水闸结构高性能矿渣混凝土防裂措施研究

李 涛，程 鲲，王振红

（1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122；2.黄河上中游管理局，陕西西安，710021；3.中国水利水电科学研究院，北京，100038）

随着社会的快速发展和国家对基础设施投入的加大，越来越多的水闸、渡槽、倒虹吸、涵洞、挡土墙和泵站等混凝土结构出现，这类结构相对大坝等超大体积混凝土结构而言比较单薄，施工期混凝土裂缝问题也一直是工程界所面临的一大难题，其影响因素众多，形成机理复杂。从裂缝成因［1-4］分析来看，国内普遍认为温度荷载是重要因素，解决问题的途径主要从两方面来着手：一种是减小早期混凝土结构的内外温差，一种是减小底板对上部结构的约束，或者说减小后期的温降幅度。可以看出，无论从哪一方面着手，都涉及到混凝土的温度，因此，混凝土的温度控制就成为问题的关键。

对于沿海水闸，为防止钢筋锈蚀和盐类侵蚀［5-8］，这类结构大都采用抗渗性能和防腐蚀性能较好的高性能矿渣混凝土，混凝土水胶比低、密实性好、耐久性强，可以满足沿海工程的需要，但是其绝热温升高、水化反应剧烈，给施工期的温控防裂带来更大的压力。针对这一问题，分析了施工期高性能矿渣混凝土结构的开裂机理和防裂方法，并依托某河口水闸工程，仿真分析了工程在表面保温和内部水管［9-21］降温相结合措施下的温控防裂效果，可为沿海类似工程施工期的温控防裂提供参考。

1 计算原理与方法

1.1 不稳定温度场基本理论和有限元方法

在计算域R内任何一点处，不稳定温度场T（x，y，z，t）须满足热传导方程：

式中：T为温度（℃）；a为导温系数（m2/h）；θ为混凝土绝热温升（℃）；t为时间（d）；τ为龄期（d）。

利用变分原理，对式（1）采用空间域离散，时间域差分，引入初始条件和边界条件后，可得向后差分的温度场有限元计算递推方程：

式中：［H］为热传导矩阵；［R］为热传导补充矩阵；｛Tn｝和｛Tn+1｝为结点温度列阵；｛Fn+1｝为结点温度荷载列阵；n为时段序数；Δt为时间步长。根据递推公式（2），已知上一时刻的结点计算温度｛Tn｝，可以推出下一时刻的结点温度｛Tn+1｝，详见文献[17]。

1.2 水管冷却混凝土温度场计算原理与方法

根椐傅立叶热传导定律和热量平衡条件，可得水管沿程水温的增量：

式中：qw、cw和ρw分别为冷却水的流量、比热和密度；λ为导热系数；n为混凝土与水管之间混凝土面的外法线。

由于冷却水的入口温度已知，利用上述公式，对每一根冷却水管沿水流方向可以逐段推求沿程管内水体的温度。水管的沿程水温计算与温度梯度∂T/∂n有关，因此带冷却水管的混凝土温度场是一个边界非线性问题，温度场的解无法一步得出，必须采用迭代解法逐步逼近真解，详见文献［17］。

1.3 应力场基本理论和有限元方法

混凝土在复杂应力状态下的应变增量包括弹性应变增量、徐变应变增量、温度应变增量、干缩应变增量和自生体积应变增量，因此有：

式中：{Δδi}为区域Ri内所有节点三个方向上的位移增量分别为Δti时段内由外荷载、徐变、变温、干缩和自生体积变形引起的等效结点力增量，详见文献［17］。

2 高性能矿渣混凝土结构的开裂机理与防裂方法

2.1 开裂机理

混凝土结构的裂缝在工程界屡见不鲜，工程经验表明，裂缝的产生主要是由混凝土结构的内外温差、底板的强约束和混凝土的收缩所致。

混凝土是热性材料，在刚浇筑后不久，由于水泥水化反应的影响，混凝土的温度不断上升；同时，混凝土又是热惰性材料，内部热量散发慢、表面热量散发快，内部温度高、表面温度低，形成内外温差。过大的内外温差导致结构内外变形不一致，产生相对变形，表面产生拉应力，当拉应力超过混凝土即时抗拉强度时，裂缝就会产生。

