水閘閘墩混凝土開裂防裂機(jī)理分析與防裂措施研究

韓良凱

(遼寧省丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 丹東 118000)

水閘是一種比較典型的水工混凝土結(jié)構(gòu)，受各種不利因素綜合作用也會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)裂縫，而泵送混凝土技術(shù)的推廣應(yīng)用致使裂縫問題更加突出[1]。施工時(shí)期以及混凝土具體構(gòu)造的差異將導(dǎo)致裂縫開裂機(jī)理發(fā)生變化，所以有必要結(jié)合防裂目標(biāo)實(shí)施有針對(duì)性的防裂措施。目前，比較常用的水工混凝土溫控防裂措施有水管冷卻和表面保溫兩種[2]，其中水管冷卻措施的模擬仿真技術(shù)應(yīng)用已比較成熟，對(duì)超大型水工混凝土結(jié)構(gòu)具有較好的適用性；針對(duì)表面保溫措施，國內(nèi)諸多學(xué)者深入研究了保溫材料的選擇及其作用效果[3-8]。然而，水閘閘墩與普通的堤壩混凝土相比存在許多差異，如裂縫開裂機(jī)理、施工操作方法和建筑構(gòu)造等，現(xiàn)有研究深入探討閘墩混凝土溫控防裂技術(shù)的還較少。

1 研究方法

不穩(wěn)定溫度場(chǎng)T(x,y,z,t)在整個(gè)計(jì)算領(lǐng)域R內(nèi)必須符合以下條件，即：

(1)

式中：T為溫度；θ為絕熱溫升度，℃；τ為齡期；t為時(shí)間，d；a為導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h。根據(jù)熱量平衡條件和熱傳導(dǎo)定律，經(jīng)轉(zhuǎn)換計(jì)算可以推導(dǎo)出：

(2)

式中：λ、ρw為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)[kJ/(m·h·℃)]和比熱[kJ/(kg·℃)]；cw為流量(m3/s)；qw為密度，kg/m3。

采用公式(2)和已獲取的冷卻水入口溫度數(shù)據(jù)可以推導(dǎo)出水體的溫度，此外考慮到Tn(溫度梯度)會(huì)影響到測(cè)算的水管水溫值，該條件下利用能夠有效處理非線性邊界問題的迭代法計(jì)算混凝土溫度場(chǎng)[9]。另外，對(duì)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的彈性混凝土應(yīng)力增量利用下式計(jì)算，即：

{△εn}={△εne}+{△εnc}+{△εnT}+{△εns}+{△εno}

(3)

式中：{△ne}、△nc、△nT、△ns、△no為不同類型應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

2 混凝土開裂機(jī)理分析

以東港市新立閘建設(shè)工程為例，該水閘采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，最大過閘流量為296.0m3/s (P=3.3%)，水閘自上游到下游分為4段，上游鋪蓋段、消力池段、下游海漫段長度為15.0m、14.0m和27.0m。新立閘共5孔，高5.1m，每孔凈寬5.8m，閘室左右兩側(cè)河灘地采用溢流堰，左右壩體長度均為106.6m。左側(cè)灘地修建人行橋，長度110m，提水站周邊建管理房，內(nèi)涵控制室、設(shè)備室、變配電室，占地75m2。

該水閘工程主要集中在冬季施工，混凝土澆筑過程中的最低環(huán)境溫度達(dá)到-10℃。通過仿真數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)確定混凝土的主要熱學(xué)性能參數(shù)，即模擬不同環(huán)境下的混凝土狀態(tài)，從而獲取相應(yīng)的參數(shù)值，熱學(xué)性能參數(shù)，見表1。

在使用竹膠模板條件下的混凝土的溫度及應(yīng)力變化曲線，竹膠模板狀態(tài)下的溫度及應(yīng)力變化，見圖1，圖中標(biāo)注的1、2、3、4線代表閘墩應(yīng)力及溫度典型點(diǎn)。

表1 熱學(xué)性能參數(shù)

