混凝土裂縫控制理論下的水利工程施工技術(shù)

王永華

(聊城市東昌府區(qū)水務(wù)局，山東 聊城 252000)

水是人類生產(chǎn)生活中必不可少的資源之一，但其自然存在的狀態(tài)并不完全符合人類的需要。因此為保證水資源能夠?yàn)槿祟愃?，修建水利工程是重要舉措。水利工程可以控制和調(diào)配自然界的地表水和地下水，防止洪澇災(zāi)害，達(dá)到除害興利目的，滿足人們生產(chǎn)生活需要[1]。施工是水利工程修建過程中重要的一個(gè)階段，在這一階段中，用到的施工技術(shù)有地基處理技術(shù)、施工導(dǎo)流與截流技術(shù)、水墜壩施工技術(shù)、混凝土壩施工技術(shù)。其中最后一項(xiàng)是水利工程施工中關(guān)鍵技術(shù)之一。但在混凝土大壩修筑過程中，經(jīng)常因各種原因?qū)е聣误w出現(xiàn)一些裂縫，對(duì)整個(gè)水利工程的修建質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，縮短工程使用壽命，影響人們正常用水活動(dòng)，增加水患災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。因此為避免或減少裂縫產(chǎn)生，改進(jìn)傳統(tǒng)混凝土壩施工技術(shù)必不可少[2]?；炷亮芽p控制理論下的水利工程施工技術(shù)以溫差裂縫控制為主要研究?jī)?nèi)容，分為兩步：一是確定混凝土內(nèi)部與外部環(huán)境之間的溫差，是整個(gè)技術(shù)中最難也是最復(fù)雜的一步，因此在文中重點(diǎn)介紹；二是根據(jù)確定的溫差，按照溫差標(biāo)準(zhǔn)，判斷是否會(huì)產(chǎn)生裂縫，如果產(chǎn)生裂縫，應(yīng)如何應(yīng)對(duì)。為驗(yàn)證混凝土裂縫控制理論下的水利工程施工技術(shù)的有效性，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：混凝土裂縫控制理論下的水利工程施工技術(shù)與傳統(tǒng)水利工程施工技術(shù)相比，裂縫控制效果更好。

1 混凝土壩裂縫產(chǎn)生的原因

(1)混凝土壩原料配置不合理或在攪拌過程中粗料厚度過大但振搗工作不充分、不均勻，造成沉降裂縫。

(2)混凝土在成壩變硬過程中，混凝土發(fā)生體積形變，而這股力量會(huì)與混凝土自身約束力相互抗衡造成收縮裂縫的產(chǎn)生[3]。

(3)在混凝土成形變硬過程中，混凝土?xí)恢本S持塑性收縮狀態(tài)，這時(shí)混凝土中較小、較輕粒子會(huì)逐漸向上移動(dòng)，較大、較重粒子會(huì)逐漸向下移動(dòng)。這種移動(dòng)過程在受到外部鋼筋或鋼板結(jié)構(gòu)約束時(shí)，產(chǎn)生塑性裂縫[4]。

(4)混凝土自身溫度與外部環(huán)境溫度很難達(dá)成一致，會(huì)有一定的誤差，造成混凝土內(nèi)部與外表熱脹冷縮程度不同，產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，在壩體表面產(chǎn)生裂縫。這種裂縫就是溫度裂縫。

(5)未按照嚴(yán)格施工標(biāo)準(zhǔn)施工而造成的裂縫。

前三種是混凝土自身因素造成的裂縫，后兩種是由于外部客觀因素造成的裂縫。

2 確定混凝土內(nèi)外部溫差

水利工程屬于大型工程建設(shè)，施工時(shí)間一般都比較緊張，任務(wù)重，因此不可避免地會(huì)在溫差比較大的季節(jié)進(jìn)行施工，如冬季，夏季，使得混凝土受氣溫影響，產(chǎn)生溫度裂縫[5]。這類裂縫是所有裂縫類型中最常見的一種，嚴(yán)重降低工程質(zhì)量。因此本文就以溫度裂縫為主要研究對(duì)象，對(duì)溫度裂縫控制進(jìn)行研究，優(yōu)化水利工程施工技術(shù)，提高混凝土壩施工質(zhì)量。

在水利工程混凝土壩施工中，為防止表面裂縫的產(chǎn)生，必須控制混凝土內(nèi)部與外部環(huán)境之間的溫差，這就需要進(jìn)行各種溫度的計(jì)算。

2.1 計(jì)算混凝土澆筑溫度

混凝土澆筑溫度是指混凝土經(jīng)過平倉(cāng)振搗后，在覆蓋上層混凝土前，測(cè)量在距離混凝土面下10cm深處的溫度[6]。

計(jì)算公式如下：

A=B+(C+B)·(D1+D2+…+Dn)

(1)

式中，A—混凝土澆筑溫度；B—混凝土攪拌過程中的溫度；C—混凝土澆筑時(shí)的室外環(huán)境溫度；(D1+D2+…+Dn)—溫度損失系數(shù)。

2.2 計(jì)算絕熱溫升

“絕熱升溫”是指處在絕對(duì)封閉條件下，即周圍無任何散熱條件時(shí)，混凝土中水泥在化熱過程中產(chǎn)生的熱量。

用數(shù)學(xué)公式表示為：

(2)

