溪洛渡导流洞衬砌混凝土温控防裂研究

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(长江勘测规划设计研究院， 武汉 430010 )

1 研究背景

溪洛渡水电站导流洞衬砌施工过程中，在已浇筑的底板混凝土中发现了一定数量的裂缝，裂缝长度从0.6至12.0 m不等，宽度在0.01～0.3 mm之间，部分裂缝深度达到0.5 m。

为了找到导流洞底板产生裂缝的原因，同时研究进一步采取综合温控防裂措施的有效性和合理性，本文在对现场实测资料进行分析的基础上，采用三维有限元法模拟实际施工过程与温控措施，进行混凝土温度和温度应力仿真计算，分析裂缝产生的原因，并通过多方案的综合研究分析，提出能有效防止温度裂缝产生的合理温控方案，供今后导流洞衬砌混凝土施工参考采用。

国内外学者针对导流洞混凝土温控防裂问题进行了深入研究：徐运汉[1]对小浪底导流洞混凝土衬砌裂缝成因进行了分析并对裂缝处理方案进行了研究；周睿等[2]采用三维有限元方法对小浪底导流洞混凝土衬砌的温度场和徐变温度应力进行了模拟；苏华祥等[3]分析了深溪沟导流洞裂缝产生的原因，并提出了相应处理措施；李凤玉[4]对长河坝导流洞混凝土裂缝开展研究提出详细处理方案。但是这些研究对于裂缝产生原因一般偏重于定性分析，而有限元仿真计算仅主要用于设计阶段温控防裂措施的拟定。本文以溪洛渡导流洞工程为例，根据产生裂缝洞段的实际施工情况，模拟实际施工时的各种边界条件和温控参数进行仿真计算，根据计算得出的施工期温度应力情况，分析裂缝产生的原因并提出对策。

2 基本资料和参数

2.1 气 温

根据导流洞内施工时实测气温资料(最低气温不低于13℃)和溪洛渡中心气象站资料以及隧洞内气温变化的实际特点，拟定导流洞内气温表达式为

2.2 混凝土热学、力学和变形性能

根据溪洛渡导流洞混凝土性能试验成果，混凝土热学、力学性能指标分别列于表1和表2。

表1 导流洞混凝土热学参数计算值

表2 混凝土强度及弹性模量

3 衬砌混凝土裂缝产生原因仿真计算分析

3.1 有限元计算模型及边界条件

通过对导流洞衬砌混凝土结构特点分析，发现其几何形状、荷载和约束条件在温度场和应力场计算中都具有对称性。为简化计算起见，按照对称条件截取计算对象。将衬砌段沿洞轴线方向铅直截开后，再沿中央横断面截开，取整个衬砌段的1/4进行计算，围岩厚度按3倍洞径考虑，有限元计算模型及衬砌结构横断面图参见图1。

图1 导流洞混凝土衬砌有限元网格模型与衬砌横断面

衬砌段的结构对称面在温度场计算中按绝热边界考虑，属于第二类热学边界条件，在应力场计算中对该表面的垂直方向进行位移约束；计算对象中围岩外边界距离衬砌段较远，按绝热边界条件和全约束力学边界条件考虑；拆模前导流洞衬砌段混凝土表面的等效放热系数取18.5/(m2·h·℃)，拆模后考虑风速影响，混凝土表面放热系数取30.0 kJ/(m2·h·℃)，在拆模后用蓄水养护时，有蓄水养护的表面与水接触时放热系数取12 000 kJ/(m2·h·℃)，这些边界属于第三类热学边界条件。

温度场计算时，浇筑层的初始温度为浇筑温度，围岩的初始温度为地温。应力场计算时，须先确定参考温度场即应力为0时的初始温度场，对于混凝土结构，取浇筑温度为参考温度。

3.2 实际施工工况计算分析

为了找到导流洞衬砌混凝土裂缝产生的原因，对产生裂缝部位按实际施工工况进行温度及温度应力仿真模拟计算。实际浇筑工况条件为：9月29日开始浇筑底板，混凝土浇筑温度为27℃，底板浇筑完成31 d后，开始浇筑边顶拱，开浇后3 d拆模，浇筑混凝土表面采取蓄水养护7 d；底板混凝土为C40，边顶拱混凝土为C30。

3.2.1 实际施工工况温度计算结果

从温度仿真计算结果来看，衬砌混凝土浇筑后，早期温度场迅速升高，底板中央最高温度达51.0℃，底板、边墙、顶拱出现时间均为2 d(温度峰值分别为51.0，46.5，46.4℃)。拆模后，由于表面蓄水养护的作用，温降速率随之增大，表面温降曲线明显变陡。计算显示，在拆模后1 d内，表面温度迅速由接近最高温度降低到接近表面流水水温，温降达21.0℃，在表面蓄水养护期间，表面温度基本保持在养护水温附近。浇后约一个月，衬砌表面温度已基本趋同于洞内气温，开始随气温作周期性(年)变化，衬砌混凝土施工期温度应力历时曲线见图2。

