小灣水電站混凝土拱壩溫度裂縫分析

王淑平 段秀華

(1.太原理工天成電子信息技術(shù)有限公司，山西太原 030006; 2.太原市市政工程設(shè)計研究院，山西太原 030002)

0 引言

混凝土是一種由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而形成的非均質(zhì)脆性材料。由于混凝土施工和本身變形、約束等一系列問題，硬化成型的混凝土中存在著眾多的微孔隙、氣穴和微裂縫。微裂縫通常是一種無害裂縫，但是在混凝土受到荷載、溫差等作用之后，微裂縫就會不斷的擴展和連通，最終形成我們?nèi)庋劭梢姷暮暧^裂縫，也就是混凝土工程中常說的裂縫。

對混凝土拱壩而言，溫度荷載更是主要的荷載之一。最常見的是溫差引起的裂縫，溫度裂縫多發(fā)生在大體積混凝土表面或溫差變化較大地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)中。主要影響因素是水泥水化熱引起的混凝土內(nèi)部和混凝土表面的溫差過大。世界各國因溫度裂縫的發(fā)生而導(dǎo)致拱壩失事和破壞的事例并不少見，大壩裂縫的發(fā)生和發(fā)展，不僅使大壩的安全穩(wěn)定性受到影響，還增加了額外的處理投入，基于以上認識，本文參照有關(guān)大壩混凝土防裂理論，結(jié)合工程實際，提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 拱壩裂縫與控制

1.1 拱壩裂縫

理論和實踐都已表明[1-3]，溫度應(yīng)力是混凝土拱壩產(chǎn)生裂縫的主要原因。因此研究溫度應(yīng)力與混凝土拱壩裂縫產(chǎn)生之間的內(nèi)在聯(lián)系、影響因素、溫度應(yīng)力的控制措施，從而消除和控制混凝土拱壩裂縫，這是混凝土拱壩筑壩技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，也是保證拱壩安全的必要手段。

1.2 工程概況

小灣水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，電站裝機容量為4 200 MW，壩高297 m，建成后為目前世界上最高的拱壩。壩頂高程1 245 m，壩頂弧長892.79 m，拱冠梁頂寬12 m，底寬72.91 m，采用通倉澆筑，基礎(chǔ)約束強，因此基礎(chǔ)溫差控制嚴格，為目前拱壩規(guī)范中最嚴格的標準。

另外壩址地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，施工場地狹窄，拱壩混凝土澆筑規(guī)模大、強度高，且對質(zhì)量、溫控和外觀有很高的要求。

由于小灣地區(qū)高溫季節(jié)長，晝夜溫差比較大，且大壩混凝土標號高，因此對混凝土溫控防裂技術(shù)有很高的要求。嚴格控制混凝土的出機溫度、入倉溫度、澆筑溫度，加強混凝土一、二期冷卻及養(yǎng)護工作，將混凝土內(nèi)部最高溫度控制在允許范圍之內(nèi)，達到控制混凝土基礎(chǔ)溫差、上、下層溫差和內(nèi)外溫差的目標，從而控制混凝土溫度應(yīng)力，防止產(chǎn)生裂縫。

2 施工中的溫度應(yīng)力與控制

2.1 溫度應(yīng)力的計算

混凝土拱壩施工過程中，與溫度應(yīng)力有關(guān)的三個特征值是:澆筑溫度Tp，混凝土的水化熱溫升Tr，最終穩(wěn)定溫度Tf。施工中混凝土最高溫度為Tp+Tr，并且拱壩內(nèi)溫差沿高度分布是不均勻的，也就是溫度應(yīng)力是與澆筑塊長度有關(guān)。

此外，由于混凝土并不是理想彈性體，在常應(yīng)力作用下，隨著時間的延長，應(yīng)變不斷增加，即計算溫度應(yīng)力時還應(yīng)考慮混凝土徐變影響;而在應(yīng)變保持不變時，混凝土中應(yīng)力將隨時間延長而衰減，即還應(yīng)將混凝土的應(yīng)力松弛因素也計入溫度應(yīng)力。

在考慮這些諸多因素后，文獻[1]建議基礎(chǔ)澆筑塊的最大溫度應(yīng)力用式(1)計算:

其中，σT為澆筑塊最大水平正應(yīng)力;Kp為考慮徐變影響的混凝土應(yīng)力松弛系數(shù);R為約束系數(shù);kr為考慮早期升溫的折算系數(shù);ε0為自生體積變形，膨脹為正，收縮為負;c為自生體積變形齡期影響系數(shù);B為水化熱溫度應(yīng)力系數(shù);E為混凝土彈性模量;μ為泊松比;α為混凝土線膨脹系數(shù)。

2.2 施工中溫度應(yīng)力控制

從式(1)可見，施工中溫度應(yīng)力控制應(yīng)從澆筑過程的兩個特征溫度Tp和Tr及約束系數(shù)入手，同時在混凝土本身物性上加以選擇控制。因為除兩個特征溫度外，式(1)中的系數(shù)基本都取決于混凝土的物理特性，但混凝土組成原材料的物性有時會受到生產(chǎn)條件限制，所以溫度應(yīng)力控制還應(yīng)從控制特征溫度方面采取措施。

