溢洪道混凝土的溫控防裂方案研究

韓緒博 王兆剛

溢洪道混凝土的溫控防裂方案研究

韓緒博1，2王兆剛3

(1.華北水利水電大學(xué) 河南鄭州 450011；2.水利部建設(shè)管理與質(zhì)量安全中心 北京 100038；3.北京市平谷區(qū)水務(wù)局 北京 101200)

由于水工建筑物溢洪道要承受高速和大流量的水沖刷，其對(duì)混凝土施工質(zhì)量要求嚴(yán)格，防止裂縫的產(chǎn)生是工程建設(shè)者面臨的一大難題。本文從溢洪道混凝土的材料特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)闡述了其裂縫機(jī)理，從材料方面和施工措施方面提出了防止裂縫的措施，并以某實(shí)際溢洪道為例，采用三維有限單元法，研究了改善應(yīng)力狀態(tài)、防止裂縫產(chǎn)生的混凝土溫控防裂方案，指導(dǎo)工程施工。該方法對(duì)同類型工程的施工具有一定的參考意義。

溢洪道 裂縫機(jī)理 溫控防裂 表面保溫 有限單元法

1 前言

溢洪道的工作特點(diǎn)是要承受高流速和大流量的水流，其混凝土也往往采用抗沖耐磨混凝土，這種類型混凝土具有水泥用量大，絕熱溫升高等特點(diǎn)。溢洪道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)具有厚度較小、順河向分縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)、基礎(chǔ)約束強(qiáng)等特性。這些特點(diǎn)決定了在我國(guó)現(xiàn)有溫控技術(shù)條件下[8-11]，溢洪道施工期的溫度控制就成為工程質(zhì)量保證的關(guān)鍵。本文以三維有限單元法計(jì)算程序?qū)δ炒笮鸵绾榈婪治隽瞬煌瑴乜卮胧┙M合條件下的溫控防裂效果，篩選出適合該工程的溫控防裂措施，指導(dǎo)工程施工。該方法和措施對(duì)類似工程具有重要參考意義。

2 溢洪道混凝土裂縫成因和機(jī)理

2.1材料方面

溢洪道特殊的功能特點(diǎn)決定了它常采用高性能混凝土，它的強(qiáng)度和抗沖耐磨性能得到了建設(shè)者的喜歡。但是高性能混凝土具有水灰比小、水泥用量多、水化熱量大、混凝土絕熱溫升高且集中在早期釋放等熱學(xué)特性；也具有彈性模量大、強(qiáng)度早強(qiáng)和自生體積變形大等力學(xué)特性，這些特性使其開(kāi)裂現(xiàn)象更難控制，裂縫出現(xiàn)也更為普遍、更加防不勝防。

2.2結(jié)構(gòu)方面

不同于大壩大體積混凝土結(jié)構(gòu)，溢洪道結(jié)構(gòu)單薄，厚度小基本是1～2m厚；與渡槽結(jié)構(gòu)不同，溢洪道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有底板和側(cè)墻、邊墻和底板、主梁和底板等結(jié)構(gòu)部位之間的相互變形約束。但是不同于大壩和渡槽等結(jié)構(gòu)，溢洪道順河向分縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)，整個(gè)結(jié)構(gòu)都處于強(qiáng)約束區(qū)，受地基約束非常明顯，很容易產(chǎn)生裂縫，且一旦出現(xiàn)裂縫，都將是貫穿性裂縫，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。

總之，溢洪道的材料特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其對(duì)于裂縫更為敏感，防裂的要求更為嚴(yán)格，防裂難度也更大，施工中最大限度的控制危害裂縫出現(xiàn)對(duì)未來(lái)工程安全具有極其重要的意義。

