基于加權(quán)因果分析圖和AHP的混凝土閘墩裂縫質(zhì)量管理

何福娟 王榮榮 郝 鵬

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

混凝土閘墩的裂縫問(wèn)題，一直都是國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)人員關(guān)注研究的重點(diǎn)，無(wú)論是裂縫的成因，還是裂縫處理都有激烈的討論。通常來(lái)說(shuō)，在閘墩施工期間，溫度應(yīng)力過(guò)大一般是導(dǎo)致混凝土閘墩產(chǎn)生裂縫的根本原因。雖然閘墩在運(yùn)行期間的環(huán)境溫度變化引起的溫度應(yīng)力問(wèn)題一直以來(lái)受到很高的重視，但對(duì)于施工期，尤其是對(duì)施工初期變溫場(chǎng)的分析研究，均不是施工全過(guò)程系統(tǒng)仿真，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也大多未能在嚴(yán)格規(guī)范的項(xiàng)目質(zhì)量管理的框架下進(jìn)行，因此，對(duì)于混凝土閘墩的裂縫處理問(wèn)題并沒(méi)有一套科學(xué)完整的有效解決措施。

目前，水利水電工程項(xiàng)目防止裂縫的措施主要體現(xiàn)在材料選擇、溫度控制、施工方法和工藝、澆筑養(yǎng)護(hù)等方面。鑒于溢流壩工程的特殊性及重要性，有必要運(yùn)用先進(jìn)手段，定量分析混凝土閘墩裂縫產(chǎn)生的原因，并針對(duì)性地采取相應(yīng)的對(duì)策。在嚴(yán)格的項(xiàng)目質(zhì)量管理框架下進(jìn)行質(zhì)量管理，以便及時(shí)消除潛在的安全隱患，確保溢流壩泄洪系統(tǒng)安全可靠，以使其發(fā)揮應(yīng)有的作用。因此，對(duì)混凝土閘墩裂縫處理問(wèn)題的研究不僅可以為貴州省類(lèi)似水利水電工程提供實(shí)際指導(dǎo)意義，也可為其他地區(qū)類(lèi)似水利水電工程提供有效借鑒。

本文以沙沱水電站混凝土閘墩裂縫為例，對(duì)從高溫到低溫季節(jié)的轉(zhuǎn)變時(shí)期出現(xiàn)的淺表層裂縫，采用加權(quán)因果分析圖和層次分析法(AHP)進(jìn)行問(wèn)題溯源，找出要因，一方面為后續(xù)混凝土施工澆筑過(guò)程提供核心質(zhì)量管控支撐；另一方面也為同類(lèi)工程施工準(zhǔn)備提供參考，做到提前預(yù)防。

1 項(xiàng)目概況

貴州省沙沱水電站主要以發(fā)電為主，同時(shí)兼顧航運(yùn)、防洪及灌溉等任務(wù)。該水電站總庫(kù)容9.21億m3，裝機(jī)容量112萬(wàn)kW，保證出力為322.9MW，多年平均發(fā)電量為45.52億kW·h，單位利用時(shí)間為4056h。該水電站的主要組成部分包括碾壓混凝土重力壩、壩體溢流面、左岸進(jìn)水壩段、壩式廠房和右岸垂直升船機(jī)。

該水電站泄水建筑物由壩身溢流表孔和下游消能防沖建筑物等組成。壩身溢流表孔共有7個(gè)，布置在河床中部主河道上，溢流表孔尺寸為15.00m×23.00m(寬×高)，屬?lài)?guó)內(nèi)同類(lèi)工程中特大表孔之一。溢流表孔閘墩中墩厚5.00m，邊墩厚4.00m，中墩總長(zhǎng)度50.382m。

