基于凍融損傷的重力壩抗凍耐久性分析
——以遼寧省觀音閣水庫為例

(本溪滿族自治縣關(guān)門山水庫管理處，遼寧 本溪 117100)

凍融損傷一直是建筑業(yè)界關(guān)注的話題。凍融會對混凝土的機(jī)械性能造成嚴(yán)重影響，使其耐久性減低，導(dǎo)致建筑使用壽命明顯減少或可能在使用中造成安全事故。遼寧省位于我國東北部，冬季氣候嚴(yán)寒且晝夜溫差極大。觀音閣水庫是遼寧省重要水庫之一，其重力壩為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在冬季容易發(fā)生凍融事故，因此，研究其凍融損傷至關(guān)重要[1]。

1 混凝土凍融損傷模型的建立及其相關(guān)參數(shù)研究

1.1 凍融損傷及其監(jiān)測方法說明

凍融損傷是指混凝土硬化以后在浸水及潮濕情況下，混凝土內(nèi)部存在的毛細(xì)水等發(fā)生凍結(jié)而膨脹[2]，并從表面逐漸向內(nèi)部侵蝕的一種現(xiàn)象，該種現(xiàn)象受溫度影響尤為顯著。我國東北、西北及華北屬于混凝土凍融損傷常發(fā)區(qū)域，建筑施工與使用過程中應(yīng)對其特別引起重視。

凍融損傷，目前常見監(jiān)測方法有共振頻率法、超聲波測速法及X射線法等。共振頻率法被現(xiàn)有工程廣泛使用；超聲波檢查法可實現(xiàn)對凍融裂化程度進(jìn)行比較客觀的評價；X射線法多用于局部監(jiān)測。以上均屬于無損檢查，作業(yè)方便，但無法實現(xiàn)對混凝土的本質(zhì)監(jiān)測，存在一定的缺陷。因此，研究有效的監(jiān)測方式，有利于及時發(fā)現(xiàn)事故隱患及時處理，對實現(xiàn)混凝土凍融損傷實時監(jiān)測具有重要意義。

1.2 關(guān)于混凝土凍融損傷理論的描述與分析

混凝土損傷主要是由于外部載荷的循環(huán)破壞造成的，而凍融損傷主要由毛細(xì)水結(jié)冰膨脹而引起[3]。根據(jù)研究，在凍融情況下，混凝土的彈性模量及泊松比計算公式為

En=E0(1-pN)k

(1)

(2)

式中En——混凝土多次發(fā)生凍融循環(huán)后的彈性模量；

E0——混凝土初始彈性模量；

N——凍融次數(shù)；

γn——混凝土多次凍融循環(huán)的泊松比；

γ0——混凝土的初始泊松比；

p，q，k，h——試驗參數(shù)。

基于以上公式對混凝土凍融損傷進(jìn)行評估與計算。凍融損傷除受凍融載荷影響外，還受到外部載荷影響。具體表征情況如圖1所示，其中，ε1為凍融循環(huán)次數(shù)下的壓應(yīng)變；εft為極限應(yīng)變；σ2為凍融多次的壓應(yīng)變，σft為極限壓應(yīng)變。

圖1 混凝土凍融損傷理論下的應(yīng)變關(guān)系

2 基于凍融作用下重力壩抗凍耐久性分析

基于以上分析，對混凝土在凍融作用下的應(yīng)變關(guān)系及其受力情況進(jìn)行有效分析，有利于保證混凝土使用安全[4]。下面以遼寧省觀音閣水庫為例，對其進(jìn)行綜合分析與描述。

2.1 工程概述

觀音閣水庫為以防洪、供水為主，兼有灌溉及發(fā)電等功能的大型水利樞紐工程[5]。該水庫于1990年開工建設(shè)，1995年建成投產(chǎn)，對防洪及抗旱等發(fā)揮了積極作用。該水庫由重力壩式擋水壩、溢流壩、電站壩及低孔壩組成[6]，壩頂長約1040m，最大壩高82m，泄洪量可達(dá)9400m3/s。根據(jù)觀音閣水庫所處地理位置及壩體結(jié)構(gòu)，凍融損傷應(yīng)作為重要問題進(jìn)行考慮，以保證正常使用壽命下的安全及功能發(fā)揮。

2.2 凍融機(jī)理分析

混凝土凍融形成過程將大致可分為四個階段：第一階段未受凍融，其宏觀上表現(xiàn)為外邊無損傷狀態(tài)；第二階段隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土表面出現(xiàn)較多侵蝕空洞；第三階段隨著凍融循環(huán)次數(shù)進(jìn)一步增加，第二階段形成的空洞逐漸連接成片，且空洞逐漸變大，致使混凝土內(nèi)部的骨料及鋼筋等材料暴露，且細(xì)骨料逐步脫落，對混凝土結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度造成嚴(yán)重影響；第四階段隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加及凍融程度的不斷加深，凍融損傷將導(dǎo)致骨料由于受損而大面積掉落，對混凝土的機(jī)械強(qiáng)度造成較大的影響，危及其使用壽命及安全，對建筑結(jié)構(gòu)造成不可挽回的損傷。

