高温差地区混凝土面板施工期裂缝分布规律初探

罗 帅 王建帮 杨兵强

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 前 言

近些年来，一些高面板堆石坝工程相继出现了河床段面板挤压破坏现象，面板挤压破坏按其表现形式可分为沿垂直缝的挤压破坏、横向水平挤压破坏和斜向挤压破坏。挤压破坏的主要原因是堆石体的变形，除此之外还有河谷形状、坝高、面板厚度、面板纵缝设计、混凝土受力状态、面板钢筋布置、面板运行环境、地震等其他因素。面板垂直缝挤压破坏一般发生在河床中部坝顶，从面板的顶部一直向下延伸。面板水平挤压破坏常出现在中下部面板及面板分期分界线部位，一般不易被发现。斜向挤压破坏主要是由于堆石变形导致面板发生转动，因底部受到约束，面板应力发生改变所导致的。

2 混凝土面板早期温度应力分布特性

根据阿尔塔什坝体堆石、挤压边墙及混凝土面板相关材料参数，选择标准截面两侧各一半面板以及堆石体建立有限元计算模型。混凝土面板分三期进行浇筑：ⓐ第一期，2018年3月1日—5月31日浇筑1715m高程以下面板；ⓑ第二期，2019年3月1日—5月31日浇筑1776m高程以下面板；ⓒ第三期，2020年3月1日—5月31日浇筑1821.8m高程以下面板。混凝土抗裂安全度按下式计算：

(1)

式中：t为混凝土龄期，d；k(t)为混凝土抗裂安全度；fc(t)为龄期为t的混凝土抗拉强度，MPa；σ1(t)龄期为t时的混凝土第一主应力，MPa。

根据面板堆石坝结构及施工特点，设置仿真计算工况如下：

假定Ⅰ序面板3月1日浇筑，Ⅱ序面板3月10日浇筑，考虑现场施工条件影响，结合以往工程案例，面板浇筑温度假定为浇筑日平均气温加3℃，考虑面板自重荷载，面板与挤压边墙间采用乳化沥青填料，面板与趾板、两序面板之间采用相同处理方式。考虑昼夜温差及日照辐射对面板温度场的影响，面板表面不采用任何温控防裂措施。

2.1 温度、应力分布特性

图1和图2为浇筑次日凌晨(0.5天)混凝土面板温度和第一主应力分布情况。由于散热均匀，顶面温度场分布均匀，第一主应力沿坡向分布基本均匀。

图1 0.5天温度场分布

图2 0.5天第一主应力分布

图3和图4为浇筑次日凌晨(0.5天)A截面温度和第一主应力分布及面板变形情况，因顶面散热、底部接触传热同时存在，气温最低时，面板温度基本呈现出中部>底部>顶部现象。面板顶面降温收缩变形引起坝轴线方向的翘曲变形，面板顶面受拉内部受压，应力呈现出顶部>底部>中部现象。应力分布与温度分布相反，说明外部约束作用(底部挤压边墙约束)较小，应力主要为厚度方向非线性温度变形引起的翘曲应力。

图3 0.5天A截面温度分布

图4 0.5天A截面第一主应力分布

图5和图6为浇筑3.5天后A截面温度和第一主应力分布及面板变形情况。3.5天面板轴向翘曲变形增大，表面拉应力也有所增大，但温度场、应力分布规律与0.5天基本一致。

图5 3.5天A截面温度分布

图6 3.5天A截面第一主应力分布

图7和图8为浇筑第5.5天后A截面温度和第一主应力及面板变形情况，面板内部温度有所降低，顶面应力与3.5天基本一致，但翘曲变形略有减小。

图7 5.5天A截面温度分布

图8 5.5天A截面第一主应力分布

2.2 温度和应力沿厚度方向分布特性

图9和图10为距趾板48.0m截面A处温度和第一主应力历程。受日照辐射、昼夜温差影响，顶面点(T5)温度应力呈现周期性变化，在浇筑次日凌晨第一主应力达1.2MPa，抗裂安全度0.72，浇筑后10天内面板顶面峰值主应力均超过相应的轴拉强度；底部(T1)温度变化平缓，由于顶面散热及底部接触传热的影响，底部T1点峰值温度为21℃左右，但第一主应力较小，约为0.5MPa；内部点T3、T4受表面周期性变温的影响，温度有一定的波动，但最大第一主应力在0.8MPa以内。

图9 截面A特征点温度历程

图10 截面A特征点应力历程

面板底部峰值温度出现之前，典型时刻截面A处温度和第一主应力沿厚度方向分布见图11。混凝土面板温度呈现中间高、两侧低，且顶面温度低于下底面温度。与之相应的应力分布见图12。典型时刻温度和第一主应力沿厚度分布基本相反，说明外部约束较小。0.5～2.5天，面板温度呈现整体上升趋势，但温度应力基本未发生较大变化，说明在底部约束较小情况下，面板整体变温对面板温度应力的影响较小，防裂关键是面板沿厚度方向的内外温差控制。