該水電站泄洪量大，孔口大，弧門(mén)瞬時(shí)啟閉時(shí)，每個(gè)支鉸承受荷載高達(dá)30500kN，巨大的水推力通過(guò)弧門(mén)集中在閘墩的支撐結(jié)構(gòu)(閘墩錨塊)上。在閘墩與錨塊連接部位將形成大面積的拉應(yīng)力區(qū)，閘墩受力復(fù)雜，當(dāng)弧門(mén)單側(cè)擋水時(shí)，閘墩最大拉應(yīng)力達(dá)到6.23MPa，且拉應(yīng)力區(qū)域大。混凝土采用普通的鋼筋混凝土，不但鋼筋數(shù)量多、間距密集難以布置，對(duì)施工造成很大困難，而且很難滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的抗裂或限裂要求。該水電站的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為了改善閘墩的應(yīng)力狀態(tài)，易于施工，便于保證工程質(zhì)量，為工程的安全運(yùn)行提供合理的技術(shù)措施。因此，本工程溢流壩閘墩采用預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)，溢流壩閘墩的中墩布置3000kN級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索42束，共6排，每排7束；每個(gè)邊墩布置3000kN級(jí)預(yù)應(yīng)力主錨索21束，共3排，每排7束。

2 項(xiàng)目質(zhì)量管理問(wèn)題分析

2.1 項(xiàng)目質(zhì)量管理現(xiàn)狀

該水電站在進(jìn)入閘墩混凝土澆筑高峰期時(shí)，由于業(yè)主對(duì)工期的要求比較嚴(yán)格，為實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)工期要求，參建各方加大了閘墩混凝土澆筑力度，為工程的早日完工加班加點(diǎn)。但是在此期間，閘墩混凝土澆筑過(guò)程中，出現(xiàn)了若干條微小裂縫，影響到了工程質(zhì)量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查看，出現(xiàn)的裂縫大部分為順?biāo)飨虬l(fā)展，極個(gè)別裂縫為垂直水流向發(fā)展，且大部分屬于淺表層裂縫。如果出現(xiàn)的裂縫沒(méi)有得到有效的抑制并任由其發(fā)展，就很有可能發(fā)展成貫穿整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)、影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的貫穿性裂縫。

為了研究閘墩裂縫質(zhì)量問(wèn)題的現(xiàn)狀，以及在施工中可能導(dǎo)致裂縫問(wèn)題出現(xiàn)的原因，主要從以下三方面對(duì)項(xiàng)目質(zhì)量管理現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查及分析：閘墩裂縫分布現(xiàn)狀、混凝土施工流程現(xiàn)狀、混凝土施工時(shí)段氣溫現(xiàn)狀。

a.閘墩裂縫分布現(xiàn)狀。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)閘墩的裂縫分布情況，一是可以判斷在該項(xiàng)目中，閘墩裂縫的類(lèi)型，二是可以根據(jù)裂縫類(lèi)型，結(jié)合其他類(lèi)似工程項(xiàng)目的調(diào)研情況，進(jìn)行對(duì)比，獲取有價(jià)值的參考經(jīng)驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，繪制該混凝土閘墩的裂縫分布圖(見(jiàn)圖1)。從裂縫統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，裂縫主要集中在上游溢流堰面和閘墩尾部，大部分裂縫均沿著澆筑塊的短邊發(fā)展，閘墩裂縫有順?biāo)鞣较蚝痛怪彼鞣较騼煞N，且裂縫大多為淺表型裂縫。

圖1 沙沱水電站混凝土閘墩裂縫分布圖

b.混凝土施工流程現(xiàn)狀。在分析研究裂縫出現(xiàn)原因時(shí)，需要考慮在整個(gè)混凝土施工流程中，可能導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)，因此，需要對(duì)該項(xiàng)目中的混凝土施工流程進(jìn)行詳細(xì)剖析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及施工資料統(tǒng)計(jì)，該水電站閘墩混凝土澆筑流程如圖2所示。

圖2 沙沱水電站閘墩混凝土澆筑流程圖

由圖2可知，混凝土依次經(jīng)過(guò)了拌和、運(yùn)輸、澆筑、養(yǎng)護(hù)過(guò)程，其中每個(gè)步驟均可能影響混凝土材料的結(jié)構(gòu)及性能。因此，在分析閘墩裂縫出現(xiàn)的原因時(shí)，可以從混凝土澆筑流程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。

