混凝土壩裂縫防治措施

□ 李 祝

混凝土壩裂縫防治措施

□ 李 祝

碾壓混凝土筑壩是最近20年發(fā)展起來的一項新技術(shù)。在問世之初，由于碾壓混凝土水泥用量大大減少，人們曾一度認為碾壓混凝土不存在溫控制問題，后來經(jīng)過研究，發(fā)現(xiàn)碾壓混凝土雖具有水泥用量少、絕熱溫升較低的優(yōu)點，但因大量摻用粉煤灰，水化熱散發(fā)推遲，而碾壓混凝土上升速度快，因而使施工過程中層面散熱不夠。另外，碾壓混凝土的徐變較小，極限拉伸變形也略低，故抗裂能力較低。因此，碾壓混凝土同樣存在溫控問題，也較容易出現(xiàn)裂縫。就此，我們著重介紹混凝土壩體裂縫的防治措施。

一 、材料方面

與常態(tài)混凝土比較，碾壓混凝土的徐變和極限拉伸變形較小，因此抗裂能力較低。所以，只有提高碾壓混凝土這兩方面的能力，才能提高其抗裂能力。

(一)徐變。

混凝土的徐變受灰漿率、混凝土配合比、加荷齡期、水泥性質(zhì)、持荷應(yīng)力、持荷時間、骨料的彈性比與級配、結(jié)構(gòu)尺寸等多種因素的影響。一般灰漿比越大徐變越大;水膠比越大徐變越大;加荷齡期越早，徐變越大;持荷時間越長徐變越大;骨料石材的彈強比越小徐變越大。

(二)極限拉伸變形。

極限拉伸值是衡量混凝土抗裂性的重要指標之一。與常態(tài)混凝土一樣，受膠凝材料用量、混凝土抗拉強度、混凝土的彈性模量及齡期等影響。干貧碾壓混凝土28d齡期的極限拉伸值約為40～70με，90d齡期增長不大，高粉煤灰碾壓混凝土90d齡期的極限拉伸值約60～90με。如果采用變形較大和界面效應(yīng)較好的骨料和脆性系數(shù)較小的水泥等，可使碾壓混凝土的極限拉伸值大幅度提高。

二 、選擇合適的澆注溫度

必須根據(jù)各工程的實際情況，設(shè)計一個比較合適的入倉溫度，以達到如下目的:一是控制壩內(nèi)溫差，從而降低基礎(chǔ)約束形成的溫度應(yīng)力，以避免壩體出現(xiàn)深層或貫穿裂縫。二是控制壩體表層的溫度梯度，減輕壩體內(nèi)部約束，從而防止產(chǎn)生表層裂縫。其最終目的就是控制三個指標。一是基礎(chǔ)溫差;二是上下層溫差;三是內(nèi)外溫差。

（一）基礎(chǔ)溫差

基礎(chǔ)溫差是指壩塊基礎(chǔ)部位的最高溫度與相應(yīng)區(qū)域穩(wěn)定溫度之差，即

式中 ΔT--基礎(chǔ)溫差;

Tp--混凝土澆注溫度；

Tr--混凝土的水化熱溫升；

Tf--壩塊的穩(wěn)定溫度

碾壓混凝土大壩由于不設(shè)縱縫，其底寬較大，基礎(chǔ)約束的范圍也較高，在壩體內(nèi)的穩(wěn)定溫度場的溫度相差也較大，因此溫差無論在水平方向還是鉛直方向都是非均勻分布的，分均勻分布的溫差所應(yīng)起的應(yīng)力與澆筑塊的高寬比、混凝土與基巖或新老混凝土的彈性模量比、壩區(qū)氣候以及混凝土的彈性模量、熱脹系數(shù)有關(guān)。其中壩塊的高寬比越小，溫度應(yīng)力越大。