降温阶段，新浇混凝土的温降收缩变形受到底板的强约束而产生拉应力。新旧混凝土间隙时间越长、温降幅度越大，约束作用越明显。由于水闸混凝土结构长度方向的尺寸远大于厚度方向，结构整体收缩表现出来的拉应力都比较大，裂缝一旦出现都将是贯穿性的。

此外，由于混凝土中水分的迁移，混凝土就会发生干缩、自身收缩和塑性收缩等现象，很容易在混凝土表面产生裂缝。

2.2 防裂方法

针对混凝土结构的开裂机理，防止裂缝的产生，关键是降低混凝土结构内外温差，减小底板约束和混凝土收缩变形。主要从下面几方面进行考虑。

2.2.1 施工改进

通过改变混凝土的浇筑次序，控制混凝土的浇筑间歇时间和浇筑温度来改善混凝土的应力状态。主要包括以下施工技术：（1）对混凝土进行合理的分块、分缝；（2）限制混凝土的浇筑层厚和浇筑间歇时间等。

2.2.2 材料优化

主要通过改变混凝土的组成成分来改善混凝土的特性，包括：（1）选用中低热水泥或改良混凝土的配合比来降低混凝土的最终绝热温升；（2）提升混凝土的抗拉强度，尤其是提升混凝土早期抗拉强度；（3）选择质地较好的骨料，减小混凝土的线膨胀系数；（4）在混凝土中掺入膨胀性的材料，如MgO；（5）掺入一定数量的减水剂等。

2.2.3 表面保温

外部保温使用具有一定保温性能的模板或在表面覆盖保温材料来减小混凝土的内外温差。但是，保温材料如何选取、厚度如何确定、如何拆除保温措施都是在温控设计中应该详尽考虑的问题。

2.2.4 内部降温

在混凝土结构当中埋设冷却水管，用冷却水把水化热量带走，起到降低混凝土温度的作用。冷却水管不但能降低早期混凝土温度，起到削峰减差的作用，而且能降低后期的温降幅度，减小收缩变形，缓解后期防裂压力。

3 工程应用

3.1 工程概况

某水闸枢纽工程位于浙江省绍兴市，钱塘江主要支流某河口，属河口水闸，是浙东引水工程的配水枢纽。工程为Ⅰ等工程，主要建筑物为一级建筑物，挡潮泄洪闸总净宽560 m，共设28孔，闸孔净宽20.0 m，闸墩长度达25 m、高10.5 m、厚4 m，闸底板厚2.5 m、长26 m。水闸采用高性能矿渣混凝土，施工期的温控防裂任务复杂而艰巨。配合比及闸墩混凝土热力学特性见表1～3。

3.2 计算模型

考虑工程的结构型式以及结构的对称性，取一半结构参与计算。闸墩表面附近温度受环境温度影响较大，早期温度梯度和应力梯度大，同时表层混凝土的温度和应力变化情况也正是混凝土温控防裂研究的重点，为精确计算，设置相对较薄的单元。为了模拟分层浇筑过程，计算网格在高度方向上的单元厚度取0.4 m，为一个浇筑层的厚度。计算模型的单元和结点总数分别为21 719和26 177个，典型点和水管布置见图1，带冷却水管的计算网格如图2所示（地基取部分网格）。

针对裂缝成因，采取的温控防裂措施包括：原材料方面，通过试验优化混凝土配合比，并采用外加剂以减少水泥用量和降低混凝土自生体积收缩；施工工艺方面，对于底板，在混凝土浇筑完毕后，上表面覆盖一层草袋进行保温养护，对于闸墩，则采用适度表面保温和内部降温相结合的防裂措施，即闸墩的浇筑采用钢模板，外贴土工布进行保温，同时在闸墩内部埋设冷却水管。冷却水管通水时间2.5d，水温22℃，通水流量8.00m3/h，7d拆模。