2.3 基于觀音閣水庫重力壩的凍融耐久性分析

對于重力壩來講，并非所有的凍融區(qū)均會發(fā)生凍融，凍融的發(fā)生有其先決條件，即必須有豐富的水使其達(dá)到充水飽和且達(dá)到一定低溫才能發(fā)生。因此，在對壩體進(jìn)行凍融損傷測算中應(yīng)把控上述兩點，以確定凍融區(qū)并對其進(jìn)行有效監(jiān)測，實現(xiàn)對其有效管理與控制。關(guān)于凍融區(qū)域的確定，一般可結(jié)合系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析，關(guān)注參數(shù)主要有上下游水位、氣溫、水庫內(nèi)的水溫等，并采取適當(dāng)?shù)墓竭M(jìn)行合理計算，得到凍融區(qū)域。一般情況下，在滲流作用下，滲流場內(nèi)的空隙壓力大于0的區(qū)域為飽和區(qū)域，容易發(fā)生凍融損傷；對于溫度0℃以下情況，水容易結(jié)冰，產(chǎn)生體積膨脹而出現(xiàn)凍融情況，因此，一般將0℃以下的區(qū)域設(shè)定為凍融常發(fā)生區(qū)域。

對于重力壩而言，一般潛在的破壞主要為壩趾受壓破壞、壩踵拉裂、傾覆破壞、沿建基面或深層滑動面滑動等。根據(jù)理論計算，壩體的位移與壩體的失穩(wěn)具有直接的相關(guān)性，因此，一般情況下，在壩體受到凍融循環(huán)破壞時，將壩體中心點的位移作為評判依據(jù)，可取得較好效果。根據(jù)實際監(jiān)測結(jié)果，觀音閣水庫受水載荷一側(cè)，壩體豎向位移明顯增加，混凝土彈性模量等出現(xiàn)明顯減少趨勢，該階段混凝土整體處于塑性階段，混凝土局部受到破壞。而隨著凍融次數(shù)的增加及混凝土破壞程度的加深，壩體豎向位移逐漸增大且壩頂出現(xiàn)傾倒，此時將對混凝土結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重影響。相對于壩趾來講，由于其主要處于受壓狀態(tài)，局部損傷對整體結(jié)構(gòu)性能的影響較少?？傮w來講，壩體結(jié)構(gòu)受凍融損傷的影響程度與發(fā)生凍融的次數(shù)有直接關(guān)系，次數(shù)越多，影響越嚴(yán)重，損傷也越大，對其壩體的耐久性將造成極其嚴(yán)重的影響。觀音閣水庫不同凍融次數(shù)下重力壩水平位移及豎向位移變化情況見下表和圖2。

觀音閣水庫不同凍融次數(shù)下重力壩水平及豎向位移變化情況表

圖2 觀音閣水庫不同凍融次數(shù)下重力壩水平及豎向位移變化情況

由上表和圖2可以看出，凍融對壩體位移具有較大影響，而隨著凍融次數(shù)的增加，水平位移與豎向位移呈明顯增大趨勢，且隨凍融次數(shù)增加，位移變化呈對數(shù)關(guān)系增長。

3 提高重力壩抗凍融性能的措施

a.預(yù)防措施。對于混凝土凍融損傷，工程項目實施單位應(yīng)采取有效措施對其進(jìn)行合理控制與預(yù)防，以減少凍融損傷次數(shù)及降低其危害。

在混凝土施工過程中可添加適量的外加劑對凍融損傷進(jìn)行有效控制。如目前施工過程中常用的減水劑等可有效預(yù)防凍融損傷的發(fā)生，對混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有保證作用；適當(dāng)降低混凝土水灰比，可減少水化熱，有利于減少因水化熱作用而導(dǎo)致的混凝土內(nèi)部空洞，增加混凝土的密實度，有利于提高混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及抗凍性能；做好混凝土建筑物的養(yǎng)護(hù)工作，冬季施工時，適當(dāng)加入早強(qiáng)劑或防凍劑，嚴(yán)防混凝土早期受凍[7]。

b.治理措施。對于輕微表層混凝土破壞的壩體，可用水泥砂漿進(jìn)行修補(bǔ)。對于水流區(qū)域凍融損傷壩體，用預(yù)縮砂漿修補(bǔ)表面，可提升混凝土抗疲勞性能[8]。

4 結(jié) 語

凍融損傷對混凝土結(jié)構(gòu)有嚴(yán)重影響。本文以遼寧省觀音閣水庫為例，對凍融損傷理論進(jìn)行了說明，并對其影響因素進(jìn)行了分析。根據(jù)觀音閣水庫壩體出現(xiàn)的凍融損傷循環(huán)次數(shù)，對其壩體結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了說明，對預(yù)防混凝土發(fā)生凍融損傷的措施進(jìn)行了探討，以供預(yù)防混凝土凍融損傷參考。

[1] 付默菡.錦凌水庫右岸冬季混凝土施工保證措施探析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2016(9):136-138.

[2] 宋廣強(qiáng).水庫壩體裂縫成因及修補(bǔ)處理[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2014(10)：89-91，95.

[3] 王勇.水利施工中混凝土裂縫產(chǎn)生的原因和預(yù)防措施[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2015(1)：65-66.

[4] 于曉巖.淺析水工混凝土溫控防裂措施[J].山西建筑，2006(12)：107-108.

[5] 趙東方，楊芬.青山水庫樞紐工程施工條件分析[J].黑龍江水利科技，2013(11)：256-258.

[6] 董鳳新.高橋風(fēng)力發(fā)電場工程主體工程水土保持分析與評價[J].中國水能及電氣化，2017(5)：38-42.

[7] 楊志華，謝衛(wèi)生.山口巖碾壓混凝土拱壩溫度控制設(shè)計[J].水利規(guī)劃與設(shè)計,2013(11)：71-74.

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