图11 截面A处温度沿厚度分布

图12 截面A处温度应力沿厚度分布

2.3 应力沿坡向分布特性

面板坡向各特征点的坡向应力见图13。各点应力规律基本一致，由于面板自重及水化热升温膨胀，越靠近趾板，坡向压应力水平越高。龄期10天浇筑Ⅱ序面板(A型接缝)，两序面板间为乳化沥青，顺坡向约束小，因此Ⅱ序面板对Ⅰ序面板顺坡向峰值应力影响小。

图13 B截面部分特征点坡向应力历程

2.4 坝轴向应力分布特性

面板沿坡向各特征点(T6～T12)轴向应力历程见图14，由于计算考虑了面板与趾板之间的接触作用，趾板对面板的约束较小，沿坡向各特征点轴向应力的差异较小。龄期10天后Ⅱ序面板浇筑后，各特征点轴向应力明显减小，说明相邻面板浇筑对面板轴向应力特性影响较大。典型时刻面板轴向应力分布见图15，距离趾板较近部位受趾板影响明显，距离趾板较远位置，轴向应力分布基本一致。轴向应力随龄期的增长和弹性模量的增大逐渐增大。

图14 B截面部分特征点轴向应力历程

图15 B截面特征点轴向应力分布

3 裂缝分布规律分析

3.1 按面板浇筑时段温度分析

二期面板完成5～63号仓位混凝土浇筑，其中偶数单元为Ⅰ序板，奇数单元为Ⅱ序板，自2019年3月1日开始浇筑，5月25日浇筑完成。二期混凝土面板分别在4月30日、5月10日、5月22日、5月31日、6月22日、7月2日、7月12日、7月22日及11月8日，共计进行了9次裂缝普查，裂缝与温度关系见图16。

图16 裂缝与温度统计曲线

从上述统计及图16中可以看出，面板裂缝发生与浇筑时段内的最高温度、平均温度存在正相关关系，3月份最高气温、平均温度均较低，此时段内浇筑的面板混凝土裂缝数量占比最小；4月份温度上升，当温度达到最高时，裂缝占比也达到峰值；而在5月1—10日期间平均气温、最高温度均出现下降，伴随温度下降裂缝占比明显下降，5月11—20日期间伴随温度上升，裂缝占比也出现了明显的上升，5月25日二期面板混凝土浇筑完成(5月21—25日期间浇筑面板较少，因此统计的面板裂缝占比也较小)。因此，由上述面板裂缝占比与气温相关性规律可以看出，温度越高面板裂缝数量越多。

3.2 按面板浇筑序列分析

二期总计浇筑59块面板，其中54块面板发现有裂缝，对54块面板按Ⅰ、Ⅱ序进行分类统计，绘制散点图及趋势线，见图17。从图17中可以看出，二期面板中Ⅱ序板裂缝数量明显高于Ⅰ序板。分析其原因：一方面是由于Ⅱ序板普遍在4、5月份进行浇筑，浇筑期间温度较高，根据按面板浇筑时间的统计分析结果，温度越高产生的裂缝数量越多；另一方面，Ⅰ序面板仅受挤压边墙约束，Ⅱ序面板受Ⅰ序面板两侧约束，其所受温度应力无法有效释放也将导致裂缝的发生。

图17 每仓面板裂缝占比散点图

3.3 按裂缝发生高程分析

按历次裂缝普查数据，按二期面板1715～1776m高程间隔5m进行分段裂缝统计，绘制散点图，见图18。从图18中可以看出，面板裂缝主要集中在中下部位置，这与约束条件下面板混凝土应力分析结果“裂缝将位于面板中下部，且为水平裂缝，面板底部越平整，裂缝位置越接近趾板”的结论一致。

图18 面板裂缝统计散点图

4 结 语

本文对阿尔塔什大坝工程面板混凝土早期温度应力以及不利条件对面板应力影响等方面进行初探，分析混凝土面板裂缝发生规律，找出影响面板混凝土施工的主要因素，为后续混凝土面板施工提供参考和借鉴。

a.沿面板厚度方向，面板顶面散热作用及面板底部的接触传热作用，导致面板温度分布依次是中部>底部>顶部，对应第一主应力依次为顶部>中部>底部。采用乳化沥青填料情况下，挤压边墙对面板约束较小，整体变温对面板温度应力影响较小，温度应力主要由沿厚度方向的非线性温度分布引起。

b.坡向应力分布规律基本一致，但由于自重作用，越靠近趾板，坡向压应力水平越高。浇筑早期，坡向受压范围较大，随龄期增长，坡向拉应力区范围逐渐增大；两序面板间采用乳化沥青填料情况下，面板顺坡向约束较小，Ⅱ序板对Ⅰ序板坡向应力影响较小。

c.面板轴向应力在靠近趾板位置受趾板影响明显，在距离趾板较远处，轴向应力基本一致。随龄期增长，轴向应力逐渐增大。Ⅱ序面板浇筑对Ⅰ序面板轴向应力影响明显。

d.Ⅱ序面板裂缝数量与浇筑间隔时间未发现有明显的相关性规律，说明浇筑间隔时间不是影响面板裂缝的主要原因；根据现场数据统计，面板裂缝主要集中发生在5、6月份，该时段内气温较高、日照时间长、温差大，因此温差大、气温高是导致面板裂缝的主要原因。