表1 水闸混凝土温控试验配合比（单位：kg/m3）Table 1 Mix proportion of the sluice concrete in temperature control test(unit:kg/m3)

表2 水闸混凝土力学参数Table 2 Mechanical parameters of sluice concrete

表3 水闸混凝土热学参数Table 3 Thermal parameters of sluice concrete

图1 典型点和水管布置图Fig.1 Distribution of typical point and water pipe in sluice

图2 仿真计算网格Fig.2 Mesh for simulative calculation

3.3 计算结果分析

仿真计算结果见图3和图4所示，以典型点和典型剖面典型时刻的温度、σ1为分析对象，典型点布置见图1。

3.3.1 温度场计算结果分析

从温度历时曲线看，典型点温度大约在1～2 d时达到最高温度。由于通水时间短，且是分层浇筑的，水管停水时，闸墩上部混凝土还没有达到峰值，会出现温度反弹、峰值后移现象，见图3（a）。随着时间的推移，温度最终维持在30℃左右。就内外温差来看，无论是胸墙下面2 m厚闸墩处还是门槽处，混凝土内部和表面的温差大约在5℃左右，温差很小，冷却水管减差效果明显。

混凝土是在高温季节浇筑，且采用的是高性能矿渣混凝土，水化反应比较剧烈，闸内混凝土温度普遍较高，最高温度出现在无水管区，达68℃，其他部位相对较低，冷却水管削峰降温效果明显。闸墩3个门槽处的温度要比同一高程的其他部位低，平均低将近10℃。究其原因，主要是门槽处厚度较小（1 m），为其他部位的1/2，热量更容易散发，见图4。

图3 1～7号典型点温度历时曲线Fig.3 Graphs of temperature at typical points 1～7

图4 闸墩浇筑完2 d时不同剖面温度等值线（单位：℃）Fig.4 Temperature contour of two cross-sections of sluice pier on the second day after placement(unit:℃)

3.3.2 应力场计算结果分析

初期内部温升高，表面温升低，混凝土内外收缩不一致，产生相互约束，内部为压应力，表面为拉应力；后期内部温降幅度较大，表面温降幅度相对较小，内部为拉应力，表面为压应力，见图5（a）。初期最大拉应力发生在跨中表面，接近混凝土即时抗拉强度。拆模后，表面受昼夜温差的影响，应力有些波动，但是影响不大。后期无论表面还是内部，应力都很小，大约在-0.3～0.2 MPa，开裂的可能性微乎其微，见图6。

从计算结果来看，由于合理选择了原材料，施工阶段采取了适度的表面保温和内部降温相结合的温控防裂新方法，闸墩早期表面拉应力和后期内部拉应力的值都很小。从防裂效果来看，已浇筑的水闸底板和闸墩上均未发现裂缝，说明该防裂方案在该高性能矿渣混凝土河口水闸的应用是成功的。

4 结语

（1）对于河口或者海洋混凝土工程，其混凝土绝热温升高，内外温差和基础温差比较大，再加上结构型式相对单薄，裂缝一旦出现都将是贯穿性裂缝，严重影响结构的使用寿命，尤其是结构薄弱处，应给予足够的重视。

图6 闸墩浇筑完2 d时不同剖面应力等值线（单位：MPa）Fig.6 Stress contour of two cross-sections of sluice pier on the second day after placement(unit:MPa)

（2）表面保温和内部水管降温相结合的方法是一种经济上合理、技术上可行的温控防裂措施，适合于沿海和海洋混凝土结构的温控防裂。需要注意的是，在这些地区的混凝土工程中使用冷却水管，应做好水管的防锈工作，特别是伸出混凝土表面的部分水管。冷却水根据现场情况可使用淡水也可使用海水，如果通海水冷却，停止通水后需用淡水冲洗。

（3）工程建设的影响因素很多，建议施工前进行多参数多工况的仿真计算分析，筛选合理的温控防裂方案，确定保温厚度、水管布置形式、通水时间和通水方式等，确保不产生裂缝。