图2 实际施工工况底板中央断面代表点温度历时曲线

3.2.2 实际施工工况温度应力计算结果

从温度应力计算结果来看，在早期温降阶段，由于表面流水作用，表层混凝土散热快，迅速收缩，中部混凝土温降相对较慢，对表层产生相对约束作用并使之首先出现拉应力；7 d时，表面拉应力已经达到2.37 MPa，而混凝土早期的抗拉强度又较低，混凝土表面拉应力远远超过了其抗拉强度，所以易造成衬砌混凝土在早期出现裂缝。

在浇筑的后期，温度场继续下降，整个衬砌继续收缩，混凝土的拉应力进一步增大，底板中间点的最大应力达到了2.89 MPa，虽然没有超过混凝土后期的抗拉强度，但抗裂安全系数较低，考虑到施工质量、混凝土超标因素的影响，裂缝有可能发展成为贯通裂缝。

实际施工工况下温度应力仿真计算结果见表3和图3。

表3 实际施工工况衬砌混凝土温度应力计算结果

图3 底板混凝土温度应力历时曲线

3.3 裂缝原因分析

从裂缝主要分布状况来看，除部分裂缝在顺流向横跨整个浇筑仓位表面外，其他裂缝形状和长度均无规律。裂缝主要为浅层温度裂缝，部分裂缝有可能发展为深度裂缝甚至贯穿，根据实际工况有限元仿真计算结果分析，导流洞衬砌混凝土产生裂缝的主要原因有以下几个方面：

(1) 混凝土绝热温升较高、温降快。导流洞底板混凝土采用C40泵送混凝土，坍落度大，细骨料和胶凝材料偏多，粗骨料偏少，水化热较高，根据现场温度检测，最高温度达到51.5～52.5℃，与仿真计算结果相符。特别是早期达到温峰后温降速度快，围岩的约束又强，早期的拉应力较大，容易产生早期表面裂缝。

(2) 表面低温水蓄水养护措施不当。表面蓄水养护，若水温过低，使得浇筑混凝土表面在早期温降过快，以至于在浇筑早期便产生了较大的拉应力，容易产生表面浅裂缝。若需采用蓄水养护，早期宜采用较高水温，或同时在内部埋设冷却水管，否则内外温差过大，容易产生表面裂缝。

(3) 冬季洞内气温过低。计算选用冬季洞内环境最低气温为13℃，浇筑混凝土进入冬季以后，产生最大的拉应力，且表面拉应力一般都超过或者接近混凝土的抗拉强度，造成新的裂缝产生或使早期产生的裂缝进一步发展。

(4) 围岩的强约束。对于薄壁衬砌结构，围岩变形模量大，结构厚度小，在围岩的强约束条件下，结构中心相当于固定板在温度作用下的应力。

4 衬砌混凝土温控措施研究

4.1 各种温控措施效果计算分析

4.1.1 减少胶凝材料用量

在溪洛渡导流洞底板混凝土出现裂缝后，设计单位将导流洞底板混凝土设计龄期由28 d调整为90 d，施工单位根据调整后的设计指标对施工配合比进行优化，减少胶凝材料用量，混凝土绝热温升大幅降低。

采用配合比优化后的试验数据重新进行仿真计算，温度仿真计算结果表明：底板最高温度45.3℃，边墙最高温度48.4℃，施工期最高温度明显降低。从温度应力计算结果来看，底板早期拉应力降为1.57 MPa左右，但此时混凝土抗拉强度仅1.24 MPa，抗裂安全系数仍小于1；在后期进入冬季以后，底板拉应力最大值达3.02 MPa，此时的混凝土抗拉强度约3.16 MPa，抗裂安全系数只有1.05。从计算结果来看，在调整混凝土设计龄期，减少胶凝材料用量后，施工期温度和温度应力有较大的改善，但仍然不能满足温控防裂的要求，还需要进一步采取其他温控措施。

4.1.2 养护方式

在其他温控措施均相同的基础上，分别对采用蓄水养护和洒水养护条件下的温度及温度应力进行仿真计算。从计算结果来看，在拆模后立即进行蓄水养护，对混凝土表面有冷却作用，混凝土表面温降速率增加，混凝土表面早期拉应力比采用洒水养护的方式时的拉应力增加约0.9 MPa，容易导致表面裂缝的产生。因此早期宜洒水保湿，7 d以后可以蓄水养护。

