快速澆筑情況下隨機(jī)因素對(duì)混凝土壩開裂影響分析

王海波,王仁坤,宋 猛

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610072)

0 引 言

在水電工程建設(shè)中,隨著施工技術(shù)水平的提高、混凝土澆筑能力的提升,混凝土壩建設(shè)速度越來(lái)越快,在提前蓄水發(fā)電盡快發(fā)揮經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益的迫切要求下,突破傳統(tǒng)3.0 m層厚常態(tài)混凝土澆筑技術(shù),加大混凝土澆筑層厚 (澆筑層厚度由3.0 m增加至4.5 m或6.0 m,甚至更厚)、短間歇期 (澆筑層間歇期縮短至7 d以內(nèi))的快速澆筑方法是混凝土澆筑研究的新方向[1-3].然而,在實(shí)際工程中,限制大壩快速上升的因素有很多,混凝土壩快速澆筑方法不可避免會(huì)受到骨料供應(yīng)不足、混凝土澆筑手段的限制和施工組織等影響而出現(xiàn)層面長(zhǎng)間歇.實(shí)踐表明,層面長(zhǎng)間歇對(duì)混凝土防裂較為不利.如若層面長(zhǎng)間歇期間再遭遇寒潮冷擊等惡劣天氣,則不利影響會(huì)加劇.基于此,本文研究并分析了快速澆筑情況下一些隨機(jī)出現(xiàn)的因素,如低溫澆筑及層間長(zhǎng)間歇、氣溫驟降與晝夜溫差大等對(duì)混凝土壩防裂的不利影響,嘗試提出混凝土早齡期開裂風(fēng)險(xiǎn)的判別指標(biāo).

1 混凝土早齡期開裂風(fēng)險(xiǎn)

混凝土早齡期時(shí)的開裂風(fēng)險(xiǎn)[4-5]一般采用下式來(lái)描述

式中,η為開裂風(fēng)險(xiǎn)因子;σ(t)為t時(shí)刻混凝土受到的拉應(yīng)力;ft(t)為t時(shí)刻混凝土的抗拉強(qiáng)度;ξ為臨界開裂風(fēng)險(xiǎn).

σ(t)和ft(t)兩個(gè)函數(shù)綜合考慮了混凝土抗拉強(qiáng)度、彈性模量、極限拉伸、徐變變形、自生體積變形及溫度變形,全面地反映了各因素對(duì)混凝土抗裂性能的綜合影響,因此開裂風(fēng)險(xiǎn)因子η是一個(gè)全面的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo),可量化評(píng)價(jià)混凝土抗裂性能.在國(guó)內(nèi)大壩溫控計(jì)算中,η也被結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員用于評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn).混凝土材料力學(xué)性能和材料模型具有一定的波動(dòng)性,一般認(rèn)為其作為混凝土抗裂性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如下:η>1,混凝土已經(jīng)開裂;η=1,臨界狀態(tài); 0.7≤η<1,開裂可能性較大;η<0.7,不大可能開裂.

2 低溫澆筑及層間長(zhǎng)間歇

引入混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)因子η來(lái)評(píng)價(jià)倉(cāng)面混凝土早齡期的開裂風(fēng)險(xiǎn).以圖1所示某混凝土壩段為分析研究對(duì)象,考察的澆筑層混凝土澆筑時(shí)間為大壩混凝土澆筑的第72 d,澆筑層厚3.0 m.對(duì)比兩種工況:工況1.澆筑溫度為28℃,層間間歇7 d后上層覆蓋新混凝土,新混凝土的澆筑溫度同為28℃.工況2.澆筑溫度為28℃,長(zhǎng)間歇20 d后再澆筑上層新混凝土,新混凝土的澆筑溫度為 18℃.混凝土主要熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)見表1.

圖1 混凝土壩體計(jì)算模型

表1 混凝土主要熱學(xué)和物理力學(xué)參數(shù)

圖2和圖3給出了低溫澆筑和層間長(zhǎng)間歇時(shí)倉(cāng)面混凝土的溫度和應(yīng)力時(shí)程線及早齡期開裂風(fēng)險(xiǎn)因子.從圖2、3可知:

(1)長(zhǎng)間歇期間倉(cāng)面混凝土溫度持續(xù)下降,而澆筑塊內(nèi)部溫度不斷上升,倉(cāng)面早期內(nèi)外溫差和表層混凝土干燥收縮致使混凝土拉應(yīng)力達(dá)到1.13 MPa(圖2b),早齡期開裂風(fēng)險(xiǎn)因子超過(guò)0.7,開裂可能性較大.

