大體積水利水電工程混凝土裂縫原因探析

姜 峰

(葫蘆島市綏中縣大風口水庫管理處，遼寧 綏中 125200)

0 引 言

裂縫的存在顯著縮短了結構的服役壽命，并對結構的安全性、穩定性和耐久性造成極為不利的影響，這主要體現在加速鋼筋銹蝕及混凝土碳化、促使混凝土發生凍融與溶蝕破壞、破壞整體性、改變原應力狀態、產生滲漏等方面[1-4]。由于水工大體積混凝土具有易受環境約束、熱傳導性差、抗拉強度低、結構體積大的特點，實際工程中極易出現裂縫，因此質量控制的重點為有效防治裂縫。受外界環境、施工工藝和自身特性等多種因素的影響，水工大體積混凝土裂縫有進一步擴張的趨勢。從裂縫成因的角度上，施工條件、材料特性、內部與外部約束、混凝土收縮變形、水泥水化熱、體型體量、環境溫度、配合比設計等為影響大體積混凝土裂縫的主要因素[5-6]。研究表明，因施工因素、混凝土材料、設計不當及其他因素造成的大體積混凝土裂縫占比約為80%、15%和5%。因此，為最大限度的減少混凝土有害裂縫，必須采取有效的防裂技術，以保證結構施工質量及其設計使用年限[7-8]。

1 工程概況

水電站廠房6號壩段6-2-左上游面的倉位產生裂縫，倉位尺寸長19.25m×寬25.00m×高1.71m，存在于高出基建面2.05m處。澆筑C9025三級常態和C9025三級富漿混凝土，塌落度為7-9cm與5-7cm，利用臺階法及纜機澆筑將近16h，該過程采取的溫控措施有冷卻通水、噴霧機，并覆蓋保溫被。由于施工進度的限制，在澆筑完成一個月后排查其裂縫，結果發現2條沿橫向、豎向呈十字形展布的貫穿裂縫，縫長為20.26mm與25.71cm，縫深約168cm，寬度為0.1-0.2mm，在上下游和左右方向上從上游貫穿下游、從左側貫穿右側全倉。

2 混凝土裂縫原因

2.1 原因分析關聯圖

通過咨詢施工人員、查閱相關資料以及分析澆筑環境、倉位位置和工藝技術，結合裂縫成因以及工程施工經驗總結該倉混凝土裂縫形成的主要原因，并對形成裂縫的原因利用關聯圖分析，如圖1。

圖1 關聯圖

2.2 裂縫產生要因

對可能導致裂縫產生的原因利用原因分析關聯圖查找，并確定末端原因有11條。通過對照施工技術相關要求以及查閱施工過程有關資料，對末端原因的關聯度組織工程各參建方打分，從而確定9、10月份施工晝夜溫差變化大、混凝土料配合比不合理、施工藍圖下發不及時和混凝土澆筑倉面過大等4項關聯程度較高的末端原因，如表1。對于較高關聯程度的末端原因提出有效的對策，如表2。

表1 裂縫產生要因

表2 末端原因對策表

3 溫控監測數據分析

依據廠房壩段分縫分塊布置和設計提供的溫控技術要求，考慮各種邊界條件及不同季節逐層澆筑的情況，采用三維有限元溫控計算軟件仿真模擬溫度徐變應力場和壩體溫度場，并按照規程規范類比分析其他類似工程，結合工程實際提出行之有效的溫控要求。因此，對于有效防止倉面裂縫的產生、合理控制混凝土水化熱等施工使用的溫控技術發揮著重要作用。本研究對一期通水冷卻溫控數據進行了統計(如表3)，即發現裂縫至倉位混凝土收縮時段的溫度，通過分析混凝土內部溫度數據與一期通水冷卻進水溫度，準確識別裂縫產生的責任主體，并給出合理的結論和依據。