（二）上下層溫差

上下層溫差是指在長間歇老混凝土壩塊上澆筑新混凝土?xí)r，限制新老混凝土之間的溫差。目的是防止上部新澆混凝土溫度過高，降溫時受老混凝土約束而產(chǎn)生裂縫。其原因是:①長間歇老混凝土的水化作用已基本結(jié)束，內(nèi)部溫度直接受氣溫影響作周期性變化，接近甚至低于年平均氣溫;②老混凝土齡期長，彈性模量高，甚至超過基巖，對新澆混凝土降溫產(chǎn)生較大的約束。

《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定:“上下層溫差系指在老混凝土面(齡期超過20d)上下各L/4范圍內(nèi)，老混凝土上層最高平均溫度與新澆混凝土開始澆筑時下層實際平均溫度之差。當(dāng)上層混凝土短間歇均勻上升的澆筑高度h大于0.5L時，上下層允許溫差約為15～20℃，澆筑塊側(cè)面長期暴露時，宜用較小值。嚴寒地區(qū)上下層溫差標準可另行研究。”本規(guī)范只是制定了上下層溫差的一個標準，在實際工程中，上下層溫差往往轉(zhuǎn)換為控制新澆混凝土最高溫度。

（三）內(nèi)外溫差

溫度應(yīng)力是由溫度場的變化引起的，當(dāng)一個壩塊澆筑后，由于水化熱的變化及外界氣溫的影響，內(nèi)部溫度即不斷變化，相對于初溫，溫度場的變化可分為均勻和非線性降溫兩部分，根據(jù)疊加原理可分別考慮。但對不存在外部約束的部位，均勻降溫不會產(chǎn)生溫度應(yīng)力或可略去不計。

降溫的非線性分布，在壩體內(nèi)將引起應(yīng)力，需要加以分析和限制。它所引起的應(yīng)力的大小與非線性降溫的幅度及梯度有關(guān)，而兩者均可由壩塊內(nèi)外兩點的降溫之差來表示。但在初溫均勻分布的條件下，內(nèi)外兩點的降溫之差即等于內(nèi)外兩點的溫差(及內(nèi)外溫差)，在實際工程中，壩塊的內(nèi)外溫差可認為是中心點和邊界點溫度之差。因此，壩塊的內(nèi)外溫差問題，實質(zhì)上是反映壩塊降溫的非線性分布，造成內(nèi)部約束而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力問題。

氣溫年變化及氣溫驟降都在壩塊內(nèi)形成內(nèi)外溫差。實際工程中，內(nèi)外溫差的控制理解為針對壩塊受氣溫年變化而言，不包括氣溫驟降的影響。

三 、設(shè)置誘導(dǎo)縫

誘導(dǎo)縫是碾壓混凝土大壩的一種溫控防裂措施，在很多大型水利工程中都采取了這種方法，但是在很多碾壓混凝土重力壩中，采取的是RCD施工工藝，而碾壓混凝土拱壩采取的是RCC施工工藝，它們所采取的誘導(dǎo)縫具有不同的特征。

（一）重力壩中的誘導(dǎo)縫

根據(jù)大壩仿真分析以及經(jīng)驗顯示，在擋水壩段越冬停澆面上下游部位常因拉應(yīng)力較大而開裂，如果采取控制混凝土的澆筑溫度以及采取對混凝土進行保溫的方法，也很難從根本上解決擋水壩段越冬停澆面上下游部位的不規(guī)則裂縫。因此采取誘導(dǎo)縫是一種簡單實用的方法。可考慮在擋水壩段上游的停澆面附近設(shè)置1米深的水平預(yù)留縫，內(nèi)設(shè)兩道水平止水，縫端設(shè)開口PVC管以及限裂鋼筋，下游在停澆面附近設(shè)置3米深的水平預(yù)留縫，壩內(nèi)縫端設(shè)開口PVC管。

