水電站隧洞混凝土襯砌施工中的溫控防裂研究

孫虹波

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610000）

近年來，我國在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面的力度越來越大。特別是在水利水電工程項(xiàng)目方面，建設(shè)了很多相關(guān)的項(xiàng)目以滿足人們對電能日益增長的需求。在水利水電工程項(xiàng)目建設(shè)方面積累了很多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并取得了很大的成就。部分水利水電工程項(xiàng)目在建設(shè)過程中受到相關(guān)區(qū)域地理?xiàng)l件的限制，需要用到隧洞。由于施工環(huán)境特殊，在水電站隧洞施工中，需要考慮的問題比較多，比如隧洞的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及可實(shí)施性等。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國在水電站隧洞施工技術(shù)方面積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，解決了一大批技術(shù)難題，形成了相對比較成熟的技術(shù)體系。但在已有的關(guān)于隧洞混凝土施工技術(shù)的研究中，很少有關(guān)注混凝土溫控防裂問題的報(bào)道。這主要是因?yàn)樗矶磧?nèi)部溫度通常比較穩(wěn)定，人們不是特別關(guān)注混凝土溫度控制問題。但實(shí)際上，隧洞混凝土襯砌施工中，因溫度控制不當(dāng)導(dǎo)致的裂縫現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，只不過出現(xiàn)的裂縫程度不同。基于此，有必要對水電站隧洞混凝土襯砌施工中的溫控防裂問題進(jìn)行深入分析和研究，避免出現(xiàn)混凝土裂縫問題，提升隧洞混凝土施工質(zhì)量，保證水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 溫度應(yīng)力影響下混凝土出現(xiàn)裂縫的基本原理

通常情況下，水電站隧洞混凝土都比較薄，同時(shí)還會(huì)受到附近圍巖對其產(chǎn)生的約束作用。襯砌混凝土的厚度通常在50～100mm。水電站隧洞具有特殊性，為了保障其性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使用的水泥標(biāo)號通常都相對較大。混凝土在澆筑完成后的硬化過程中會(huì)產(chǎn)生水化效應(yīng)，釋放出大量的熱量，水泥標(biāo)號越高，這種現(xiàn)象越顯著。水化效應(yīng)產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度出現(xiàn)一定程度的升高，如果不及時(shí)降低溫度，就會(huì)使混凝土的體積出現(xiàn)一定程度的膨脹。而混凝土又會(huì)受到周圍圍巖的約束作用，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力增加到一定程度，超過了對應(yīng)齡期條件下混凝土的抗拉強(qiáng)度后，混凝土表面首先會(huì)出現(xiàn)裂縫，然后裂縫逐漸向心部拓展，可能會(huì)出現(xiàn)貫穿整個(gè)混凝土的裂縫。對于上述的水電站隧洞混凝土襯砌施工過程中的溫度應(yīng)力現(xiàn)象，有必要采取行之有效的措施對其進(jìn)行控制，進(jìn)而避免混凝土出現(xiàn)裂縫問題。可以采取的措施主要包括：適當(dāng)降低混凝土襯砌施工溫度、在拆除模板之前做好通風(fēng)工作使水化效應(yīng)產(chǎn)生的熱量及時(shí)散發(fā)出去等。

2 水電站隧洞工程中混凝土襯砌施工溫度應(yīng)力影響因素

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在春季時(shí)節(jié)進(jìn)行混凝土襯砌施工時(shí)，通常不會(huì)出現(xiàn)貫穿整個(gè)混凝土的裂縫，春季澆筑施工過程中需要重點(diǎn)防范的是混凝土早期表面裂縫現(xiàn)象。在夏季開展混凝土襯砌施工時(shí)，在完成澆筑后期降溫過程中，容易出現(xiàn)貫穿整個(gè)混凝土的裂縫。而在秋季和冬季進(jìn)行隧洞混凝土襯砌施工時(shí)，同樣可能出現(xiàn)由溫度應(yīng)力引發(fā)的裂縫現(xiàn)象。文章以某水電站隧洞混凝土襯砌施工過程為例進(jìn)行分析，在秋季進(jìn)行施工，利用有限元方法針研究混凝土襯砌施工溫度應(yīng)力，并進(jìn)行模擬計(jì)算，分析了不同工藝條件下的溫度應(yīng)力值以及工藝條件對混凝土溫度應(yīng)力的影響規(guī)律。該工程項(xiàng)目的斷面見圖1。

