高寒地帶碾壓混凝土重力壩應力分析及防裂措施

張 波

（中國水利水電建設集團公司十五工程局科研設計院，712100，咸陽）

一、工程概況

新疆某地處高緯度、嚴寒干燥地區(qū)的大（1）型水庫，是具有供水、發(fā)電和防洪功能的水利樞紐工程。該工程壩址處氣候條件惡劣，冬季寒冷且歷時較長，夏季炎熱、干燥，平日多風，極端最低氣溫-40℃以下，極端最高氣溫為40℃以上，多年平均氣溫2.7℃，晝夜變化劇烈。多年平均相對濕度60%，最大凍土深175 cm。“冷、熱、風、干”是制約該工程溫度控制的主要環(huán)境因素。

二、壩體混凝土應力

該水利樞紐高碾壓混凝土（RCC）重力壩裂縫問題的產生主要是晝夜溫差大且氣溫年較差大。高寒、高溫差的環(huán)境，易引發(fā)RCC溫度裂縫。

1.壩體內外溫差應力

該水利樞紐工程有效施工期只有6個月 （4月中旬至10月中旬）。施工期裂縫產生規(guī)律：4—6月氣溫逐步回升，RCC內外溫差逐步縮小，一般裂縫不會在此時間段發(fā)生；7—8月外界氣溫相對較高，混凝土內外溫差不大；9—10月外界氣溫變化頻繁、變幅較大、氣溫低，而RCC內部溫度仍然很高，過大的溫度梯度產生的溫差應力是導致開裂的主要因素。

根據溫控仿真計算成果和壩體混凝土特性，參考有關規(guī)范及資料，確定該工程壩體混凝土允許最高溫度，見表 1。

表1 壩體設計允許最高溫度

2.基礎約束應力

該工程于2006年10月至2007年4月進行基礎開挖，開挖后的巖石經歷了一個冬季，2007年4—6月進行蓋重區(qū)混凝土澆筑時，巖石與混凝土溫差較大，基礎約束應力大，對抗裂很不利。根據溫控仿真計算成果和壩體混凝土特性，參考有關規(guī)范及資料，確定了該大壩基礎允許溫差，見表2。

3.干縮應力

混凝土施工過程中為保證必要的和易性，混凝土用水量遠遠大于水泥水化熱所需要的水分，由此混凝土中留有大量的游離水，這部分水分蒸發(fā)后混凝土中留下許多孔隙，混凝土將產生體積收縮。另外，水泥品種、混凝土配合比、骨料、外加劑、環(huán)境溫濕度等都與混凝土的干縮變形有關。

混凝土干縮變形隨環(huán)境相對濕度的增加而減少，直至相對濕度達100%時表現為濕脹。

混凝土表面采用覆蓋，可有效減小混凝土濕度梯度，從而降低干縮應力，干縮變形相應也變小。

三、防裂措施

該工程采取降低混凝土溫度、加強監(jiān)測并通水冷卻以及優(yōu)化混凝土配合比等抗裂措施，有效地減少了混凝土裂縫。

1.控制混凝土溫度

從混凝土攪拌前到混凝土入倉碾壓后的溫度控制措施主要有：

（1）降低骨料溫度，采用制冷水拌和

首先，砂石成品料堆在使用前盡量增加其堆存高度，一般高度不低于6 m,并從料堆底部取料。在運輸砂石的皮帶機上搭設涼棚，以防太陽直曬。高溫季節(jié)白天陽光照射時,在料堆頂上鋪設自動噴頭，一方面降低骨料溫度，另一方面可以充分濕潤骨料，有利于碾壓混凝土VC值的控制。其次，采用中轉料倉一次風冷和拌和樓二次風冷。再次，使用制冷水拌和混凝土，保證混凝土出機口溫度小于16℃。

（2）運輸過程中安裝遮陽篷布

混凝土在運輸和入倉前往往要等待一定的時間，混凝土溫度倒灌嚴重，在運輸汽車上安裝遮陽篷布可以防止陽光直射、溫度倒灌，有效控制混凝土入倉溫度。

（3）加快攤鋪和碾壓速度，并輔以帆布覆蓋

碾壓混凝土入倉后能否快速攤鋪和碾壓，對碾壓混凝土澆筑溫度影響甚大。夏季施工時在環(huán)境溫度和出機口溫度基本一樣的情況下，通過試驗，找出混凝土升溫與歷時的關系，為施工提供參考。

（4）碾壓混凝土倉內噴淋保濕、降溫

施工現場購置兩臺公稱流量70 L/min的噴霧沖毛機，經現場噴霧前后對比，可以降低倉內氣溫5℃～8℃，有效地改善倉內小環(huán)境，防止溫度倒灌和減少VC值的損失。另外，針對當地的氣候環(huán)境條件，盡量避開白天中午陽光直射時段施工，利用早晚和夜間低溫時段開倉澆筑混凝土。如果連續(xù)澆筑經過白天時，可提高混凝土入倉強度，做到隨攤鋪隨碾壓隨用保溫被覆蓋。

