凝土大坝用材
大坝用混凝土要考虑以下因素：一是体积大，要防止开裂；
二是溢流坝段、溢洪道需考虑水流重压高速冲击作用，要用抗冲击、耐磨损混凝土。
2.1.1 水泥
水泥是大坝混凝土的重要组成部分，常用的有矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥等。
2.1.2 骨料
骨料在大坝混凝土中的用量仅次于水泥，与坝体的质量密切相关。考虑到固废利用，人工骨料的应用比例有逐渐加大的趋势。骨料有粗细之分，粗骨料粒径＞4.75mm（俗称石子，有碎石及卵石两种）。粗骨料应满足GB/T 14685－2001《建筑用卵石、碎石》的技术要求。细骨料颗粒＜4.75mm（俗称砂，有人工砂及天然砂两类），品质要求执行DL/T 5144-2015《水工混凝土施工规范》，要纯净，不应含有杂物。
2.1.3 外加剂
常用的外加剂有缓凝剂和减水剂。
1）缓凝剂加入混凝土中的目的是降低水泥或石膏水化速度和水化热、延长凝结时间。
2）减水剂加入混凝土中的目的是在维持混凝土塌落度基本不变的条件下，减少拌合用水量，对水泥颗粒也有分散作用，减少单位水泥用量。
2.2 大体积混凝土
大坝用混凝土属于大体积混凝土范畴。GB 50496-2018《大体积混凝土施工标准》对大体积混凝土的定义是尺寸大于1m的混凝土，其特点是混凝土中的胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝，裂缝会严重影响大坝的质量和使用功能。
2.2.1 大体积混凝土裂缝形式
大坝混凝土裂缝主要有3 种形式，其区分是裂缝深度[1]。
1）贯穿裂缝：裂缝贯穿整个混凝土，破坏了混凝土的整体性，进而影响稳定性，甚至导致大坝无法使用。贯穿裂缝不是一下形成的，往往是由表面裂缝向纵深发展而成。
2）深层裂缝：裂缝较深，没有贯穿，混凝土还是一个整体，但有可能发展为贯穿裂缝。
3）表面裂缝：集中在表面，危害较小。
2.2.2 大体积混凝土裂缝成因
1）水泥水化热
大坝混凝土浇筑对水泥而言是一个水化过程，会释放一定的热量，由于混凝土表面系数相对较小，体积过于庞大，导致内部大量的水化热量聚集不能散失，内外产生大温差，形成开裂。这种情况往往发生在混凝土浇筑后最初的3～5天。
2）环境温度
如果外界环境温度较低，会进一步加大里外温差。混凝土内部水化热温度60℃-65℃，时间延续较长，温度应力随之产生。
3）混凝土收缩
混凝土中80%水分要蒸发，混凝土体积会收缩。体积的变化将导致应力变化，进而产生裂缝。
2.2.3 大体积混凝土升降温速率
大体积混凝土的温度变化开始是升温，到达最高点后转而降温，升温速率高过降温速率（见图5）。大体积混凝土的升温最高点与配合比、尺寸及现场条件等因素有关，一般情况下3-4天可达到峰值。从图5可见，大体积混凝土内部与表层升温曲线不一样，升温时要控制温度差，否则易造成表面开裂，降温速度过快也会造成贯穿性缩缝，也要防范。温度差值见图6。
图5 底板混凝土内部与表面温度曲线
图7 底板混凝土内部与表面温度差值曲线
虽然大体积混凝土的定义是大于1m，但并不绝对，有些情况下，尺寸虽大，但混凝土配制时充分考虑了水泥品种、强度等级及每立方水泥用量等，里外温度差不大，并没有开裂现象发生。经验总结，混凝土温升值与环境温度差值小于25℃，所产生的温度应力小于混凝土的抗拉强度，不会开裂；
当差值高于25℃，所产生的温度应力大于混凝土的抗拉强度，会发生开裂。
2.2.4 设计环节
1）摒弃设计强度越高越好的错误理念，坚持够用就好的原则，大体积混凝土一般选择范围为C20-C35，再考虑利用后期强度R60，水泥用量下降，混凝土温升得以控制，进而避免开裂现象发生。
2）混凝土施工配合比优选试验，不仅是为满足混凝土设计强度、耐久性、抗渗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 材料环节
1）水泥用量：在满足要求的前提下，尽可能控制水泥用量，可降低水化热。水泥用量是混凝土收缩率的重要影响因素，推荐水泥使用量低于380kg/m3。
2）采用连续级配，石子：5-40mm；
砂子：中、粗。
3）掺合料、外加剂要进行试验论证，以确定适合的使用量。
2.2.6 施工环节
1）按国家规范施工。
2）高温、寒冷季节施工要采取多种措施，确保温差不要过大。
2.2.7 控温检测环节
1）建立健全管理保障体系，配备相应的技术人员、检验试验设备。
2）进行有效监测，例如混凝土升温、内外温差、降温速率、环境温度等，测试每昼夜不少于2次；
3）混凝土入仓温度、塌落度要安排专业人员检测，保留好试件。对于外观质量要及时检测，对出现的问题及时处理。采用无损探检或钻孔取芯、压水试验等对可疑处进行检查。
本文简要介绍了水库大坝的分类，重点对常见混凝土大坝、混凝土主材、大体积混凝土进行了阐述。大体积混凝土常见的一些通病，避免的办法是以防为主。从机理上讲是采用温度控制技术，具体需落实到多个环节，包括混凝土结构的设计、选材、配合比优化、温度和温度应力监测等。
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