c.混凝土施工時(shí)段氣溫現(xiàn)狀。混凝土施工主要在9月中旬到10月上旬，此施工時(shí)段氣溫見(jiàn)表1。

表1 施工時(shí)段氣溫統(tǒng)計(jì)表

2.2 項(xiàng)目質(zhì)量管理問(wèn)題分析

根據(jù)招標(biāo)文件要求，該水電站混凝土澆筑工程的工期為10個(gè)月，在秋冬之際的施工高峰期，工程面臨溫度由高溫到低溫的季節(jié)轉(zhuǎn)變，因此，出現(xiàn)了多數(shù)混凝土水電站建設(shè)過(guò)程中容易出現(xiàn)的混凝土裂縫問(wèn)題，需要對(duì)該項(xiàng)目中的混凝土裂縫的性質(zhì)進(jìn)行判斷，并就這一問(wèn)題進(jìn)行質(zhì)量控制，以減少施工期閘墩的裂縫條數(shù)。

為了進(jìn)一步掌握混凝土澆筑過(guò)程中出現(xiàn)裂縫的原因，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)一些大中型水電站進(jìn)行調(diào)研，得到一年內(nèi)各施工時(shí)段單個(gè)壩段出現(xiàn)的裂縫條數(shù)統(tǒng)計(jì)表(平均值)(見(jiàn)表2)，圖3為表2的對(duì)應(yīng)餅分圖。

圖3 國(guó)內(nèi)一些大中型水電站施工期間的裂縫條數(shù)統(tǒng)計(jì)餅分圖

表2 一年內(nèi)各施工時(shí)段單個(gè)壩段出現(xiàn)的裂縫條數(shù)統(tǒng)計(jì)表(平均值)

通過(guò)對(duì)以上裂縫統(tǒng)計(jì)進(jìn)行對(duì)照，可以判斷這些工程存在的共同點(diǎn)是：從高溫到低溫季節(jié)的轉(zhuǎn)變時(shí)期裂縫出現(xiàn)概率較大，且這些裂縫均屬于溫度裂縫。綜合本工程的裂縫統(tǒng)計(jì)結(jié)果及混凝土施工的時(shí)段為9月中旬至10月上旬，且9月18—23日氣溫降幅較大，經(jīng)歷了一次寒潮，因此，可以判斷該工程中出現(xiàn)的裂縫屬于溫度轉(zhuǎn)變時(shí)期出現(xiàn)的溫度裂縫，即從高溫到低溫季節(jié)的轉(zhuǎn)變時(shí)期裂縫出現(xiàn)較多。

3 基于加權(quán)因果分析圖和AHP的混凝土閘墩裂縫質(zhì)量管理模型

3.1 混凝土閘墩裂縫處理項(xiàng)目質(zhì)量管理原因分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，資料梳理，集思廣益，從質(zhì)量控制五要素，即人的因素、材料因素、方法因素、機(jī)械設(shè)備因素和環(huán)境因素五方面出發(fā)，分析導(dǎo)致項(xiàng)目質(zhì)量問(wèn)題的原因。

結(jié)合2.1節(jié)中介紹的項(xiàng)目質(zhì)量管理現(xiàn)狀中的混凝土施工流程和混凝土施工時(shí)段氣溫資料，并調(diào)查相關(guān)技術(shù)和施工專(zhuān)家，從質(zhì)量控制五要素出發(fā)，詳細(xì)分析混凝土閘墩“從高溫到低溫季節(jié)的轉(zhuǎn)變時(shí)期裂縫出現(xiàn)較多”的原因。其中，機(jī)械設(shè)備因素下沒(méi)有明顯影響項(xiàng)目質(zhì)量問(wèn)題的原因，因?yàn)樵撍娬镜氖┕こ薪▎挝痪邆浜细竦慕ㄔO(shè)資質(zhì)，并同時(shí)配備有包括混凝土泵車(chē)、混凝土泵(拖泵、車(chē)載泵)、混凝土攪拌站、混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)等完整且先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備，機(jī)械設(shè)備的主要性能參數(shù)均能滿(mǎn)足工程的需求，并已在許多工程中得到成熟運(yùn)用。由于機(jī)械設(shè)備因素導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)的可能性極低。因此，從人為的因素、材料因素、方法因素和環(huán)境因素四方面來(lái)尋找可能的原因。

根據(jù)以上四方面因素分析，繪制貴州省沙沱水電站混凝土閘墩裂縫處理項(xiàng)目中“從高溫到低溫季節(jié)的轉(zhuǎn)變時(shí)期裂縫出現(xiàn)較多”這一問(wèn)題的因果分析圖，如圖4所示。