3 溢洪道混凝土的溫控防裂措施

3.1優(yōu)化混凝土材料

根據(jù)表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到以下結(jié)論：1)對(duì)比A和C或?qū)Ρ菳和D發(fā)現(xiàn)，在一定條件下增加空氣層可以減小結(jié)構(gòu)層的侵徹深度，但這會(huì)引起結(jié)構(gòu)成坑直徑的顯著加劇，這和文獻(xiàn)[20]的數(shù)值計(jì)算結(jié)果是定性吻合的。2)對(duì)比A和B發(fā)現(xiàn)，當(dāng)靶體含空氣隔層時(shí)，若將砂漿層從混凝土頂部轉(zhuǎn)移至花崗巖頂部，則混凝土層侵徹深度hc減小50%以上。3)對(duì)比C和D發(fā)現(xiàn)，不設(shè)空氣隔層時(shí)，將砂漿層從混凝土頂部轉(zhuǎn)移至花崗巖頂部可使混凝土層侵徹深度hc減小16.5%。4)從減小混凝土層侵徹深度hc的角度看，方案B(增加空氣層并將砂漿層置于整個(gè)結(jié)構(gòu)最上方)是最有利的，但從減小橫向破壞區(qū)域來(lái)看，方案B卻是最不利的。

材料優(yōu)化是從工程材料性能上予以改進(jìn)，主要包括控制混凝土的絕熱溫升、提高抗拉強(qiáng)度、減小熱膨脹系數(shù)和摻入混凝土摻合料等特性。

控制絕熱溫升是混凝土溫控防裂的重要措施，可以合理選擇水泥、控制水泥質(zhì)量，在滿足混凝土的各項(xiàng)主要技術(shù)性能指標(biāo)要求的前提下達(dá)到降低混凝土的最終絕熱溫升的目的；混凝土中摻入纖維材料可有效提高混凝土強(qiáng)度、降低彈性模量、增強(qiáng)混凝土的韌性和抗裂性能；減小混凝土熱膨脹系數(shù)，可以很好地降低混凝土的變形，降低周圍環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的約束效應(yīng)，減小收縮應(yīng)力；摻入礦物摻合料可以有效改善混凝土特性，增強(qiáng)混凝土抗裂性能，比如粉煤灰可以有效降低混凝土絕熱溫升，氧化鎂可以使混凝土產(chǎn)生微膨脹性，抵消部分混凝土的收縮變形。

3.2施工措施改進(jìn)

施工措施改進(jìn)可以人為改善混凝土應(yīng)力狀態(tài)，釋放或者降低結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力，防止裂縫產(chǎn)生。一般來(lái)講，可以通過(guò)混凝土結(jié)構(gòu)的分縫分塊，采用表面保溫、水管降溫或者流水養(yǎng)護(hù)能施工措施和手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。

薄板混凝土結(jié)構(gòu)的分縫分塊指通過(guò)設(shè)計(jì)，有計(jì)劃的用橫縫和縱縫將結(jié)構(gòu)分割成若干塊，減小基巖的約束應(yīng)力，但要認(rèn)真研究分塊的合理大小，在盡量降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力的同時(shí)，又能盡量保證結(jié)構(gòu)的完整性；施工期采取表面保溫可以減小內(nèi)外溫差和基礎(chǔ)溫差，降低周圍環(huán)境氣溫的影響，防止裂縫生成；內(nèi)部水管降溫可以降低混凝土的內(nèi)部溫度，減弱熱脹冷縮現(xiàn)象，降低收縮應(yīng)力。

4 溢洪道施工期溫控防裂方案優(yōu)選

4.1工程概況

某水電站位于云南省普洱市思茅區(qū)和瀾滄縣交界處的瀾滄江下游干流上，是瀾滄江中下游河段八個(gè)梯級(jí)規(guī)劃的第五級(jí)。其開(kāi)敞式溢洪道布置于壩址左岸，由進(jìn)水渠段、閘室控制段、泄槽段、挑流鼻坎段及出口消力塘段組成。溢洪道水平總長(zhǎng)1445.183m，寬151.5m，溢洪道厚約1m。該溢洪道是目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大、世界第二、泄洪功率世界第一的大型溢洪道。溢洪道采用C18055W8F100二級(jí)配高標(biāo)號(hào)混凝土，全年施工，混凝土的溫控防裂任務(wù)復(fù)雜而艱巨，溢洪道混凝土溫控試驗(yàn)配合比見(jiàn)表1，溢洪道混凝土熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 溢洪道混凝土溫控試驗(yàn)配合比（單位：kg/m3）

