浅谈混凝土坝温度裂缝的成因以及主要防裂措施

曹 园，田 源，刘雪娇，西娜尔·哈那提

（河海大学 水利水电学院，江苏 南京210000）

1 引言

在温度荷载作用下，大体积混凝土结构中容易产生较大的应力，进而引起温度裂缝。而根据裂缝的发展深度和出现位置的不同，温度裂缝对坝体有着不同的影响。

混凝土重力坝、拱坝是两种常见的坝型，它们的温度裂缝的成因及防治措施有异同之处。本文主要就这两种坝型，分别从施工期、运行期两个时期进行温度裂缝的成因及防治措施的探讨。

2 温度裂缝成因

2.1 施工期温度裂缝成因

对于重力坝及封拱前的拱坝而言，温度应力均属于浇筑大体积混凝土的温度应力问题。这里就大体积混凝土施工期温度裂缝的成因作简要讨论。

2.1.1 坝块内外温差

水泥在硬化期间放出大量水化热，虽然随着弹性模量上升，混凝土抗拉强度也有所提高，但在内部混凝土温度很高并发生膨胀、表层混凝土受外界气温影响可能收缩的情况下，混凝土表层容易受拉而产生裂缝[1]。另外，随着龄期的增长，混凝土弹性模量提高，表面混凝土受内部砼降温收缩变形的约束越来越大，产生巨大拉应力，容易产生裂缝。当施工期内突遇冷空气或天气较冷时过早拆除保温层[2]，混凝土表层温度变化梯度大，发生收缩，表面将产生较大的拉应力。

2.1.2 基础温差

2.1.2.1 基岩约束

基岩约束产生压应力如图1所示。混凝土直接浇筑于基岩上，温度上升期新浇混凝土有受热膨胀至状态①的趋势，但由于基岩的约束作用，最终膨胀形态为②，这导致块内部产生一定的压应力。温度上升期混凝土仍处于半塑性状态，且徐变影响较大，压应力较小。

混凝土进入降温期时，混凝土的自由收缩也同样受到基岩的约束，在块体内产生拉应力，如图2所示。此时，新浇混凝土的弹性模量上升，产生的拉应力随弹性模量增大而变大。这部分拉应力除去抵消升温的第一阶段产生的压应力外，仍然存在较大的拉应力，使混凝土内部产生裂缝，内部应力分布规律如图3所示。

图1基岩约束产生压应力

图2基岩约束产生拉应力

图3内部应力分布规律

2.1.2.2 老混凝土约束

老混凝土的弹性模量较新浇混凝土而言比较大，同基岩对新浇混凝土的约束机理相同，老混凝土弹性模量越大，产生的温度应力越大。除此之外，新混凝土浇筑时老混凝土的温度变形也可能引起结合面拉应力[3]。例如，如果新混凝土在寒冷天气浇筑，此时老混凝土块处于收缩状态，表面呈现下凹的状态。新混凝土块浇筑完后，天气回温，老混凝土块表面膨胀，回复至平整状态，容易在新混凝土块上侧引起压应力、内部引起压应力，如图4所示。

2.2 运行期温度裂缝成因

2.2.1 重力坝

在大坝运行期，气温变化幅度较大，坝体与空气接触部位表层附近随外界气温变化较灵敏，但内部混凝土温变有明显的滞后现象，不均匀的温度分布、混凝土自身的不均匀性及脆性[4]，容易使坝体在运行期产生裂缝。比如冬季坝体表面气温低，内部气温高，内部混凝土膨胀后会在表面产生压应力，内部产生拉应力。而与库水接触的坝段，由于水的比热容较大，温度变化相较于空气不明显，理论上产生温度裂缝的概率较上部混凝土低。

图4新混凝土块浇筑时老混凝土温度变形引起的结合面拉应力

2.2.2 拱坝

上述提到的重力坝的产生运行期裂缝的原因，对拱坝也适用。除此之外，对于拱圈，可将沿厚度方向的温度分解为截面平均温度Tm、等效线性温差Td和非线性温差Tn。实际计算中常只取用Tm、Td，如果考虑非线性温差，则允许拉应力的计算将难以控制，但非线性温差是引起拱坝表面温度裂缝的主要原因之一。

拱坝的温度荷载大小还与封拱温度有关。径向荷载在拱圈中产生了弯矩、轴力、剪力。封拱后，如果坝体温度降低，拱圈发生收缩，则坝轴线会向下游位移。温度荷载产生的作用于拱圈上的弯矩、剪力与径向荷载产生的弯矩、剪力方向相同，轴力方向相反。可见温降情况下，两个荷载产生的拉应力叠加，应力状态极差，容易引起裂缝。

3 防裂措施

3.1 施工期措施

3.1.1 温控措施

减热方面，可以在不影响混凝土强度及其耐久性的前提下，采用外加剂、低热水泥等方式减少水泥水化热，在拌和混凝土时冰水可以达到降温的目的。

散热方面，可以在混凝土内预埋冷却管通水进行降温冷却，并合理安排全年混凝土浇筑施工进度，尽量避免在天气炎热的情况下进行大体积混凝土的浇筑。

3.1.2 施工措施

施工措施包括以下几条：①合理地分缝分块；②浇筑新老混凝土坝块时需对间隔时间进行控制；③临时缝灌浆；④对已有裂缝进行灌浆处理；⑤施工期进行混凝土表面养护，施工时采取表面保护措施；⑥对于拱坝而言，可以适当降低封拱温度。

除了以上措施之外，提高混凝土质量及抗劈裂强度、改进模板强度等也都是预防裂缝的有效措施。

3.2 运行期措施

加强对坝体应力、裂缝的检测，以便出现不利情况时及时采取措施。尤其是遇到较不利工况时，需要格外注意。加强混凝土温控和表面保护措施，比如采用泡沫塑料板对坝面进行永久的保温等。

需要注意的是，重力坝、拱坝对裂缝的接受程度是不一致的。拱坝由于其结构特性，超载能力强，允许局部开裂，理论上防裂措施的采取较重力坝而言比较宽松。但在实际运用过程中，所采取的具体措施及措施的保证度仍需要通过资料分析确定。