表3 通水冷卻溫控數據 ℃

3.1 一期通水冷卻溫控數據

水化熱熱量大且難于散發為引起大體積混凝土溫度裂縫的主要原因，倉面混凝土溫度與混凝土內部溫差積聚從而產生較大溫差，加之外部約束的存在使得混凝土不能自由變形，并產生相應的溫度應力。溫差越大溫度應力越高，從而混凝土開裂的可能性就越大。一期通水冷卻溫控數據極差-均值控制如圖2，其特性值服從N(μ，σ)分布。

(a)極差

(b)均值

3.2 溫控與溫度變化

混凝土澆筑過程中和澆筑后的部分熱量可通過埋設冷卻水管的循環水帶走，從而有效縮短水化熱峰值時間和降低絕對溫升高值，混凝土內部溫度與冷卻水管進出水溫差均值如圖3。

3.3 溫度監測頻數表

通水冷卻設計給定了通水流量和水文的范圍，工程設計、施工環境等條件應引起重視。為準確判定通水冷卻效果是否有效需要對混凝土內溫度監測頻數(表7)進行分析，在此基礎上對是否優化通水措施給予判定。收面以后混凝土內部溫度直方圖和監測頻數，如圖4。

圖3 內部溫度變化散布圖

表4 溫度監測頻數

圖4 溫度監測直方圖

若對于水工大體積混凝土溫度控制一期通水冷卻溫控技術發揮顯著效果，可以避免倉面裂縫的形成，則對溫控國政質量控制效果利用混凝土收面以后內部溫度監測直方圖、內部溫度變化與冷卻通水溫差散布圖、內部極差-均值控制圖判定，主要結論如下：

1)通過對內部溫度極差-均值控制圖分析可知，極差數據在第4-11d時具有較大的變化幅度，極差數據在16-25d時處于極差均值下方且變化極不規律；第3-15d時混凝土內部均值超出控制上限，在17-28d時超出均值控制下限。所以，對于內部溫度控制承包人采取的溫控措施并未發揮明顯的作用。

2)通過對混凝土內溫差變化與冷卻通水溫差散布圖分析發現，混凝土內溫差與3-4℃范圍的冷卻通水溫差存在負相關，混凝土內溫差隨冷卻通水溫差的升高而降低；混凝土內溫差數據在冷卻通水溫差為5-6℃范圍時集中于25-30℃之間，并且維持時間較長。由此表明，混凝土內部溫度控制與某一時段冷卻通水溫度極不匹配，對此可進一步優化通水溫度；針對集中于25-30℃天數的混凝土內溫差有必要實施有效的降溫措施，從而有效控制內外溫差。

3)通過對溫度數據頻數的分析可知，在采取溫控措施作用下分布于29.02-30.15℃、27.95-29.02℃高溫度區間的頻數較多，在混凝土收面后承包人仍需要加強溫控措施，分布于30.15-31.30℃的頻數相對較少，可見采取必要的溫控措施能夠有效控制該倉混凝土水化熱，并結合溫度監測直方圖可以判定溫控措施總體穩定。

綜上分析，總體上在混凝土收面后承包人實施的溫控措施有效，但仍需要進一步加強溫控措施的落實以解決混凝土內部水化熱集中釋放的問題。雖然混凝土裂縫受多方面因素的影響，但在落實溫控措施方面承包人還存在許多問題，針對產生的混凝土裂縫承包人應承擔一定責任。

4 結 論

文章從引起裂縫產生的原因入手，準確識別了產生水工大體積混凝土裂縫的要因，水泥水化熱為產生溫度裂縫的主因，并且混凝土自身收縮、外部約束及環境溫度的變化也對裂縫的產生較大的影響。結合工程實際提出了有效的防控對策，為水工混凝土質量控制和倉面裂縫防治提供技術支撐，然后利用質量過程控制工具分析了混凝土一期冷卻通水溫控數據，并提出在落實混凝土溫控措施時承包人還存在一定的問題，對此應承擔一定的責任。