快速澆筑情況下隨機因素對混凝土壩開裂影響分析

王海波,王仁坤,宋 猛

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072)

0 引 言

在水電工程建設中,隨著施工技術水平的提高、混凝土澆筑能力的提升,混凝土壩建設速度越來越快,在提前蓄水發電盡快發揮經濟社會效益的迫切要求下,突破傳統3.0 m層厚常態混凝土澆筑技術,加大混凝土澆筑層厚 (澆筑層厚度由3.0 m增加至4.5 m或6.0 m,甚至更厚)、短間歇期 (澆筑層間歇期縮短至7 d以內)的快速澆筑方法是混凝土澆筑研究的新方向[1-3].然而,在實際工程中,限制大壩快速上升的因素有很多,混凝土壩快速澆筑方法不可避免會受到骨料供應不足、混凝土澆筑手段的限制和施工組織等影響而出現層面長間歇.實踐表明,層面長間歇對混凝土防裂較為不利.如若層面長間歇期間再遭遇寒潮冷擊等惡劣天氣,則不利影響會加劇.基于此,本文研究并分析了快速澆筑情況下一些隨機出現的因素,如低溫澆筑及層間長間歇、氣溫驟降與晝夜溫差大等對混凝土壩防裂的不利影響,嘗試提出混凝土早齡期開裂風險的判別指標.

1 混凝土早齡期開裂風險

混凝土早齡期時的開裂風險[4-5]一般采用下式來描述

式中,η為開裂風險因子;σ(t)為t時刻混凝土受到的拉應力;ft(t)為t時刻混凝土的抗拉強度;ξ為臨界開裂風險.

σ(t)和ft(t)兩個函數綜合考慮了混凝土抗拉強度、彈性模量、極限拉伸、徐變變形、自生體積變形及溫度變形,全面地反映了各因素對混凝土抗裂性能的綜合影響,因此開裂風險因子η是一個全面的綜合評價指標,可量化評價混凝土抗裂性能.在國內大壩溫控計算中,η也被結構設計人員用于評價結構開裂風險.混凝土材料力學性能和材料模型具有一定的波動性,一般認為其作為混凝土抗裂性的評判標準如下:η>1,混凝土已經開裂;η=1,臨界狀態; 0.7≤η<1,開裂可能性較大;η<0.7,不大可能開裂.

2 低溫澆筑及層間長間歇

引入混凝土開裂風險因子η來評價倉面混凝土早齡期的開裂風險.以圖1所示某混凝土壩段為分析研究對象,考察的澆筑層混凝土澆筑時間為大壩混凝土澆筑的第72 d,澆筑層厚3.0 m.對比兩種工況:工況1.澆筑溫度為28℃,層間間歇7 d后上層覆蓋新混凝土,新混凝土的澆筑溫度同為28℃.工況2.澆筑溫度為28℃,長間歇20 d后再澆筑上層新混凝土,新混凝土的澆筑溫度為 18℃.混凝土主要熱學和力學參數見表1.

圖1 混凝土壩體計算模型

表1 混凝土主要熱學和物理力學參數

圖2和圖3給出了低溫澆筑和層間長間歇時倉面混凝土的溫度和應力時程線及早齡期開裂風險因子.從圖2、3可知:

(1)長間歇期間倉面混凝土溫度持續下降,而澆筑塊內部溫度不斷上升,倉面早期內外溫差和表層混凝土干燥收縮致使混凝土拉應力達到1.13 MPa(圖2b),早齡期開裂風險因子超過0.7,開裂可能性較大.

圖2 低溫澆筑、層間長間歇時倉面溫度和應力時程線

圖3 低溫澆筑、層間長間歇時倉面開裂風險

(2)層間間歇20 d后大壩倉面混凝土溫度在33.9℃左右 (圖2a),18℃的低溫澆筑對下部混凝土而言是一個冷擊過程,老混凝土表面的溫度在短時間內降至新老混凝土的平均值28.1℃,瞬間溫差作用下的倉面混凝土瞬時降溫幅度為5.8℃,倉面混凝土瞬間出現較大的溫度梯度.實際上,如若層面間歇時間只有7 d,則此時大壩倉面混凝土溫度會更高 (37.2℃),瞬間的低溫混凝土澆筑引起的倉面老混凝土的降溫幅度會更大,而冷擊應力的大小與降溫引起的溫度梯度變化成正比,如此大的降溫幅度足以引起倉面混凝土的開裂.另外,下部混凝土受上部低溫澆筑影響會產生拉應力,而上部混凝土水化熱溫升時也會在下部混凝土引起拉應力,這樣產生的溫度應力會有相當一部分殘留在混凝土內部.當壩體內部殘留拉應力與后期溫降引起的拉應力迭加則加大引起裂縫的可能或使已有的小裂縫擴展形成宏觀危害性裂縫.

混凝土壩快速澆筑條件下常因混凝土澆筑強度不能滿足要求或其他原因,出現層面長間歇,算例研究表明,倉面長間歇對混凝土防裂極為不利;同時,澆筑溫度并非越低對混凝土防裂越有利.工程實踐中應對上述兩種不利情況給予足夠的重視.高溫時段澆筑混凝土時,應盡可能采用表面流水、倉面噴霧等保溫保濕措施降低倉面溫度,或選擇低溫時段澆筑混凝土,避免出現低溫澆筑致裂問題.