通過(guò)原因分析，找到了“從高溫到低溫季節(jié)的轉(zhuǎn)變時(shí)期裂縫出現(xiàn)較多”的12條末端原因，即培訓(xùn)時(shí)間少、績(jī)效考核及獎(jiǎng)懲機(jī)制不完善、責(zé)權(quán)制度不完善、頻遇寒潮、對(duì)已澆筑混凝土養(yǎng)護(hù)和保溫不到位、混凝土保濕不到位、未布置冷卻水管、未布置監(jiān)測(cè)儀器、未進(jìn)行分倉(cāng)澆筑、預(yù)冷費(fèi)用高、混凝土拌和樓較遠(yuǎn)、普通水泥水化熱較多。

3.2 層次分析法裂縫原因權(quán)重確定

a.構(gòu)造層次分析結(jié)構(gòu)。確定層次結(jié)構(gòu)圖的目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和最底層，并結(jié)合圖4中所示的因果分析圖，將層次模型轉(zhuǎn)換為因果分析圖，如5所示。其中，目標(biāo)層是解決從高溫到低溫季節(jié)的轉(zhuǎn)變時(shí)期裂縫出現(xiàn)較多這一問(wèn)題；準(zhǔn)則層分為四個(gè)方面，即人的因素、環(huán)境因素、方法因素及材料因素；最底層是準(zhǔn)則層四方面因素各自范疇內(nèi)的具體因素。

圖4 “從高溫到低溫季節(jié)的轉(zhuǎn)變時(shí)期裂縫出現(xiàn)較多”因果分析圖

b.各層指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果?；炷灵l墩裂縫處理項(xiàng)目層次結(jié)構(gòu)模型的準(zhǔn)則層的指標(biāo)為：人的因素、環(huán)境因素、方法因素、材料因素。準(zhǔn)則層指標(biāo)的權(quán)重是質(zhì)量管理小組通過(guò)采訪10名專(zhuān)家確定的，這些專(zhuān)家包括水利水電設(shè)計(jì)施工領(lǐng)域的專(zhuān)家、項(xiàng)目施工團(tuán)隊(duì)的核心管理人員、項(xiàng)目主要負(fù)責(zé)人等。通過(guò)收集他們的評(píng)分結(jié)果，用SPSS軟件分析調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果的可信度，均取得可信結(jié)果，接著，對(duì)評(píng)分結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算分析。

圖5 貴州省沙沱水電站混凝土閘墩裂縫處理項(xiàng)目質(zhì)量管理層次結(jié)構(gòu)模型

c.各因素權(quán)重結(jié)果。通過(guò)各專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)或判斷打分和計(jì)算，結(jié)合計(jì)算結(jié)果，各因子的權(quán)重結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可以看出，從質(zhì)量控制五要素的角度來(lái)看，貴州省沙沱水電站混凝土閘墩裂縫處理工程質(zhì)量問(wèn)題的主要原因是材料因素和方法因素。兩者都對(duì)項(xiàng)目質(zhì)量有很大影響，影響程度相近，權(quán)重分別為0.3884和0.3689；其次是環(huán)境因素，權(quán)重為0.1885；人的因素影響較小，機(jī)械設(shè)備因素幾乎沒(méi)有影響。從最終原因分解的角度來(lái)看，權(quán)重排在前四位的因素是普通水泥水化熱較大、未布置冷卻水管、對(duì)已澆筑混凝土養(yǎng)護(hù)和保溫不到位、未進(jìn)行分倉(cāng)澆筑。其中屬于方法因素的末端因素有兩個(gè)，屬于材料因素的末端因素有一個(gè)，屬于環(huán)境因素的末端因素有一個(gè)。因此，本文主要針對(duì)這四個(gè)終端因素及其所屬的因素類(lèi)別提出合理的質(zhì)量控制對(duì)策。

表3 各因子權(quán)重結(jié)果

通過(guò)結(jié)合工程實(shí)際情況，進(jìn)一步分析論證，確定了引起“從高溫到低溫季節(jié)的轉(zhuǎn)變時(shí)期裂縫出現(xiàn)較多”的12條末端原因中有以下四個(gè)主要因素：?普通水泥水化熱較多；?未布置冷卻水管；?未進(jìn)行分倉(cāng)澆筑；?對(duì)已澆筑混凝土養(yǎng)護(hù)和保溫不到位。