（二）拱壩中的誘導(dǎo)縫

碾壓混凝土拱壩由于斷面較小，混凝土的升程相對較快，大量的水化熱無法在短時間內(nèi)散發(fā)掉，而且碾壓混凝土拱壩很少設(shè)橫縫，即使設(shè)橫縫，橫縫的間距也是很大，否則便不能發(fā)揮碾壓混凝土快速施工的特點。另外在整體式碾壓混凝土拱壩中，壩體的弧長與其厚度的比值均較大，是一長條形的結(jié)構(gòu)，從溫控角度來說，是較為不利的。由于溫降產(chǎn)生的拉應(yīng)力和碾壓混凝土干縮等很容易導(dǎo)致混凝土沿壩體最薄弱部位沿橫向產(chǎn)生裂縫，而解決這個問題的最簡單易行的辦法就是設(shè)置誘導(dǎo)縫。

（三）碾壓混凝土拱壩中誘導(dǎo)縫的位置

誘導(dǎo)縫是靠其自身對其所受拉應(yīng)力的放大來優(yōu)先使壩體在誘導(dǎo)縫處形成縫的。首先誘導(dǎo)縫必須布置在拉應(yīng)力相對較大的部位;其次該處的拉應(yīng)力乘上其應(yīng)力放大倍數(shù)，應(yīng)大于其相鄰分塊內(nèi)任何拉應(yīng)力值。計算結(jié)果表明，誘導(dǎo)縫一般應(yīng)設(shè)在拱端和拱冠附近拉應(yīng)力較大的斷面，使其在壩體應(yīng)力增大時，首先張開，可充分發(fā)揮預(yù)期的作用。但當(dāng)誘導(dǎo)縫未開裂時，由于其力學(xué)參數(shù)降低，相反增大了該部位的最大應(yīng)力。另外由于碾壓混凝土拱壩溫降歷時長，在運行期其縫也有可能張開，因此拱壩壩中誘導(dǎo)縫不宜布置在拱端及拱冠拉剪壓應(yīng)力最大的部位，否則會破壞其約束條件導(dǎo)致拱壩應(yīng)力條件惡化。

四、 提高碾壓混凝土本體密實性

碾壓混凝土是利用碾壓機械的強力振動和碾壓的共同作用，對超干硬性混凝土進行壓實的一種混凝土施工方法。只有保證碾壓混凝土的密實，才能保證其抗拉、抗剪等與碾壓混凝土抗裂有關(guān)的性能。碾壓混凝土本體的密實性主要與混凝土的配比、VC值、混凝土的鋪料厚度以及碾壓遍數(shù)有關(guān)。

（一）碾壓混凝土本體密實性與配合比的關(guān)系

碾壓混凝土中膠凝含量越高，混凝土的和易性以及可碾性越好。但從溫控角度來看，膠凝材料以粉煤灰的摻量高為宜，另外骨料的石粉含量宜控制在11～22%，其最佳含量應(yīng)通過各工程的實際試驗得出。

（二）碾壓混凝土本體密實性與VC值的關(guān)系

碾壓混凝土施工中要求混凝土的VC值與所用振動碾的振動能量相適應(yīng)。太大，振動碾能量不足以使混凝土液化，達不到完全壓實的目的;太小，振動碾將下沉，無法工作。

（三）碾壓混凝土本體密實性與鋪料厚度以及碾壓遍數(shù)的關(guān)系

其選擇主要是根據(jù)各施工工地的碾壓機具以及施工倉面來決定，如果碾壓設(shè)備擊實功率大，施工場地比較狹小，一般可采取50cm的碾壓厚度，如果碾壓設(shè)備擊實功率大，但是施工開闊，采取30cm的碾壓厚度就更經(jīng)濟合理一些。

五 、減少層面暴露時間

為了保證RCC壩施工層面結(jié)合質(zhì)量，應(yīng)使層面暴露時間小于初凝時間。RCC采用高效緩凝劑后在現(xiàn)場條件下，初凝時間一般會略有延遲，在施工中除了加大強度和減小倉面外，也可以采用RCC斜層澆筑，以較少暴露時間。

綜上所述，在對水庫日常管理過程中，除了注重對混凝土壩的日常巡視與維護，及時發(fā)現(xiàn)問題外，還應(yīng)結(jié)合各項工程措施，確保水利工程安全，充分發(fā)揮水利工程的作用。

哈爾濱市水務(wù)局江北水城調(diào)度中心150010 ）