淺談混凝土壩溫度裂縫的成因以及主要防裂措施

曹 園，田 源，劉雪嬌，西娜爾·哈那提

（河海大學 水利水電學院，江蘇 南京210000）

1 引言

在溫度荷載作用下，大體積混凝土結構中容易產生較大的應力，進而引起溫度裂縫。而根據裂縫的發展深度和出現位置的不同，溫度裂縫對壩體有著不同的影響。

混凝土重力壩、拱壩是兩種常見的壩型，它們的溫度裂縫的成因及防治措施有異同之處。本文主要就這兩種壩型，分別從施工期、運行期兩個時期進行溫度裂縫的成因及防治措施的探討。

2 溫度裂縫成因

2.1 施工期溫度裂縫成因

對于重力壩及封拱前的拱壩而言，溫度應力均屬于澆筑大體積混凝土的溫度應力問題。這里就大體積混凝土施工期溫度裂縫的成因作簡要討論。

2.1.1 壩塊內外溫差

水泥在硬化期間放出大量水化熱，雖然隨著彈性模量上升，混凝土抗拉強度也有所提高，但在內部混凝土溫度很高并發生膨脹、表層混凝土受外界氣溫影響可能收縮的情況下，混凝土表層容易受拉而產生裂縫[1]。另外，隨著齡期的增長，混凝土彈性模量提高，表面混凝土受內部砼降溫收縮變形的約束越來越大，產生巨大拉應力，容易產生裂縫。當施工期內突遇冷空氣或天氣較冷時過早拆除保溫層[2]，混凝土表層溫度變化梯度大，發生收縮，表面將產生較大的拉應力。

2.1.2 基礎溫差

2.1.2.1 基巖約束

基巖約束產生壓應力如圖1所示。混凝土直接澆筑于基巖上，溫度上升期新澆混凝土有受熱膨脹至狀態①的趨勢，但由于基巖的約束作用，最終膨脹形態為②，這導致塊內部產生一定的壓應力。溫度上升期混凝土仍處于半塑性狀態，且徐變影響較大，壓應力較小。

混凝土進入降溫期時，混凝土的自由收縮也同樣受到基巖的約束，在塊體內產生拉應力，如圖2所示。此時，新澆混凝土的彈性模量上升，產生的拉應力隨彈性模量增大而變大。這部分拉應力除去抵消升溫的第一階段產生的壓應力外，仍然存在較大的拉應力，使混凝土內部產生裂縫，內部應力分布規律如圖3所示。

圖1基巖約束產生壓應力

圖2基巖約束產生拉應力

圖3內部應力分布規律

2.1.2.2 老混凝土約束

老混凝土的彈性模量較新澆混凝土而言比較大，同基巖對新澆混凝土的約束機理相同，老混凝土彈性模量越大，產生的溫度應力越大。除此之外，新混凝土澆筑時老混凝土的溫度變形也可能引起結合面拉應力[3]。例如，如果新混凝土在寒冷天氣澆筑，此時老混凝土塊處于收縮狀態，表面呈現下凹的狀態。新混凝土塊澆筑完后，天氣回溫，老混凝土塊表面膨脹，回復至平整狀態，容易在新混凝土塊上側引起壓應力、內部引起壓應力，如圖4所示。

2.2 運行期溫度裂縫成因

2.2.1 重力壩

在大壩運行期，氣溫變化幅度較大，壩體與空氣接觸部位表層附近隨外界氣溫變化較靈敏，但內部混凝土溫變有明顯的滯后現象，不均勻的溫度分布、混凝土自身的不均勻性及脆性[4]，容易使壩體在運行期產生裂縫。比如冬季壩體表面氣溫低，內部氣溫高，內部混凝土膨脹后會在表面產生壓應力，內部產生拉應力。而與庫水接觸的壩段，由于水的比熱容較大，溫度變化相較于空氣不明顯，理論上產生溫度裂縫的概率較上部混凝土低。

圖4新混凝土塊澆筑時老混凝土溫度變形引起的結合面拉應力

2.2.2 拱壩

上述提到的重力壩的產生運行期裂縫的原因，對拱壩也適用。除此之外，對于拱圈，可將沿厚度方向的溫度分解為截面平均溫度Tm、等效線性溫差Td和非線性溫差Tn。實際計算中常只取用Tm、Td，如果考慮非線性溫差，則允許拉應力的計算將難以控制，但非線性溫差是引起拱壩表面溫度裂縫的主要原因之一。

拱壩的溫度荷載大小還與封拱溫度有關。徑向荷載在拱圈中產生了彎矩、軸力、剪力。封拱后，如果壩體溫度降低，拱圈發生收縮，則壩軸線會向下游位移。溫度荷載產生的作用于拱圈上的彎矩、剪力與徑向荷載產生的彎矩、剪力方向相同，軸力方向相反。可見溫降情況下，兩個荷載產生的拉應力疊加，應力狀態極差，容易引起裂縫。

3 防裂措施

3.1 施工期措施

3.1.1 溫控措施

減熱方面，可以在不影響混凝土強度及其耐久性的前提下，采用外加劑、低熱水泥等方式減少水泥水化熱，在拌和混凝土時冰水可以達到降溫的目的。

散熱方面，可以在混凝土內預埋冷卻管通水進行降溫冷卻，并合理安排全年混凝土澆筑施工進度，盡量避免在天氣炎熱的情況下進行大體積混凝土的澆筑。

3.1.2 施工措施

施工措施包括以下幾條：①合理地分縫分塊；②澆筑新老混凝土壩塊時需對間隔時間進行控制；③臨時縫灌漿；④對已有裂縫進行灌漿處理；⑤施工期進行混凝土表面養護，施工時采取表面保護措施；⑥對于拱壩而言，可以適當降低封拱溫度。

除了以上措施之外，提高混凝土質量及抗劈裂強度、改進模板強度等也都是預防裂縫的有效措施。

3.2 運行期措施

加強對壩體應力、裂縫的檢測，以便出現不利情況時及時采取措施。尤其是遇到較不利工況時，需要格外注意。加強混凝土溫控和表面保護措施，比如采用泡沫塑料板對壩面進行永久的保溫等。

需要注意的是，重力壩、拱壩對裂縫的接受程度是不一致的。拱壩由于其結構特性，超載能力強，允許局部開裂，理論上防裂措施的采取較重力壩而言比較寬松。但在實際運用過程中，所采取的具體措施及措施的保證度仍需要通過資料分析確定。