根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，如果能夠保證對(duì)已澆筑混凝土的養(yǎng)護(hù)和保溫措施落實(shí)到位，及時(shí)應(yīng)對(duì)各種不利天氣變化的影響，混凝土面一般較少出現(xiàn)溫度裂縫。因此，對(duì)已澆筑混凝土養(yǎng)護(hù)和保溫不到位是要因之一。

3.3 混凝土閘墩裂縫處理項(xiàng)目質(zhì)量加權(quán)因果分析圖

結(jié)合3.1和3.2的分析內(nèi)容，做出貴州省沙沱水電站混凝土閘墩裂縫處理項(xiàng)目質(zhì)量管理的加權(quán)因果分析圖，如圖6所示。

圖6 貴州省沙沱水電站混凝土閘墩裂縫處理項(xiàng)目質(zhì)量管理的加權(quán)因果分析圖

4 混凝土閘墩裂縫處理項(xiàng)目質(zhì)量控制對(duì)策

根據(jù)前面的計(jì)算分析，導(dǎo)致貴州省沙沱水電站混凝土閘墩裂縫處理項(xiàng)目“從高溫到低溫季節(jié)的轉(zhuǎn)變時(shí)期裂縫出現(xiàn)較多”的主要因素中，權(quán)重最高的四個(gè)因素為：普通水泥水化熱較大、未布置冷卻水管、對(duì)已澆筑混凝土養(yǎng)護(hù)和保溫不到位、未進(jìn)行分倉(cāng)澆筑。針對(duì)這四種主要因素，分析這些因素導(dǎo)致溫度裂縫出現(xiàn)的機(jī)理，并從質(zhì)量管理的幾大要素出發(fā)，對(duì)閘墩后續(xù)澆筑混凝土分別制定針對(duì)性的質(zhì)量控制對(duì)策(見(jiàn)表4)。

表4 貴州省沙沱水電站混凝土閘墩裂縫處理項(xiàng)目的針對(duì)性質(zhì)量控制對(duì)策

5 混凝土閘墩施工前的質(zhì)量管控

加權(quán)因果分析圖和AHP分析方法也經(jīng)常應(yīng)用于施工前的準(zhǔn)備工作中，即對(duì)人、機(jī)、料、法、環(huán)五個(gè)方面的因素進(jìn)行逐條羅列和分析預(yù)評(píng)價(jià)，找出制約混凝土施工質(zhì)量的核心風(fēng)險(xiǎn)因素，將核心風(fēng)險(xiǎn)因素列表并逐條制定相關(guān)措施，特別是對(duì)關(guān)鍵核心因素責(zé)任落實(shí)到人，做好施工前的質(zhì)量把控和事前預(yù)防。本工程若在施工準(zhǔn)備期內(nèi)即找到并制定閘墩混凝土裂縫的控制性措施，如結(jié)合工程區(qū)氣候條件研究是否采用中熱水泥、閘墩混凝土預(yù)埋通水冷卻水管等，則可大幅度降低其開(kāi)裂的概率，且將有利于縮短工程的工期。

6 結(jié) 語(yǔ)

目前，在混凝土裂縫處理項(xiàng)目領(lǐng)域，質(zhì)量管理研究相對(duì)較少，尤其是從定量研究的角度。本文的創(chuàng)新在于將工程質(zhì)量管理的概念與具體的混凝土閘墩裂縫處理項(xiàng)目結(jié)合起來(lái)，在質(zhì)量管理的框架內(nèi)，運(yùn)用定性與定量相結(jié)合的方法，使混凝土閘墩裂縫處理工程的研究成果更好地發(fā)揮其作用，及時(shí)消除潛在的安全隱患，確保泄水建筑物施工、運(yùn)行的安全與可靠。對(duì)混凝土閘墩裂縫處理問(wèn)題的研究不僅可為貴州省類(lèi)似水利水電工程提供實(shí)際指導(dǎo)，也可對(duì)其他地區(qū)類(lèi)似工程提供借鑒。