圖2 低溫澆筑、層間長(zhǎng)間歇時(shí)倉(cāng)面溫度和應(yīng)力時(shí)程線

圖3 低溫澆筑、層間長(zhǎng)間歇時(shí)倉(cāng)面開裂風(fēng)險(xiǎn)

(2)層間間歇20 d后大壩倉(cāng)面混凝土溫度在33.9℃左右 (圖2a),18℃的低溫澆筑對(duì)下部混凝土而言是一個(gè)冷擊過(guò)程,老混凝土表面的溫度在短時(shí)間內(nèi)降至新老混凝土的平均值28.1℃,瞬間溫差作用下的倉(cāng)面混凝土瞬時(shí)降溫幅度為5.8℃,倉(cāng)面混凝土瞬間出現(xiàn)較大的溫度梯度.實(shí)際上,如若層面間歇時(shí)間只有7 d,則此時(shí)大壩倉(cāng)面混凝土溫度會(huì)更高 (37.2℃),瞬間的低溫混凝土澆筑引起的倉(cāng)面老混凝土的降溫幅度會(huì)更大,而冷擊應(yīng)力的大小與降溫引起的溫度梯度變化成正比,如此大的降溫幅度足以引起倉(cāng)面混凝土的開裂.另外,下部混凝土受上部低溫澆筑影響會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力,而上部混凝土水化熱溫升時(shí)也會(huì)在下部混凝土引起拉應(yīng)力,這樣產(chǎn)生的溫度應(yīng)力會(huì)有相當(dāng)一部分殘留在混凝土內(nèi)部.當(dāng)壩體內(nèi)部殘留拉應(yīng)力與后期溫降引起的拉應(yīng)力迭加則加大引起裂縫的可能或使已有的小裂縫擴(kuò)展形成宏觀危害性裂縫.

混凝土壩快速澆筑條件下常因混凝土澆筑強(qiáng)度不能滿足要求或其他原因,出現(xiàn)層面長(zhǎng)間歇,算例研究表明,倉(cāng)面長(zhǎng)間歇對(duì)混凝土防裂極為不利;同時(shí),澆筑溫度并非越低對(duì)混凝土防裂越有利.工程實(shí)踐中應(yīng)對(duì)上述兩種不利情況給予足夠的重視.高溫時(shí)段澆筑混凝土?xí)r,應(yīng)盡可能采用表面流水、倉(cāng)面噴霧等保溫保濕措施降低倉(cāng)面溫度,或選擇低溫時(shí)段澆筑混凝土,避免出現(xiàn)低溫澆筑致裂問(wèn)題.

3 氣溫驟降與晝夜溫差

在進(jìn)行混凝土壩溫控防裂研究以及制定溫控標(biāo)準(zhǔn)和溫控措施時(shí),往往選用壩址區(qū)多年月平均氣溫變化作為計(jì)算條件,多年月平均氣溫可以代表一年為周期的溫度荷載作用.而實(shí)際上,氣溫驟降、晝夜溫差等短周期沖擊性溫度荷載由于突然改變了混凝土的溫度邊界條件,使壩塊表面產(chǎn)生很大的降溫幅度與梯度,受內(nèi)部約束產(chǎn)生拉應(yīng)力,也是溫度裂縫產(chǎn)生的重要原因,必須予以考慮.

以上節(jié)算例中混凝土壩段為例,考慮寒潮冷擊和晝夜溫差對(duì)混凝土溫度和應(yīng)力的影響.多年月平均氣溫變化為

氣溫日變化為

式中,Ta(τ)為月平均氣溫;Tda(t)為日平均氣溫,一般一天中最高氣溫出現(xiàn)在14:00.考察澆筑層混凝土澆筑起始時(shí)間仍設(shè)定為大壩混凝土澆筑的第72 d,計(jì)算假定發(fā)生2次寒潮,分別在該澆筑層澆筑結(jié)束5 d時(shí)和30 d時(shí).第一次寒潮到來(lái)時(shí)第1 d平均日氣溫突降10℃,低溫持續(xù)1 d,第3 d回升10℃至正常氣溫.第二次寒潮到來(lái)時(shí)第1 d平均日氣溫突降15℃,低溫持續(xù)1 d,第3 d回升15℃至正常氣溫.氣溫驟降影響的壩塊典型部位溫度和應(yīng)力時(shí)程線見圖4.

