基于冻融损伤的重力坝抗冻耐久性分析<br/>——以辽宁省观音阁水库为例

基于冻融损伤的重力坝抗冻耐久性分析
——以辽宁省观音阁水库为例

2018-03-05

中国水能及电气化 2018年1期

(本溪满族自治县关门山水库管理处，辽宁本溪 117100)

冻融损伤一直是建筑业界关注的话题。冻融会对混凝土的机械性能造成严重影响，使其耐久性减低，导致建筑使用寿命明显减少或可能在使用中造成安全事故。辽宁省位于我国东北部，冬季气候严寒且昼夜温差极大。观音阁水库是辽宁省重要水库之一，其重力坝为大体积混凝土结构，在冬季容易发生冻融事故，因此，研究其冻融损伤至关重要[1]。

1 混凝土冻融损伤模型的建立及其相关参数研究

1.1 冻融损伤及其监测方法说明

冻融损伤是指混凝土硬化以后在浸水及潮湿情况下，混凝土内部存在的毛细水等发生冻结而膨胀[2]，并从表面逐渐向内部侵蚀的一种现象，该种现象受温度影响尤为显著。我国东北、西北及华北属于混凝土冻融损伤常发区域，建筑施工与使用过程中应对其特别引起重视。

冻融损伤，目前常见监测方法有共振频率法、超声波测速法及X射线法等。共振频率法被现有工程广泛使用；超声波检查法可实现对冻融裂化程度进行比较客观的评价；X射线法多用于局部监测。以上均属于无损检查，作业方便，但无法实现对混凝土的本质监测，存在一定的缺陷。因此，研究有效的监测方式，有利于及时发现事故隐患及时处理，对实现混凝土冻融损伤实时监测具有重要意义。

1.2 关于混凝土冻融损伤理论的描述与分析

混凝土损伤主要是由于外部载荷的循环破坏造成的，而冻融损伤主要由毛细水结冰膨胀而引起[3]。根据研究，在冻融情况下，混凝土的弹性模量及泊松比计算公式为

En=E0(1-pN)k

(1)

(2)

式中En——混凝土多次发生冻融循环后的弹性模量；

E0——混凝土初始弹性模量；

N——冻融次数；

γn——混凝土多次冻融循环的泊松比；

γ0——混凝土的初始泊松比；

p，q，k，h——试验参数。

基于以上公式对混凝土冻融损伤进行评估与计算。冻融损伤除受冻融载荷影响外，还受到外部载荷影响。具体表征情况如图1所示，其中，ε1为冻融循环次数下的压应变；εft为极限应变；σ2为冻融多次的压应变，σft为极限压应变。

图1 混凝土冻融损伤理论下的应变关系

2 基于冻融作用下重力坝抗冻耐久性分析

基于以上分析，对混凝土在冻融作用下的应变关系及其受力情况进行有效分析，有利于保证混凝土使用安全[4]。下面以辽宁省观音阁水库为例，对其进行综合分析与描述。

2.1 工程概述

观音阁水库为以防洪、供水为主，兼有灌溉及发电等功能的大型水利枢纽工程[5]。该水库于1990年开工建设，1995年建成投产，对防洪及抗旱等发挥了积极作用。该水库由重力坝式挡水坝、溢流坝、电站坝及低孔坝组成[6]，坝顶长约1040m，最大坝高82m，泄洪量可达9400m3/s。根据观音阁水库所处地理位置及坝体结构，冻融损伤应作为重要问题进行考虑，以保证正常使用寿命下的安全及功能发挥。

2.2 冻融机理分析

混凝土冻融形成过程将大致可分为四个阶段：第一阶段未受冻融，其宏观上表现为外边无损伤状态；第二阶段随着冻融循环次数的增加，混凝土表面出现较多侵蚀空洞；第三阶段随着冻融循环次数进一步增加，第二阶段形成的空洞逐渐连接成片，且空洞逐渐变大，致使混凝土内部的骨料及钢筋等材料暴露，且细骨料逐步脱落，对混凝土结构及强度造成严重影响；第四阶段随着冻融循环次数的不断增加及冻融程度的不断加深，冻融损伤将导致骨料由于受损而大面积掉落，对混凝土的机械强度造成较大的影响，危及其使用寿命及安全，对建筑结构造成不可挽回的损伤。

2.3 基于观音阁水库重力坝的冻融耐久性分析

对于重力坝来讲，并非所有的冻融区均会发生冻融，冻融的发生有其先决条件，即必须有丰富的水使其达到充水饱和且达到一定低温才能发生。因此，在对坝体进行冻融损伤测算中应把控上述两点，以确定冻融区并对其进行有效监测，实现对其有效管理与控制。关于冻融区域的确定，一般可结合系统软件进行分析，关注参数主要有上下游水位、气温、水库内的水温等，并采取适当的公式进行合理计算，得到冻融区域。一般情况下，在渗流作用下，渗流场内的空隙压力大于0的区域为饱和区域，容易发生冻融损伤；对于温度0℃以下情况，水容易结冰，产生体积膨胀而出现冻融情况，因此，一般将0℃以下的区域设定为冻融常发生区域。

对于重力坝而言，一般潜在的破坏主要为坝趾受压破坏、坝踵拉裂、倾覆破坏、沿建基面或深层滑动面滑动等。根据理论计算，坝体的位移与坝体的失稳具有直接的相关性，因此，一般情况下，在坝体受到冻融循环破坏时，将坝体中心点的位移作为评判依据，可取得较好效果。根据实际监测结果，观音阁水库受水载荷一侧，坝体竖向位移明显增加，混凝土弹性模量等出现明显减少趋势，该阶段混凝土整体处于塑性阶段，混凝土局部受到破坏。而随着冻融次数的增加及混凝土破坏程度的加深，坝体竖向位移逐渐增大且坝顶出现倾倒，此时将对混凝土结构造成严重影响。相对于坝趾来讲，由于其主要处于受压状态，局部损伤对整体结构性能的影响较少。总体来讲，坝体结构受冻融损伤的影响程度与发生冻融的次数有直接关系，次数越多，影响越严重，损伤也越大，对其坝体的耐久性将造成极其严重的影响。观音阁水库不同冻融次数下重力坝水平位移及竖向位移变化情况见下表和图2。

观音阁水库不同冻融次数下重力坝水平及竖向位移变化情况表

图2 观音阁水库不同冻融次数下重力坝水平及竖向位移变化情况

由上表和图2可以看出，冻融对坝体位移具有较大影响，而随着冻融次数的增加，水平位移与竖向位移呈明显增大趋势，且随冻融次数增加，位移变化呈对数关系增长。

3 提高重力坝抗冻融性能的措施

a.预防措施。对于混凝土冻融损伤，工程项目实施单位应采取有效措施对其进行合理控制与预防，以减少冻融损伤次数及降低其危害。

在混凝土施工过程中可添加适量的外加剂对冻融损伤进行有效控制。如目前施工过程中常用的减水剂等可有效预防冻融损伤的发生，对混凝土结构强度具有保证作用；适当降低混凝土水灰比，可减少水化热，有利于减少因水化热作用而导致的混凝土内部空洞，增加混凝土的密实度，有利于提高混凝土结构强度及抗冻性能；做好混凝土建筑物的养护工作，冬季施工时，适当加入早强剂或防冻剂，严防混凝土早期受冻[7]。

b.治理措施。对于轻微表层混凝土破坏的坝体，可用水泥砂浆进行修补。对于水流区域冻融损伤坝体，用预缩砂浆修补表面，可提升混凝土抗疲劳性能[8]。