圖1 水電站隧洞的斷面示意圖

2.1 混凝土襯砌施工長度對溫度應(yīng)力的影響

為了研究襯砌施工長度對混凝土溫度應(yīng)力產(chǎn)生的影響，在保持其他工況條件全部相同的情況下，只改變襯砌施工長度大小，并開展相關(guān)的模擬仿真工作。分別設(shè)置襯砌施工的長度值為6m、9m和18m，工程中標(biāo)準(zhǔn)的襯砌施工長度為12m，通過分析計(jì)算可得到不同襯砌施工長度時(shí)混凝土截面的溫度應(yīng)力情況。結(jié)果表明，不同襯砌施工長度對應(yīng)的混凝土截面溫度應(yīng)力存在差異，隨著襯砌施工長度增加，溫度應(yīng)力逐漸增強(qiáng)，但是增大的幅度非常有限，基本上可以忽略不計(jì)。由此可以看出，襯砌施工長度對溫度應(yīng)力的影響非常小，很難通過改變襯砌施工長度來控制混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對裂紋的控制。

2.2 混凝土襯砌施工溫度對溫度應(yīng)力的影響

保持其他工況條件相同，以襯砌施工溫度為控制變量，分別設(shè)置混凝土襯砌施工溫度為13℃、10℃和8℃，并開展仿真模擬工作，統(tǒng)計(jì)分析了3種混凝土襯砌施工溫度條件下對應(yīng)的混凝土截面溫度應(yīng)力情況。需要說明的是，統(tǒng)計(jì)分析的是混凝土28d齡期時(shí)的溫度應(yīng)力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與襯砌施工溫度為13℃時(shí)相比，襯砌施工溫度為10℃時(shí)的溫度應(yīng)力更低，其中混凝土表面溫度應(yīng)力和圍巖側(cè)面溫度應(yīng)力的降低幅度值分別為8.2%和11.2%。而當(dāng)襯砌施工溫度為8℃時(shí)，混凝土表面溫度應(yīng)力和圍巖側(cè)面溫度應(yīng)力的降低幅度值分別為13.5%和18.6%。基于該結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，混凝土襯砌施工溫度對溫度應(yīng)力有非常大的影響，通過降低混凝土襯砌施工溫度，能夠有效控制混凝土溫度應(yīng)力。

2.3 開始保溫時(shí)間和保溫方式對溫度應(yīng)力的影響

標(biāo)準(zhǔn)工況條件下，在18d齡期時(shí)，襯砌施工混凝土表面溫度應(yīng)力和圍巖側(cè)面溫度應(yīng)力分別為2.155MPa和2.239MPa。而對應(yīng)齡期的混凝土抗拉強(qiáng)度卻只有2.217MPa。可以看出，圍巖側(cè)面溫度應(yīng)力已經(jīng)超過了對應(yīng)齡期的混凝土抗拉強(qiáng)度，非常容易出現(xiàn)裂紋問題。因此，為了降低溫度應(yīng)力，應(yīng)該在18d齡期之前就做好保溫工作。模擬仿真研究了不同保溫起始時(shí)間對溫度應(yīng)力的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，開始保溫時(shí)間越早，混凝土截面溫度應(yīng)力值就越小。相反的，如果開始保溫時(shí)間較晚，那么混凝土表面溫度應(yīng)力就越大。結(jié)合具體情況，最終確定開始保溫的時(shí)間為混凝土襯砌施工完成后的15d。

下文分析不同保溫方式對混凝土溫度應(yīng)力的影響，下述的所有工況全部是從混凝土襯砌施工完成后的第15d開始。

保溫方式1：使用的保溫材料為聚乙烯泡沫塑料板，厚度為20mm，該種材料的導(dǎo)熱系數(shù)為3.015kJ/（m·h·℃），其他條件按照標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行設(shè)置。