3 氣溫驟降與晝夜溫差

在進行混凝土壩溫控防裂研究以及制定溫控標準和溫控措施時,往往選用壩址區多年月平均氣溫變化作為計算條件,多年月平均氣溫可以代表一年為周期的溫度荷載作用.而實際上,氣溫驟降、晝夜溫差等短周期沖擊性溫度荷載由于突然改變了混凝土的溫度邊界條件,使壩塊表面產生很大的降溫幅度與梯度,受內部約束產生拉應力,也是溫度裂縫產生的重要原因,必須予以考慮.

以上節算例中混凝土壩段為例,考慮寒潮冷擊和晝夜溫差對混凝土溫度和應力的影響.多年月平均氣溫變化為

氣溫日變化為

式中,Ta(τ)為月平均氣溫;Tda(t)為日平均氣溫,一般一天中最高氣溫出現在14:00.考察澆筑層混凝土澆筑起始時間仍設定為大壩混凝土澆筑的第72 d,計算假定發生2次寒潮,分別在該澆筑層澆筑結束5 d時和30 d時.第一次寒潮到來時第1 d平均日氣溫突降10℃,低溫持續1 d,第3 d回升10℃至正常氣溫.第二次寒潮到來時第1 d平均日氣溫突降15℃,低溫持續1 d,第3 d回升15℃至正常氣溫.氣溫驟降影響的壩塊典型部位溫度和應力時程線見圖4.

圖4 氣溫驟降影響的壩塊典型部位溫度和應力時程線

從圖4可知,第一次寒潮時,氣溫驟降對倉面混凝土和壩體上游表面均有不利影響,且對倉面混凝土的不利影響較上游表面大,而對壩體內部影響不明顯,溫降過程作用局限于表層,影響深度小于1.5 m.混凝土澆筑層厚度遠小于其平面尺寸,熱量的傳導主要在鉛直方向,澆筑層面是主要的散熱面,間歇期內外溫差大,溫度梯度也較壩體表面大,而早齡期混凝土強度低,遭遇寒潮冷擊更易開裂,因此,倉面是防裂的重要部位.

圖5 氣溫驟降影響的壩塊典型部位開裂風險

由圖4a可見,第一次寒潮冷擊時,給壩塊帶來很大的降溫幅度和溫度梯度,如倉面混凝土最大降溫量與氣溫驟降幅度之比為70%,溫度梯度由8.8℃/m驟增至14.5℃/m,最大拉應力達3.01 MPa(考慮了溫度驟降與晝夜溫差疊加的結果,晝夜溫差的影響較氣溫驟降小),倉面開裂不可避免;壩體上游表面最大降溫量與氣溫驟降幅度之比為86%,溫度梯度由1.4℃/m驟增至2.38℃/m,最大拉應力只有0.76 MPa,開裂因子低于0.7.相同的溫降值引起的溫度梯度增大值不同,最大拉應力值主要取決于溫度梯度的變化.第二次寒潮來臨時,澆筑層倉面點已轉化為內部點,氣溫驟降的影響僅限于壩體上游表面,其溫度值由33.17℃驟降至21.36℃,拉應力從0.34 MPa驟增至1.59 MPa,開裂因子超過0.7.第二次氣溫驟降時,混凝土齡期已經較大,強度和彈性模量較大,引起的拉應力也較大.

對比分析寒潮冷擊氣溫驟降和第2節中低溫澆筑工況可以發現,同樣是10℃的溫差,氣溫驟降對倉面混凝土防裂的不利影響更大,如果低溫澆筑會引起倉面混凝土的細微裂縫,則氣溫驟降將引起倉面混凝土的嚴重開裂,但影響深度較小.開裂風險與倉面混凝土的溫度梯度變化成正比,壩體上游表面溫度梯度變化較小,開裂風險也較倉面小.

從以上分析,筆者認為,防止混凝土裂縫的產生,應從減小壩塊受氣溫驟降和晝夜溫差影響的敏感程度,即從減小表層混凝土的溫度梯度著手.考慮到上下游壩面的重要性不同,壩體上游迎水面有防滲要求,不容許出現裂縫,上游面的溫控防裂措施應較下游面嚴格.

4 結 語

綜上分析研究發現,溫度梯度是引起混凝土開裂的主要原因,其可作為混凝土開裂風險的判別指標.低溫澆筑引起倉面混凝土溫度的空間梯度瞬間增大是其致裂主因;氣溫驟降引起表層混凝土溫度的時間和空間梯度增大是其致裂主因.傳統的以內外溫差作為判別混凝土開裂的指標是不全面的.筆者認為,以溫度的空間梯度和時間梯度作為混凝土開裂風險的判別指標較傳統的以內外溫差作為判別指標更為全面、合理.澆筑層倉面和壩體表面的防裂應從減小表層混凝土的降溫幅度、溫度梯度等著手.

[1] 強晟,朱岳明.混凝土壩厚層短歇的快速澆筑方法及應用[J].三峽大學學報:自然科學版,2010(4):38-41.

[2] 張彬,李文,馬福軍.錦屏一級水電站高拱壩混凝土快速施工技術[J].四川水力發電,2011(2):5-7.

[3] 韓炳蘭,商永紅,樂運紅.向家壩水電站左岸大壩混凝土快速施工[J].水力發電,2010(2):38-40.

[4] ALTOUBAT S A,LANGE D A.Creep,shrinkage and cracking of restrained concrete at early age[J].ACI Materials Journal,2001,98(4):323-331.

[5] 陳波,蔡躍波,丁建彤.大壩混凝土抗裂性綜合評價指標[J].混凝土,2008(10):5-7.