表2 溢洪道混凝土熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)

4.2計(jì)算模型

計(jì)算模型為有限元計(jì)算模型，模型底面及四周側(cè)面設(shè)為不傳熱邊界，溢洪道四個(gè)側(cè)面和頂面設(shè)為為第3類傳熱邊界，環(huán)境溫度采用工程所在地的多年平均氣溫，內(nèi)部水管冷卻算法為等效算法計(jì)算[1]；有限元模型底面設(shè)為三向約束，地基四周設(shè)為法向約束。有限元模型中單元最小厚度取0.01m，最大厚度取0.1m，單元采用六面體等參模型，有限元模型的單元和結(jié)點(diǎn)總數(shù)分別為41544和46615個(gè)，有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1 仿真計(jì)算網(wǎng)格

4.3溫控防裂方案

該溢洪道混凝土絕熱溫升較高，混凝土內(nèi)部溫升較大，且全年施工，溫控防裂難度較大，本文以夏季節(jié)施工的溢洪道混凝土為例，溫控措施主要有內(nèi)部水管降溫、表面保溫和表面流水養(yǎng)護(hù)，為了達(dá)到最佳溫控效果，以下面表3中方案1、方案2、方案3、方案4，四組組合溫控措施為研究對(duì)象，篩選溫控措施。溫控方案具體詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)表3。

表3 溫控方案

4.4計(jì)算結(jié)果分析

仿真計(jì)算結(jié)果夏季澆筑不同方案溢洪道最高溫度最大應(yīng)力摘要見(jiàn)表4，有關(guān)圖的情況見(jiàn)圖2～圖5所示。

表4 夏季澆筑不同方案溢洪道最高溫度最大應(yīng)力摘要

（1）方案1設(shè)為沒(méi)有任何溫控措施的工況，以了解其溫度和應(yīng)力變化規(guī)律。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在沒(méi)有任何溫控措施下，溢洪道混凝土內(nèi)部最高溫度可達(dá)到41.75℃，由于沒(méi)有表面保溫，在齡期9天時(shí)溫度降為31.12℃，降幅9.54℃，降溫速度為1.1℃/d。由于是在夏季高溫季節(jié)施工，之后混凝土溫度隨氣溫變化，溫度不斷降低，到來(lái)年一月中旬，混凝土溫度降至最低，從最高溫度41.75℃到最低溫度16.62℃，降溫幅度在25℃以上，再加上是處于強(qiáng)約束狀態(tài)的薄壁結(jié)構(gòu)，應(yīng)力不斷增長(zhǎng)，在207天齡期時(shí)（即來(lái)年1月份）達(dá)到最大值，為3.89MPa，超過(guò)混凝土容許拉應(yīng)力，安全系數(shù)只有1.15。

（2）方案2在方案1的基礎(chǔ)上采取溫控措施，可以看出，在表面保溫力度20kJ/ m2.h.℃、水溫為13℃、流量2.0m3/h和目標(biāo)溫度28℃的溫控措施下，混凝土的最高溫度由41.75℃降低為37.19℃。由于保溫的存在，使得混凝土的降溫幅度和降溫速率有所減小。但最大應(yīng)力依然是在氣溫最低的來(lái)年1月份，混凝土最大順?biāo)鞣较驊?yīng)力都在3.25MPa，安全系數(shù)只有1.37左右，應(yīng)力改善效果仍然有限。

（3）方案3是采用不同的保溫方式，即早期保溫力度為20kJ/m2.h.℃，到氣溫明顯開(kāi)始降低時(shí)（10月份開(kāi)始）采用5kJ/m2.h.℃的保溫材料，計(jì)算結(jié)果顯示，效果有一定的改善，混凝土最大應(yīng)力明顯減小，但是安全系數(shù)依然在1.6左右。