式中，E—某時(shí)刻時(shí)混凝土的絕熱升溫；F—最高溫度值；H—每千克水泥遇水轉(zhuǎn)化的熱量，取值見表1；I—每立方米的混凝土中水泥含量；J—混凝土比熱；ρ—混凝土密度；G—常數(shù)，常取為2.5345。

表1 H取值

2.3 估算混凝土內(nèi)部溫度

混凝土在根據(jù)設(shè)計(jì)好的建筑模型進(jìn)行澆筑后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)澆筑溫度，隨后受水泥水化熱影響，混凝土內(nèi)部溫度將逐漸上升，但又由于與周圍介質(zhì)不斷進(jìn)行熱交換，溫度時(shí)刻處在降低狀態(tài)下，因此混凝土內(nèi)部溫度有一個(gè)由低到高，又由高到低的過程[7]。因此要想計(jì)算準(zhǔn)確的混凝土內(nèi)部溫度是不現(xiàn)實(shí)的，但可以進(jìn)行大體估算，估算公式如下：

K=L+ζM

(3)

式中，K—某時(shí)刻內(nèi)混凝土內(nèi)部溫度；L—混凝土澆筑溫度；M—混凝土絕熱溫升；ζ—溫度降低系數(shù)。

2.4 估算混凝土表面溫度

計(jì)算公式為：

(4)

式中，N—某時(shí)刻內(nèi)混凝土表面溫度；O—周圍外部環(huán)境溫度；P—混凝土澆筑成形后的厚度；R—混凝土單面散熱時(shí)的虛厚度。

2.5 溫差計(jì)算

計(jì)算公式為：

Δ=K-N

(5)

式中，Δ—混凝土內(nèi)部與外部的溫差。根據(jù)大體積混凝土溫差標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)溫差大于±25℃，混凝土?xí)霈F(xiàn)溫度裂縫。

3 溫度裂縫控制措施

對(duì)混凝土的內(nèi)外溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；根據(jù)溫差確定保溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間；保持混凝土表面濕潤(rùn)；采用保溫性能良好的材料用于混凝土的保溫養(yǎng)護(hù)，如塑料薄膜、草袋等；在混凝土壩工程拆模后，采取預(yù)防寒潮襲擊、突然降溫和劇裂干燥等措施防止溫差過大出現(xiàn)裂縫[8]。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證新型混凝土裂縫控制理論下的水利工程施工技術(shù)的有效性，與傳統(tǒng)水利工程施工技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

在南方某地區(qū)要建立一個(gè)水電站工程攔河混凝土大壩，該壩高280m，拱頂弧長(zhǎng)698.00m，拱冠底部厚70.0m，壩體混凝土為685.6×104m3，工程規(guī)模和工程量十分巨大[9]。以該水電站大壩12號(hào)壩段混凝土為研究對(duì)象，對(duì)水利工程施工技術(shù)中的混凝土溫度裂縫控制效果進(jìn)行詳細(xì)探究。

該壩體混凝土參數(shù)見表2。

表2 混凝土各成分用量參數(shù)

此外，混凝土壩在澆筑期問，最高氣溫28.8 ℃，最低氣溫15.1℃，晝夜溫差在5～11℃之間[10]。

利用公式(5)計(jì)算混凝土壩內(nèi)部與外部環(huán)境的溫差為28℃，大于標(biāo)準(zhǔn)溫差25℃，說明該壩體極有可能出現(xiàn)溫度裂縫。

其次，分別利用新型混凝土裂縫控制理論下的水利工程施工技術(shù)中的第二步和傳統(tǒng)水利工程施工技術(shù)對(duì)混凝土溫度裂縫進(jìn)行預(yù)防和控制?？刂平Y(jié)果如圖1所示[11]。

圖1 溫度裂縫控制效果

從圖1中可知，混凝土壩工程拆模后，發(fā)現(xiàn)利用混凝土裂縫控制理論下的水利工程施工技術(shù)對(duì)混凝土壩的溫度裂縫進(jìn)行控制之后，混凝土壩體表面沒有出現(xiàn)任何裂縫；而利用傳統(tǒng)水利工程施工技術(shù)對(duì)混凝土壩的溫度裂縫進(jìn)行控制之后，混凝土壩體表面出現(xiàn)一條大的、肉眼可見的裂縫。由此可見，前者技術(shù)要優(yōu)于后者技術(shù)，前者技術(shù)對(duì)混凝土裂縫控制效果更好，達(dá)到預(yù)期效果[12-13]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，水利工程的修建是人類工程中最重要的舉措之一，例如三峽大壩的修建不僅調(diào)節(jié)了上下游水資源平衡，產(chǎn)生的電力也極大地方便了人們的生活。但是水利工程的修建并不容易，尤其是混凝土壩的建設(shè)施工?；炷翂螛O易受到溫度影響，出現(xiàn)溫度裂縫，影響工程質(zhì)量。因此文章對(duì)溫度裂縫控制技術(shù)進(jìn)行了研究。經(jīng)驗(yàn)證明該方法的控制效果極好，為水利工程施工中裂縫問題的解決提供了重要的指導(dǎo)意義。但是本研究也存在一些不足之處，溫度取值受一些潛在因素的影響，取值可能存在一定誤差，對(duì)研究產(chǎn)生了一定的影響。