4.1.3 通水冷却

对不同通水冷却方式(不通水、通江水、通制冷水)的温控效果分别进行仿真计算，从计算结果来看，通江水和制冷水冷却分别可使混凝土最高温度降低2℃和4℃左右。但是由于通水冷却的作用，使得衬砌中间部位混凝土早期的温降速率增加，而衬砌厚度较薄，围岩的约束作用及中间部位对表面的约束作用均较强，所以衬砌早期的温度应力反而略有增加(通江水和制冷水分别增加约0.02 MPa和0.06 MPa)。而后期最大拉应力主要由环境温度的温差决定，通水冷却对衬砌进入冬季的最大拉应力的影响甚微。

由此可见，通水冷却可以降低混凝土的最高温度，但对于1 m厚的薄衬砌结构，同时也加快了早期温降速率，对表面混凝土的早期抗裂不利。

4.1.4 设置纵缝

对底板中央设置一条纵缝的温控效果进行仿真计算，从计算结果来看，设置纵缝对减小底板沿横断面方向的后期最大拉应力的作用比较明显，底板最大拉应力减小了0.27 MPa，抗裂安全系数提高到1.15，对抗裂较为有利。

4.1.5 洞口封闭

洞口在冬季进行封闭是防止隧洞内衬砌混凝土裂缝的有效温控措施，按外界气温低于16℃时，对洞口进行封闭，洞内气温按16℃计算，从仿真结果可以看出，冬季封闭洞口后，各部位的最大拉应力有大幅降低，抗裂安全系数提高到了1.36以上。

4.2 建议采取的温控措施

根据对混凝土各种温控措施效果的计算分析，建议导流洞衬砌混凝土采取以下温控措施：

(1) 调整混凝土设计龄期，优化混凝土配合比。导流洞投入运行时，衬砌混凝土龄期均将超过90 d，将设计龄期调整为90 d有利于充分利用混凝土后期强度，减少胶凝材料用量，降低混凝土水化热温升。

(2) 衬砌混凝土拆模后应立即进行洒水养护，养护时间不小于28 d。

(3) 冷却水管初期宜通江水进行冷却，初期通水时间为15 d，不宜通温度过低的制冷水。

(4) 选择合理的分缝分块，浇筑块尺寸大小对温度应力有重要作用，导流洞底板宽度达20 m，应在底板中央设置纵向施工缝分幅浇筑。

(5) 进入冬季以后，当洞内环境温度低于16℃时，对洞口进行封闭保温。

5 结 语

通过对溪洛渡导流洞衬砌混凝土实际工况有限元仿真计算分析，探明了衬砌混凝土裂缝产生的主要原因，并根据各种温控措施效果的仿真计算结果，提出了优化配合比、洒水养护、分缝分块以及冬季封洞保温等温控措施。提出的温控措施在导流洞衬砌混凝土后期施工中得到采用，有效地防止了裂缝的进一步出现。

参考文献：

[1] 徐运汉. 小浪底工程导流洞混凝土衬砌裂缝成因及处理[J]. 人民黄河，1999，21(3)：31-33.(XU Yun-han. Cause Analysis and Treatment Measures for Lining Concrete Cracks in Diversion Tunnel at Xiaolangdi Project[J]. Yellow River, 1999，21(3)：31-33.(in Chinese))

[2] 周 睿，李晨英，段云岭. 小浪底大坝导流洞混凝土施工模拟及裂缝分析[J]. 人民黄河，2003，25(9)：44-45.(ZHOU Rui, LI Chen-ying, DUAN Yun-ling. Construction Simulation and Analysis of Concrete Crack for Diversion Tunnel at Xiaolangdi Project[J]. Yellow River, 2003，25(9)：44-45.(in Chinese))

[3] 苏华祥,徐 成,白留星. 深溪沟水电站导流洞混凝土裂缝成因分析及处理措施[J]. 四川水利发电，2009，28(1)：21-23. (SU Hua-xiang, XU Cheng, BAI Liu-xing. Genetic Analysis of Concrete Crack in Diversion Tunnel of Shenxigou Hydropower Station and Treatment Measures[J]. Sichuan Water Power, 2009，28(1)：21-23. (in Chinese))

[4] 李凤玉. 长河坝水电站导流洞混凝土裂缝成因分析及处理措施[J]. 四川水力发电，2010，29(增2)：156-158. (LI Feng-yu. Cause Analysis and Treatment Measures for Concrete Cracks in Diversion Tunnel at Changheba Hydropower Station[J]. Sichuan Water Power, 2010，29(Sup.2)：156-158. (in Chinese))