混凝土拱壩是分層澆筑的，一般情況下，每一澆筑層為1.5 m～3.0 m厚，兩次澆筑層間隔5 d～15 d左右。當然，每一澆筑層在實際澆筑時，還要再分若干鋪筑薄層，逐層向上澆筑。這些澆筑層在澆筑過程中，其溫度是多種因素影響的。如果混凝土入倉溫度為T1，經(jīng)平倉、振搗、鋪筑層澆筑完畢，上面覆蓋新混凝土時，下面原混凝土鋪筑層的溫度就是澆筑溫度Tp。其大小與混凝土入倉溫度、氣溫、日照及施工操作等有關(guān)，可按下式計算[1]:

其中，Tp為澆筑溫度;T1為入倉溫度;Ta為氣溫;T'為太陽輻射熱;β為表面放熱系數(shù);φ1，φ2均為平倉前后的溫度系數(shù)。

式(2)中兩個溫度系數(shù)的確定，可根據(jù)經(jīng)驗或施工過程中量測，或參考相應(yīng)的文獻[1]。

由式(2)可得到降低澆筑溫度的基本方法，再結(jié)合施工經(jīng)驗和操作，以達到控制澆筑溫度Tp的目的。

1)降低混凝土出倉溫度，具體方法有:預(yù)冷骨料、冷水拌料、地籠取料等。

2)減少混凝土運輸中的溫升，從溫升快慢來排序的話，依次是皮帶機運料溫升最快，其次是汽車運料，大型吊罐運料溫升最慢，可根據(jù)現(xiàn)場實際條件確定運輸混凝土料的方法。

3)加快澆筑速度，以減少澆筑過程中的溫升，力爭在最短時間內(nèi)覆蓋新混凝土。

4)在加強施工管理的前提下，將全倉面平澆改成臺階式澆筑，盡量縮短混凝土層面的暴露時間。

5)在夏季澆筑混凝土時，應(yīng)采用邊澆筑邊覆蓋保溫被的倉面隔熱措施。

6)在炎熱地區(qū)或盛夏季節(jié)，調(diào)整施工時間，盡量在夜間或陰天時澆筑，所以施工中掌握較準確的天氣預(yù)報是必要的。

7)夏季澆筑時，還可以向倉面噴霧或在倉面上搭建涼棚。

上述方法只是一些原則性作法，實際施工時應(yīng)根據(jù)當?shù)貤l件和以往積累的施工經(jīng)驗，選擇更符合實際的降溫方法。

采取上述措施的目的，無非是使?jié)仓囟确弦?，降低溫度?yīng)力，減少或消除裂縫。為此規(guī)定了小灣水電站拱壩各部位的溫控標準，施工中應(yīng)參照執(zhí)行。

此外，用數(shù)值模擬方法，對小灣拱壩全施工過程進行了三維有限元仿真計算，給出了封拱前的豎向應(yīng)力變化值[4]，施工中可以參考。當然，仿真計算得到的是最終殘留應(yīng)力值，施工中的最大應(yīng)力值應(yīng)比計算值為高，使用時注意。

要降低水化熱溫升，可以用減少水泥用量的方法:

1)加摻合料——粉煤灰。

在規(guī)范范圍內(nèi)最大限度的發(fā)揮了粉煤灰的良好性能，降低混凝土的水化熱。據(jù)有關(guān)文獻，粉煤灰摻量20%，可以降低水化熱10%～25%。

2)采用天然骨料、大骨料。

用四級配的天然骨料取代了人工骨料。根據(jù)經(jīng)驗，采用天然骨料混凝土比采用人工碎石的混凝土可以節(jié)約水泥用量10%左右。

3 結(jié)語

由溫度應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫一般是不可避免的，但是只要把溫度應(yīng)力控制在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)，就可以減少大的裂縫的出現(xiàn)?？刂茰囟葢?yīng)力一般是現(xiàn)場進行溫控。在澆筑混凝土時，采用溫度傳感片和測溫儀，從澆筑開始測溫，并及時抹壓和保溫保濕養(yǎng)護。澆筑完后根據(jù)溫控指標，及時調(diào)整保溫保濕養(yǎng)護條件。

溫度影響系數(shù)受多種因素影響，其中溫度、濕度、散熱界面(土、空氣等)，初凝時間、風速、溫差等影響較大，特別是風速和溫差較大時，溫度影響系數(shù)則大大降低，最高溫升也將降低，但為防止降溫過快，形成大的溫度梯度，夏季選用蓄水養(yǎng)護，秋冬季加蓋草袋、海綿，如果工地氣候具有風大、干燥特征，拆模后應(yīng)及時采取防風，保溫措施，并及時回填土。

小灣拱壩作為高拱壩，其溫控防裂是保證壩體正常施工和安全運行的重要措施。無論在施工期和運行期，溫度荷載都是引起壩體開裂及裂縫擴展的重要原因。本文提出的預(yù)防溫度裂縫的措施可供施工和運行時參考。

[1]朱伯芳.拱壩設(shè)計與研究[M].北京:中國水利電力出版社，2002.

[2]黎展眉.普定碾壓混凝土拱壩裂縫成因探討[J].水利發(fā)電學報，2001(1):96-102.

[3]李春貴.泰順仙居水電站混凝土拱壩施工中的溫控及防裂措施[J].浙江水利科技，2003(4):60-69.

[4]王樹和，朱伯芳.小灣拱壩封拱以前溫度應(yīng)力仿真計算[D].北京:中國水利水電科學研究院，2000:37-38.