圖2 各方案內(nèi)部和表面溫度過(guò)程線（內(nèi)部）

圖3 各方案內(nèi)部和表面溫度過(guò)程線（表面）

圖4 各方案內(nèi)部和表面應(yīng)力過(guò)程線（內(nèi)部）

圖5 各方案內(nèi)部和表面應(yīng)力過(guò)程線（表面）

（4）方案4是在總結(jié)前面計(jì)算工況的溫控措施基礎(chǔ)上，早期采用流水養(yǎng)護(hù)方式進(jìn)一步降低最高溫度，到氣溫明顯開(kāi)始降低時(shí)（10月份開(kāi)始）混凝土表面覆蓋β等于5kJ/m2.h.℃的保溫材料，減小外界氣溫對(duì)其的影響。計(jì)算結(jié)果顯示，由于早期采用的是流水養(yǎng)護(hù)方式，最高溫度降低為35.7℃左右，降幅明顯，早期安全系數(shù)都在2.0以上，最大應(yīng)力發(fā)生在來(lái)年1月份，但是由于10月份后采用了β等于5kJ/m2.h.℃的保溫材料，使得混凝土溫度波動(dòng)幅度明顯減小，混凝土最大應(yīng)力明顯降低，在2.50MPa左右，安全系數(shù)基本在1.80左右，混凝土表面的安全系數(shù)也在2.50以上。

根據(jù)上面多工況多參數(shù)的計(jì)算結(jié)果和分析，推薦夏季澆筑溢洪道抗沖耐磨混凝土的溫控措施：澆筑溫度不超過(guò)15℃，混凝土表面早期采用流水養(yǎng)護(hù)方式，流水水溫在22℃左右，養(yǎng)護(hù)18天；溫度峰值前冷卻水溫控制在13℃以下，峰值過(guò)后逐漸減小流量，提高水溫，使溫度峰值后1～5天每天最大降溫速率不超過(guò)1℃，5天后每天最大降溫速率不超過(guò)0.5℃；混凝土冷至28℃時(shí)停止冷卻，靠自然散熱將混凝土冷至穩(wěn)定溫度；10月份開(kāi)始，已澆溢洪道混凝土表面覆蓋β不大于5kJ/m2.h.℃的保溫材料。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）溢洪道一般采用高標(biāo)號(hào)抗沖耐磨混凝土，高標(biāo)號(hào)混凝土具有水泥用量大、絕熱溫升高的特點(diǎn)，且一般都具有早期溫升快，強(qiáng)度早強(qiáng)等特性。另外，泄洪道底板薄、順河向分縫長(zhǎng)、基礎(chǔ)約束強(qiáng)等特性。這種材料和結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)決定了溢洪道施工期的溫控防裂難度更大。

（2）由于溢洪道結(jié)構(gòu)相對(duì)較薄，裂縫一旦產(chǎn)生，很容易發(fā)展成為貫穿性裂縫，結(jié)合溢洪道的工作特點(diǎn)，這些裂縫嚴(yán)重影響工程的安全性和耐久性。

（3）溢洪道混凝土較大的絕熱溫升容易引起較高的溫度，水管冷卻措施可以帶著內(nèi)部熱量，同時(shí)，溢洪道屬薄壁結(jié)構(gòu)，受外界氣溫因素影響較大，而表面保溫是減弱外界氣溫影響的很好防裂措施，而夏季表面流水措施可很好地削弱內(nèi)部溫度，減小溫降幅度和內(nèi)外溫差，降低混凝土應(yīng)力。

（4）數(shù)值計(jì)算是掌握溫控效果的很好方法，施工前經(jīng)過(guò)不同溫控措施的數(shù)值計(jì)算，可以很好地選擇適時(shí)合理的溫控防裂方案，為工程的安全奠定基礎(chǔ)。

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TV682

B

1672-2469(2014)06-0060-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.06.020

韓緒博（1982年—），男，工程師。