從圖1可以看出，混凝土澆筑施工的初期有內(nèi)部溫度峰值，并且混凝土內(nèi)部溫度的極值大部分都與內(nèi)外所承受壓應(yīng)力數(shù)據(jù)的峰值同步達(dá)成。后期溫度逐漸下降，溫度變化會(huì)在一定程度上影響水閘閘墩所承受的應(yīng)力，結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部主要承受拉應(yīng)力、壓應(yīng)力。

在混凝土澆筑內(nèi)部溫度升高的時(shí)期，由于外部熱量散失較快使得結(jié)構(gòu)內(nèi)、外形成溫差，并且混凝土內(nèi)部溫度上升至峰值的同時(shí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差也達(dá)到極值。此外，過大的溫差也會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)變形，即內(nèi)部溫度過高導(dǎo)致的膨脹相比于混凝土結(jié)構(gòu)外部更加迅速，并使得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形[10]。這一系列反應(yīng)正是拆模前水工混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因，即形成從外到內(nèi)的水閘閘墩裂縫。

混凝土澆筑后期結(jié)構(gòu)的整體溫度有所下降，總體而言混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的下降幅度要明顯大于外部溫度，從而使得內(nèi)部出現(xiàn)大幅度的冷縮。此外，澆筑后期閘墩受底板的約束力顯著大于初期，因此底板較強(qiáng)的約束力和冷縮變形的綜合作用下，在接近底板的位置閘墩的拉應(yīng)力將達(dá)到峰值，該條件下極易產(chǎn)生從內(nèi)到外的閘墩裂縫[11-12]。

3 防裂機(jī)理與防裂措施

3.1 單純表面保溫

表面保溫措施的防裂機(jī)理主要是降低結(jié)構(gòu)外部的散熱速度，以此減少內(nèi)、外溫差和裂縫形成的概率。采用竹膠模板能夠?qū)﹂l墩混凝土表面起到一定的保溫作用，但塑料板的保溫效果相對(duì)來水更好。為了反映不同種類的保溫材料對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)溫度的影響，在使用竹膠模板的基礎(chǔ)上進(jìn)一步模擬分析塑料保溫板的保溫效果，塑料板保溫的溫度、應(yīng)力曲線，見圖2。

(a)溫度變化過程 (b) 應(yīng)力變化過程

結(jié)果顯示，采用外部保溫材料能夠有效降低閘墩的內(nèi)外溫差，并且保溫材料性能能夠?qū)Ψ懒研Чa(chǎn)生一定影響?；炷翝仓缙谑褂弥衲z模板的內(nèi)外溫差約為15℃，而聯(lián)合使用竹膠模板和塑料板時(shí)可以將溫差減少到5℃。此外，單純使用竹膠模板時(shí)閘墩外部的拉應(yīng)力極值為0.8MPa，而聯(lián)合使用竹膠模板和塑料板時(shí)將明顯降低外部拉應(yīng)力，可見塑料板加的防裂效果的更加顯著。

與大壩相比閘墩底部的混凝土厚度較小，所以閘墩底部的溫差受結(jié)構(gòu)外部溫度的影響更加顯著，為有效控制結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差可以增強(qiáng)表面材料的保溫性能。例如，單純使用竹膠模板時(shí)閘墩典型點(diǎn)的溫升有30℃，澆筑后期內(nèi)部的拉應(yīng)力極值為1.5MPa，而聯(lián)合使用竹膠模板和塑料板時(shí)的溫升極值接近35℃，后期應(yīng)力極值達(dá)到2.2MPa。然而，聯(lián)合使用竹膠模板和塑料板的情況下，拆模操作使得閘墩混凝土更易出現(xiàn)裂縫，這是由于混凝土結(jié)構(gòu)溫差在外部使用保溫材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生突變。所以，使用保溫材料時(shí)可以將混凝土拆模時(shí)間適當(dāng)?shù)难娱L。