圖4 氣溫驟降影響的壩塊典型部位溫度和應(yīng)力時(shí)程線

從圖4可知,第一次寒潮時(shí),氣溫驟降對(duì)倉(cāng)面混凝土和壩體上游表面均有不利影響,且對(duì)倉(cāng)面混凝土的不利影響較上游表面大,而對(duì)壩體內(nèi)部影響不明顯,溫降過(guò)程作用局限于表層,影響深度小于1.5 m.混凝土澆筑層厚度遠(yuǎn)小于其平面尺寸,熱量的傳導(dǎo)主要在鉛直方向,澆筑層面是主要的散熱面,間歇期內(nèi)外溫差大,溫度梯度也較壩體表面大,而早齡期混凝土強(qiáng)度低,遭遇寒潮冷擊更易開裂,因此,倉(cāng)面是防裂的重要部位.

圖5 氣溫驟降影響的壩塊典型部位開裂風(fēng)險(xiǎn)

由圖4a可見,第一次寒潮冷擊時(shí),給壩塊帶來(lái)很大的降溫幅度和溫度梯度,如倉(cāng)面混凝土最大降溫量與氣溫驟降幅度之比為70%,溫度梯度由8.8℃/m驟增至14.5℃/m,最大拉應(yīng)力達(dá)3.01 MPa(考慮了溫度驟降與晝夜溫差疊加的結(jié)果,晝夜溫差的影響較氣溫驟降小),倉(cāng)面開裂不可避免;壩體上游表面最大降溫量與氣溫驟降幅度之比為86%,溫度梯度由1.4℃/m驟增至2.38℃/m,最大拉應(yīng)力只有0.76 MPa,開裂因子低于0.7.相同的溫降值引起的溫度梯度增大值不同,最大拉應(yīng)力值主要取決于溫度梯度的變化.第二次寒潮來(lái)臨時(shí),澆筑層倉(cāng)面點(diǎn)已轉(zhuǎn)化為內(nèi)部點(diǎn),氣溫驟降的影響僅限于壩體上游表面,其溫度值由33.17℃驟降至21.36℃,拉應(yīng)力從0.34 MPa驟增至1.59 MPa,開裂因子超過(guò)0.7.第二次氣溫驟降時(shí),混凝土齡期已經(jīng)較大,強(qiáng)度和彈性模量較大,引起的拉應(yīng)力也較大.

對(duì)比分析寒潮冷擊氣溫驟降和第2節(jié)中低溫澆筑工況可以發(fā)現(xiàn),同樣是10℃的溫差,氣溫驟降對(duì)倉(cāng)面混凝土防裂的不利影響更大,如果低溫澆筑會(huì)引起倉(cāng)面混凝土的細(xì)微裂縫,則氣溫驟降將引起倉(cāng)面混凝土的嚴(yán)重開裂,但影響深度較小.開裂風(fēng)險(xiǎn)與倉(cāng)面混凝土的溫度梯度變化成正比,壩體上游表面溫度梯度變化較小,開裂風(fēng)險(xiǎn)也較倉(cāng)面小.

從以上分析,筆者認(rèn)為,防止混凝土裂縫的產(chǎn)生,應(yīng)從減小壩塊受氣溫驟降和晝夜溫差影響的敏感程度,即從減小表層混凝土的溫度梯度著手.考慮到上下游壩面的重要性不同,壩體上游迎水面有防滲要求,不容許出現(xiàn)裂縫,上游面的溫控防裂措施應(yīng)較下游面嚴(yán)格.

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上分析研究發(fā)現(xiàn),溫度梯度是引起混凝土開裂的主要原因,其可作為混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)的判別指標(biāo).低溫澆筑引起倉(cāng)面混凝土溫度的空間梯度瞬間增大是其致裂主因;氣溫驟降引起表層混凝土溫度的時(shí)間和空間梯度增大是其致裂主因.傳統(tǒng)的以內(nèi)外溫差作為判別混凝土開裂的指標(biāo)是不全面的.筆者認(rèn)為,以溫度的空間梯度和時(shí)間梯度作為混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)的判別指標(biāo)較傳統(tǒng)的以內(nèi)外溫差作為判別指標(biāo)更為全面、合理.澆筑層倉(cāng)面和壩體表面的防裂應(yīng)從減小表層混凝土的降溫幅度、溫度梯度等著手.

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