基于加權因果分析圖和AHP的混凝土閘墩裂縫質量管理

何福娟 王榮榮 郝 鵬

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

混凝土閘墩的裂縫問題，一直都是國內外工程技術人員關注研究的重點，無論是裂縫的成因，還是裂縫處理都有激烈的討論。通常來說，在閘墩施工期間，溫度應力過大一般是導致混凝土閘墩產生裂縫的根本原因。雖然閘墩在運行期間的環境溫度變化引起的溫度應力問題一直以來受到很高的重視，但對于施工期，尤其是對施工初期變溫場的分析研究，均不是施工全過程系統仿真，結構設計也大多未能在嚴格規范的項目質量管理的框架下進行，因此，對于混凝土閘墩的裂縫處理問題并沒有一套科學完整的有效解決措施。

目前，水利水電工程項目防止裂縫的措施主要體現在材料選擇、溫度控制、施工方法和工藝、澆筑養護等方面。鑒于溢流壩工程的特殊性及重要性，有必要運用先進手段，定量分析混凝土閘墩裂縫產生的原因，并針對性地采取相應的對策。在嚴格的項目質量管理框架下進行質量管理，以便及時消除潛在的安全隱患，確保溢流壩泄洪系統安全可靠，以使其發揮應有的作用。因此，對混凝土閘墩裂縫處理問題的研究不僅可以為貴州省類似水利水電工程提供實際指導意義，也可為其他地區類似水利水電工程提供有效借鑒。

本文以沙沱水電站混凝土閘墩裂縫為例，對從高溫到低溫季節的轉變時期出現的淺表層裂縫，采用加權因果分析圖和層次分析法(AHP)進行問題溯源，找出要因，一方面為后續混凝土施工澆筑過程提供核心質量管控支撐；另一方面也為同類工程施工準備提供參考，做到提前預防。

1 項目概況

貴州省沙沱水電站主要以發電為主，同時兼顧航運、防洪及灌溉等任務。該水電站總庫容9.21億m3，裝機容量112萬kW，保證出力為322.9MW，多年平均發電量為45.52億kW·h，單位利用時間為4056h。該水電站的主要組成部分包括碾壓混凝土重力壩、壩體溢流面、左岸進水壩段、壩式廠房和右岸垂直升船機。

該水電站泄水建筑物由壩身溢流表孔和下游消能防沖建筑物等組成。壩身溢流表孔共有7個，布置在河床中部主河道上，溢流表孔尺寸為15.00m×23.00m(寬×高)，屬國內同類工程中特大表孔之一。溢流表孔閘墩中墩厚5.00m，邊墩厚4.00m，中墩總長度50.382m。

該水電站泄洪量大，孔口大，弧門瞬時啟閉時，每個支鉸承受荷載高達30500kN，巨大的水推力通過弧門集中在閘墩的支撐結構(閘墩錨塊)上。在閘墩與錨塊連接部位將形成大面積的拉應力區，閘墩受力復雜，當弧門單側擋水時，閘墩最大拉應力達到6.23MPa，且拉應力區域大。混凝土采用普通的鋼筋混凝土，不但鋼筋數量多、間距密集難以布置，對施工造成很大困難，而且很難滿足結構的抗裂或限裂要求。該水電站的預應力混凝土結構的設計是為了改善閘墩的應力狀態，易于施工，便于保證工程質量，為工程的安全運行提供合理的技術措施。因此，本工程溢流壩閘墩采用預應力混凝土設計，溢流壩閘墩的中墩布置3000kN級預應力錨索42束，共6排，每排7束；每個邊墩布置3000kN級預應力主錨索21束，共3排，每排7束。

2 項目質量管理問題分析

2.1 項目質量管理現狀

該水電站在進入閘墩混凝土澆筑高峰期時，由于業主對工期的要求比較嚴格，為實現各節點工期要求，參建各方加大了閘墩混凝土澆筑力度，為工程的早日完工加班加點。但是在此期間，閘墩混凝土澆筑過程中，出現了若干條微小裂縫，影響到了工程質量。根據現場查看，出現的裂縫大部分為順水流向發展，極個別裂縫為垂直水流向發展，且大部分屬于淺表層裂縫。如果出現的裂縫沒有得到有效的抑制并任由其發展，就很有可能發展成貫穿整個混凝土結構、影響結構穩定的貫穿性裂縫。

為了研究閘墩裂縫質量問題的現狀，以及在施工中可能導致裂縫問題出現的原因，主要從以下三方面對項目質量管理現狀進行調查及分析：閘墩裂縫分布現狀、混凝土施工流程現狀、混凝土施工時段氣溫現狀。

a.閘墩裂縫分布現狀。根據統計和調查現場閘墩的裂縫分布情況，一是可以判斷在該項目中，閘墩裂縫的類型，二是可以根據裂縫類型，結合其他類似工程項目的調研情況，進行對比，獲取有價值的參考經驗。