此外，在長期保溫情況下，與單純使用竹膠模板相比加用塑料板雖然能夠有效降低拆模影響，但澆筑后期具有更大的拉應(yīng)力增長幅度，長期使用塑料板的溫度、應(yīng)力曲線，見圖3。

(a)溫度變化過程 (b) 應(yīng)力變化過程

3.2 水管鋪設(shè)與表面保溫結(jié)合

與普通的大壩結(jié)構(gòu)相比水閘閘墩的混凝土厚度更小，因此利用內(nèi)鋪冷水管道的措施可以有效降低結(jié)構(gòu)內(nèi)、外溫差以及混凝土溫度變化幅度，從而減少溫度變化所導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力[13-16]。在水閘閘墩混凝土施工過程中，同時(shí)利用內(nèi)部鋪設(shè)水管和外部竹膠模板保溫措施，并搭設(shè)塑料棚減少風(fēng)力作用。由于閘墩下方屬于混凝土易開裂區(qū)域，因此在閘墩高度的3/2處鋪設(shè)12層水管，保持相鄰水管間的距離為0.5m，圍繞澆筑層的中心進(jìn)行水管的鋪設(shè)。此外，選用內(nèi)徑4cm、外徑5cm的鐵質(zhì)冷卻水管，澆筑閘墩混凝土歷時(shí)18h，完成澆筑后立即開展管道鋪設(shè)、注入冷卻等施工，設(shè)計(jì)水管流量為5.81m3/h，注入水溫15℃，通水時(shí)間總體耗費(fèi)4.5d，冷卻水管計(jì)算網(wǎng)格，見圖4；竹膠模板與塑料板結(jié)合時(shí)的溫度、應(yīng)力曲線，見圖5。

由圖5可知，采用表面保溫和鋪設(shè)冷卻水管相結(jié)合的措施，澆筑前期的結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差在5℃以內(nèi)。水閘閘墩在這個(gè)溫差作用下幾乎沒有產(chǎn)生拉應(yīng)力，在沒有鋪設(shè)水管的位置出現(xiàn)了拉應(yīng)力的峰值，其主應(yīng)力為0.5MPa，由此表明埋設(shè)冷卻水管具有較好的溫控效果。另外，混凝土澆筑后期結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大拉應(yīng)力達(dá)到1.2MPa，并且出現(xiàn)在未鋪設(shè)水管的位置，在冷卻水管鋪設(shè)的區(qū)域最大拉應(yīng)力為0.7MPa，與單純使用竹膠模板或塑料保溫板相比最大拉應(yīng)力減少了0.5MPa、1.2MPa，兩者的綜合應(yīng)用能夠有效控制裂縫的形成。從圖5(b)可知，由于冷卻水管的鋪設(shè)具有良好的溫控效果，所以模擬計(jì)算的拆模時(shí)間提前了10d，混凝土在這一時(shí)期還處于降溫環(huán)節(jié)，所以為防止拆模引起外部應(yīng)力突變應(yīng)合理的延后拆模時(shí)間。

圖4 冷卻水管計(jì)算網(wǎng)格

(a)溫度變化過程 (b) 應(yīng)力變化過程

總體而言，采取表面保溫與水管埋設(shè)相結(jié)合的措施，在整個(gè)澆筑過程中閘墩混凝土的拉應(yīng)力都處于較低水平，實(shí)際應(yīng)用時(shí)能夠取得良好的防裂效果。

4 結(jié) 語

研究表明，對(duì)閘墩混凝土單純實(shí)施表面保溫措施有利于降低早期內(nèi)外溫差，但后期會(huì)產(chǎn)生更加顯著的溫度突變。為解決以上問題，提出鋪設(shè)水管和外部使用保溫材料相結(jié)合的方法，不僅有利于控制結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力的變化，而且能夠減少結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差，可為水閘工程質(zhì)量控制提供一定指導(dǎo)。然而，對(duì)于通水時(shí)間、降溫速度、通水溫度等技術(shù)參數(shù)的控制未做詳細(xì)探討，對(duì)此未來仍需進(jìn)一步深入研究。