2.加強監(jiān)測，通水冷卻

現場配置一臺KF216螺桿氟壓縮機，其標準制冷量為每小時可輸出60m3冷水的制冷機組。由水泵將制冷水供給冷卻水管進入壩體混凝土，經壩內循環(huán)后又重新進入制冷機組，形成一個閉合水循環(huán)系統(tǒng)，有利于冷卻水的重復利用。

混凝土澆筑完成后12 h開始通水，全天專人負責監(jiān)測，通水流量為20～25 L/min，每 12 h變換一次通水方向。壩體通水分為一期通水和二期通水。一期通水根據不同部位和月份分別通河水或10℃～12℃制冷水，一期通水冷卻時間不少于20d。當一期通水降溫不能滿足低溫季節(jié)壩體內外溫差要求時，就進行二期通水降溫，根據當地氣候特點，該工程二期通水時間定為10月份，針對當年4—9月澆筑的混凝土，通水時間20～30d。為防止水管冷卻時水溫與混凝土澆筑塊溫度相差過大和冷卻速度過快而產生裂縫，初期通水冷卻溫差按15℃～18℃控制，后期水管冷卻溫差為20℃～22℃，混凝土日降溫不超過1℃。

表2 基礎允許溫差標準

表3 配合比優(yōu)化方案及考察因素

表4 水泥的物理性能

3.優(yōu)化配合比

該工程RCC重力壩的抗裂問題的特殊性在于晝夜溫差大且氣溫年較差大。在施工期，這會帶來25℃～60℃的壩體內外溫差。通過對已采取的不同降溫措施（外部保溫、降低澆筑溫度、通冷卻水）進行效率分析，認為要保證大壩內外溫差小于25℃，進一步降低混凝土絕熱溫升是必不可少的措施。結合前期現場配合比試驗數據，本次配合比優(yōu)化從表3中所列的3個方面進行優(yōu)化，以降低混凝土絕熱溫升。

本文就降低水泥比表面積進行如下分析論證：

將天山水泥廠專門生產的兩種細度的P.I 42.5水泥 （比表面積分別為 304m2/kg、336m2/kg）， 與工程上采用的比表面積為398 m2/kg的典型細度P.O 42.5水泥進行對比。

上述3種水泥的物理性能試驗結果詳見表4，化學和礦物組分分析結果見表5。其中2種P.I 42.5水泥（編號C-37、C-36）為天山水泥廠專門少量試生產，其試產量均小于500 kg；1種取樣自工程上實際所用的天山P.O 42.5 水泥（編號 C 355）。

由表5可知，該批試產粗水泥的C3S含量偏低、C2S含量偏高，且2種粗水泥的礦物成分含量稍有差異——比表面積較小的C-37水泥的C3S含量高于比表面積較大的C-36水泥，即2種粗水泥的細度和礦物成分對其水化熱、強度發(fā)展的影響各有利弊。

水泥水化熱是影響混凝土絕熱溫升的最關鍵因素之一。按照 《水泥水化熱測定方法 （溶解熱法）》（GB/T 12959—1991）， 測試了 3種水泥并模擬大壩內部三級配混凝土的膠凝材料體系，測試結果見表6、表7。

與較細的C 355普硅水泥相比，粗P.I 42.5水泥的水化熱明顯降低。C-37 水泥的 3 d、7 d、14 d、28 d、90 d水化熱分別降低 12%、7%、16%、14%、13%，C-36 水泥的 3 d、7 d、14 d、28 d、90 d水化熱分別降低11%、1%、10%、9%、10%。

表5 水泥的化學和礦物成分 （%）

表6 水泥的水化熱

表7 模擬大壩內部混凝土實際膠凝材料體系的水化熱

雖然C-37與C-36比表面積小了32m2/kg，但水泥的礦物成分也是影響水化熱的主要因素之一，由于C-37的C3S含量高于C-36，因此兩者的水化熱差值沒有預期的那么明顯。

由表6、表7可知，與純水泥體系相比，在模擬膠凝材料體系中，水泥細度對水化熱的影響明顯較大。2種細度 P.I 42.5 水泥的 3 d 、7 d、14 d、28 d、90 d 水化熱差異分別為 2、6、6、5、3個百分點，而分別采用這2種細度水泥的模擬膠凝材料體系的3 d、7d、14d、28d、90d 水化熱差異分別為9、11、22、29、2 個百分點。原因可能是在模擬實際膠凝材料的體系中，摻入大量粉煤灰后，粉煤灰對水泥產生了“稀釋”作用，改善了水泥的水化環(huán)境，突顯了水泥細度對水化熱的影響。

2008年開始使用比表面積為310±10 m2/kg的特供水泥后，既滿足設計要求的強度和耐久性要求，同時有效地改善了水化熱集中帶來的混凝土裂縫問題，裂縫明顯減少，效果顯著。

四、結 語

綜上所述，混凝土裂縫問題是一個多種因素共同作用下的產物，分析其產生的原因，采取有效的技術措施，可減少或避免裂縫的出現。2009年取出16.46 m長的混凝土芯樣，芯樣室內物理性能試驗均滿足設計等級要求。

[1]丁凱,曹征齊.水利水電工程質量檢測人員從業(yè)資格考核培訓系列教材（混凝土工程類）[M].鄭州：黃河水利出版社，2008.

[2]新疆水利水電勘測設計院.混凝土工程溫控技術要求[S].2007.