經過現場調查，繪制該混凝土閘墩的裂縫分布圖(見圖1)。從裂縫統計結果來看，裂縫主要集中在上游溢流堰面和閘墩尾部，大部分裂縫均沿著澆筑塊的短邊發展，閘墩裂縫有順水流方向和垂直水流方向兩種，且裂縫大多為淺表型裂縫。

圖1 沙沱水電站混凝土閘墩裂縫分布圖

b.混凝土施工流程現狀。在分析研究裂縫出現原因時，需要考慮在整個混凝土施工流程中，可能導致裂縫出現的任何一個環節，因此，需要對該項目中的混凝土施工流程進行詳細剖析。根據現場調研及施工資料統計，該水電站閘墩混凝土澆筑流程如圖2所示。

圖2 沙沱水電站閘墩混凝土澆筑流程圖

由圖2可知，混凝土依次經過了拌和、運輸、澆筑、養護過程，其中每個步驟均可能影響混凝土材料的結構及性能。因此，在分析閘墩裂縫出現的原因時，可以從混凝土澆筑流程的各個環節進行分析。

c.混凝土施工時段氣溫現狀。混凝土施工主要在9月中旬到10月上旬，此施工時段氣溫見表1。

表1 施工時段氣溫統計表

2.2 項目質量管理問題分析

根據招標文件要求，該水電站混凝土澆筑工程的工期為10個月，在秋冬之際的施工高峰期，工程面臨溫度由高溫到低溫的季節轉變，因此，出現了多數混凝土水電站建設過程中容易出現的混凝土裂縫問題，需要對該項目中的混凝土裂縫的性質進行判斷，并就這一問題進行質量控制，以減少施工期閘墩的裂縫條數。

為了進一步掌握混凝土澆筑過程中出現裂縫的原因，通過對國內一些大中型水電站進行調研，得到一年內各施工時段單個壩段出現的裂縫條數統計表(平均值)(見表2)，圖3為表2的對應餅分圖。

圖3 國內一些大中型水電站施工期間的裂縫條數統計餅分圖

表2 一年內各施工時段單個壩段出現的裂縫條數統計表(平均值)

通過對以上裂縫統計進行對照，可以判斷這些工程存在的共同點是：從高溫到低溫季節的轉變時期裂縫出現概率較大，且這些裂縫均屬于溫度裂縫。綜合本工程的裂縫統計結果及混凝土施工的時段為9月中旬至10月上旬，且9月18—23日氣溫降幅較大，經歷了一次寒潮，因此，可以判斷該工程中出現的裂縫屬于溫度轉變時期出現的溫度裂縫，即從高溫到低溫季節的轉變時期裂縫出現較多。

3 基于加權因果分析圖和AHP的混凝土閘墩裂縫質量管理模型

3.1 混凝土閘墩裂縫處理項目質量管理原因分析

通過現場勘察，資料梳理，集思廣益，從質量控制五要素，即人的因素、材料因素、方法因素、機械設備因素和環境因素五方面出發，分析導致項目質量問題的原因。

結合2.1節中介紹的項目質量管理現狀中的混凝土施工流程和混凝土施工時段氣溫資料，并調查相關技術和施工專家，從質量控制五要素出發，詳細分析混凝土閘墩“從高溫到低溫季節的轉變時期裂縫出現較多”的原因。其中，機械設備因素下沒有明顯影響項目質量問題的原因，因為該水電站的施工承建單位具備合格的建設資質，并同時配備有包括混凝土泵車、混凝土泵(拖泵、車載泵)、混凝土攪拌站、混凝土攪拌運輸車等完整且先進的機械設備，機械設備的主要性能參數均能滿足工程的需求，并已在許多工程中得到成熟運用。由于機械設備因素導致裂縫出現的可能性極低。因此，從人為的因素、材料因素、方法因素和環境因素四方面來尋找可能的原因。

根據以上四方面因素分析，繪制貴州省沙沱水電站混凝土閘墩裂縫處理項目中“從高溫到低溫季節的轉變時期裂縫出現較多”這一問題的因果分析圖，如圖4所示。

通過原因分析，找到了“從高溫到低溫季節的轉變時期裂縫出現較多”的12條末端原因，即培訓時間少、績效考核及獎懲機制不完善、責權制度不完善、頻遇寒潮、對已澆筑混凝土養護和保溫不到位、混凝土保濕不到位、未布置冷卻水管、未布置監測儀器、未進行分倉澆筑、預冷費用高、混凝土拌和樓較遠、普通水泥水化熱較多。