保溫方式2：使用的保溫材料為聚乙烯泡沫塑料板，厚度為20mm，其他條件按照標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，通過保溫簾對襯砌混凝土進(jìn)行保溫，確保環(huán)境溫度保持在5℃以上。

保溫方式3：使用的保溫材料為聚乙烯泡沫塑料板，厚度為40mm，其他條件按照標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行設(shè)置。

分別分析計(jì)算上述的3種保溫方式，可得到混凝土表面以及圍巖側(cè)面的溫度應(yīng)力。在保溫方式1下，混凝土完成襯砌施工后的第15d開始進(jìn)行保溫，隨著混凝土齡期的不斷增大，混凝土表面和圍巖側(cè)面的溫度應(yīng)力均逐漸增大，兩者的最大值分別為4.389MPa和4.855MPa，溫度應(yīng)力達(dá)到最大值后，隨著混凝土齡期的增大，溫度應(yīng)力又開始逐漸降低。在保溫方式3下，得到的溫度應(yīng)力變化規(guī)律與保溫方式1基本相同，所不同的是達(dá)到溫度應(yīng)力最大值所需時(shí)間更短。保溫方式2與保溫方式1相比較，兩者的不同之處在于保溫方式2添加設(shè)置了保溫簾，保證了隧洞內(nèi)部的溫度始終維持在5℃以上。通過采取該項(xiàng)保溫措施，使混凝土溫度應(yīng)力出現(xiàn)了大幅度降低。在60d齡期時(shí)，保溫方式2與保溫方式1對比，混凝土表面溫度應(yīng)力和圍巖側(cè)面溫度應(yīng)力分別降低了48.2%和30.7%。且在整個(gè)凝固過程中混凝土的溫度應(yīng)力都沒有超過對應(yīng)齡期的抗拉強(qiáng)度。

3 水電站隧洞混凝土襯砌施工溫控防裂措施

通過上述分析可以看出，對混凝土溫度應(yīng)力產(chǎn)生影響的因素是多方面的。如果只對某一個(gè)因素進(jìn)行控制，很難達(dá)到最好的控制效果。基于此，可以同時(shí)對多個(gè)因素進(jìn)行綜合控制，以達(dá)到最優(yōu)的溫控防裂效果，保證水電站隧洞混凝土襯砌施工的質(zhì)量。襯砌施工長度對混凝土溫度應(yīng)力的影響幾乎可以忽略不計(jì)，此項(xiàng)因素不在溫控防裂的考慮范圍內(nèi)。主要從其他影響因素方面著手來實(shí)現(xiàn)溫度的控制，進(jìn)而避免混凝土出現(xiàn)裂紋問題。結(jié)合此工程項(xiàng)目的具體情況，提出如下溫控防裂措施：將混凝土襯砌施工長度控制在12m，混凝土襯砌施工溫度設(shè)置為8℃，在完成混凝土襯砌施工后的第15d開始開展保溫工作，具體保溫方式是在混凝土表面覆蓋一層聚乙烯泡沫塑料板，厚度為20mm。同時(shí)，利用保溫簾確保混凝土的溫度維持在5℃以上。

4 結(jié)束語

隨著各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)程的逐漸加快，我國在水電站建設(shè)方面的速度越來越快。與此同時(shí)，對建設(shè)質(zhì)量的要求也越來越高。溫度應(yīng)力導(dǎo)致的混凝土裂紋問題是影響工程項(xiàng)目施工質(zhì)量的重要因素之一。文章通過數(shù)值仿真方法研究了不同工藝條件對混凝土溫度應(yīng)力的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)混凝土襯砌施工長度對溫度應(yīng)力的影響幾乎可以忽略不計(jì)，而混凝土襯砌施工溫度和開始保溫時(shí)間、保溫方式對最終的溫度應(yīng)力有顯著影響。為此，可以從混凝土襯砌施工溫度和開始保溫時(shí)間、保溫方式等方面著手做好溫度應(yīng)力控制和溫度裂紋防治工作。