3.2 層次分析法裂縫原因權重確定

a.構造層次分析結構。確定層次結構圖的目標層、準則層和最底層，并結合圖4中所示的因果分析圖，將層次模型轉換為因果分析圖，如5所示。其中，目標層是解決從高溫到低溫季節的轉變時期裂縫出現較多這一問題；準則層分為四個方面，即人的因素、環境因素、方法因素及材料因素；最底層是準則層四方面因素各自范疇內的具體因素。

圖4 “從高溫到低溫季節的轉變時期裂縫出現較多”因果分析圖

b.各層指標數據統計結果。混凝土閘墩裂縫處理項目層次結構模型的準則層的指標為：人的因素、環境因素、方法因素、材料因素。準則層指標的權重是質量管理小組通過采訪10名專家確定的，這些專家包括水利水電設計施工領域的專家、項目施工團隊的核心管理人員、項目主要負責人等。通過收集他們的評分結果，用SPSS軟件分析調查問卷結果的可信度，均取得可信結果，接著，對評分結果進行進一步的計算分析。

圖5 貴州省沙沱水電站混凝土閘墩裂縫處理項目質量管理層次結構模型

c.各因素權重結果。通過各專家經驗或判斷打分和計算，結合計算結果，各因子的權重結果見表3。

從表3可以看出，從質量控制五要素的角度來看，貴州省沙沱水電站混凝土閘墩裂縫處理工程質量問題的主要原因是材料因素和方法因素。兩者都對項目質量有很大影響，影響程度相近，權重分別為0.3884和0.3689；其次是環境因素，權重為0.1885；人的因素影響較小，機械設備因素幾乎沒有影響。從最終原因分解的角度來看，權重排在前四位的因素是普通水泥水化熱較大、未布置冷卻水管、對已澆筑混凝土養護和保溫不到位、未進行分倉澆筑。其中屬于方法因素的末端因素有兩個，屬于材料因素的末端因素有一個，屬于環境因素的末端因素有一個。因此，本文主要針對這四個終端因素及其所屬的因素類別提出合理的質量控制對策。

表3 各因子權重結果

通過結合工程實際情況，進一步分析論證，確定了引起“從高溫到低溫季節的轉變時期裂縫出現較多”的12條末端原因中有以下四個主要因素：?普通水泥水化熱較多；?未布置冷卻水管；?未進行分倉澆筑；?對已澆筑混凝土養護和保溫不到位。

根據類似工程經驗，如果能夠保證對已澆筑混凝土的養護和保溫措施落實到位，及時應對各種不利天氣變化的影響，混凝土面一般較少出現溫度裂縫。因此，對已澆筑混凝土養護和保溫不到位是要因之一。

3.3 混凝土閘墩裂縫處理項目質量加權因果分析圖

結合3.1和3.2的分析內容，做出貴州省沙沱水電站混凝土閘墩裂縫處理項目質量管理的加權因果分析圖，如圖6所示。

圖6 貴州省沙沱水電站混凝土閘墩裂縫處理項目質量管理的加權因果分析圖

4 混凝土閘墩裂縫處理項目質量控制對策

根據前面的計算分析，導致貴州省沙沱水電站混凝土閘墩裂縫處理項目“從高溫到低溫季節的轉變時期裂縫出現較多”的主要因素中，權重最高的四個因素為：普通水泥水化熱較大、未布置冷卻水管、對已澆筑混凝土養護和保溫不到位、未進行分倉澆筑。針對這四種主要因素，分析這些因素導致溫度裂縫出現的機理，并從質量管理的幾大要素出發，對閘墩后續澆筑混凝土分別制定針對性的質量控制對策(見表4)。

表4 貴州省沙沱水電站混凝土閘墩裂縫處理項目的針對性質量控制對策

5 混凝土閘墩施工前的質量管控

加權因果分析圖和AHP分析方法也經常應用于施工前的準備工作中，即對人、機、料、法、環五個方面的因素進行逐條羅列和分析預評價，找出制約混凝土施工質量的核心風險因素，將核心風險因素列表并逐條制定相關措施，特別是對關鍵核心因素責任落實到人，做好施工前的質量把控和事前預防。本工程若在施工準備期內即找到并制定閘墩混凝土裂縫的控制性措施，如結合工程區氣候條件研究是否采用中熱水泥、閘墩混凝土預埋通水冷卻水管等，則可大幅度降低其開裂的概率，且將有利于縮短工程的工期。

6 結 語

目前，在混凝土裂縫處理項目領域，質量管理研究相對較少，尤其是從定量研究的角度。本文的創新在于將工程質量管理的概念與具體的混凝土閘墩裂縫處理項目結合起來，在質量管理的框架內，運用定性與定量相結合的方法，使混凝土閘墩裂縫處理工程的研究成果更好地發揮其作用，及時消除潛在的安全隱患，確保泄水建筑物施工、運行的安全與可靠。對混凝土閘墩裂縫處理問題的研究不僅可為貴州省類似水利水電工程提供實際指導，也可對其他地區類似工程提供借鑒。