东南亚地区某碾压混凝土坝裂缝成因及防治措施研究

2024-01-30周人飞刘勋楠

广东水利水电 2024年1期

周人飞，刘勋楠，刘玉

(1.中国重型机械有限公司，北京 100070；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

1 概述

碾压混凝土重力坝是20世纪80年代初发展的一种筑坝工艺[1-2]。碾压混凝土坝兼具常态混凝土坝的安全性与土石坝的施工高效性[3]，具有多坝段合仓、连续、快速浇筑等特点[4]，是水利水电工程大坝的首选坝型之一[5-7]。碾压混凝土坝采用薄层铺筑，铺筑块尺寸大、坝体上升速度快且永久性横缝少[8]，混凝土散热不充分，在坝体内产生不可控的温度裂缝[9]。工程实践和大量试验资料表明，碾压混凝土坝因温度荷载导致的开裂现象普遍存在[10]，如美国Dworkshak坝、加拿大Revelstoke坝等。

坝址地区的气候条件是导致碾压混凝土坝开裂的重要因素。相对于其他地区，东南亚地区全年高温多雨，月均最大温差较小(8.6℃)，年均温差大(20.2℃)，混凝土温度容易控制，但开裂问题时有发生。本文依托东南亚地区某碾压混凝土坝，通过理论分析和数值仿真，深入研究施工期浇筑长间歇、寒潮冷击和不均匀地基等因素对混凝土温度应力特性及开裂的影响，在此基础上，探索降低新浇混凝土温度应力的有效方法与措施，为东南亚地区大体积混凝土温控防裂提供一定的参考。

2 混凝土温度应力分析

大体积混凝土多采用分层、分块浇筑，高宽比对浇筑块内的应力分布有显著影响，已有研究表明[11-12]，当浇筑块高宽比小于1/8时，中央断面接近于均匀受拉，施工过程中如遭遇长期停歇或寒潮冷击，极易产生贯穿性裂缝。基于上述原因，本节深入讨论长间歇及寒潮冷击导致混凝土开裂的内在机制。

2.1 长间歇温度应力分析

依据弹性理论，混凝土块温度均匀下降产生的水平拉应力[11]为：

σx=-ζEcαΔT

(1)

式中：

σx——浇筑块中央断面上的水平温度应力；

Ec——混凝土弹性模量；

α——线膨胀系数；

ΔT——混凝土温度下降值；

ζ——应力系数。

浇筑块与基础的弹性模量比值(Ec/ER)是影响应力系数的重要因素[11]，Ec/ER越小，应力系数越大，产生的温度拉应力也越大。

长间歇后，混凝土硬化发热过程已基本结束[13]。由式(1)可知，间歇期越长，下层混凝土的弹性模量也越大，应力系数越大，对上层混凝土的约束作用也越显著，由此在上层混凝土中产生的拉应力也越大[14]。

依据上述分析可知，降低浇筑块的温度应力的主要方法在于降低应力系数，同时严格控制上层混凝土的内部温度，减小上下层温差以及内外温差。

2.2 寒潮作用混凝土温度应力分析

寒潮作用时，混凝土的温度变化仅限于表面部分，混凝土表面的温度变形受到完全约束，寒潮引起的表面弹性应力[11]为：

(2)

式中：

μ——混凝土泊松比；

T——温度；

τ——时间。

如前文所述，薄而长的浇筑块在冷却后期全断面受拉，若遭遇寒潮冷击，叠加寒潮作用产生较大的瞬时表面拉应力，出现表面裂缝，极易发展为贯穿性裂缝。

由混凝土表面应力分析可知，减小混凝土内外温差能够有效减少寒潮冷击作用的影响，从而降低混凝土表面的温度应力。因此，在寒潮来临前，对浇筑块采取相应的表面保温措施(保温被、保温模板等)。

2.3 有限元计算理论

考虑混凝土的热学、物理力学性，依据热平衡原理，混凝土的温度场采用热传导方程描述[15-16]：

(3)

式中：

a——导温系数；

θ——混凝土的绝热温升。

混凝土的应力采用热力耦合控制方程计算求解，有限元离散格式如下：

[K]{Δδn}={ΔPn}

(4)

式中：

{ΔPn}——包括温度等其他外荷载引起的结点荷载增量；

[K]——单元刚度矩阵；

{Δδn}——单元节点的位移增量。

采用等效绝热温升的方法模拟水管的冷却效应，将冷却水管看作负热源，在平均意义上考虑冷却水管的作用[11]，混凝土等效热传导方程如下：

(5)

式中：

Tw——冷却水温；

T0——混凝土初始温度；

θ0——混凝土的最大温升；

Φ——水冷函数；

Ψ——水冷温升函数。

3 工程概况

东南亚地区某碾压混凝土重力坝，最大坝高为74 m，坝顶长度为228 m，大坝分10个坝段，其中4#坝段顺河向最大底宽为44 m，横缝间距为24 m，前5层浇筑层高宽比分别为：0.07、0.06、0.06、0.08和0.03，属于薄层浇筑。施工过程中，第1、2浇筑层存在浇筑长间歇，间歇期分别为44 d和66 d，此外，浇筑至高程995.0 m(第5层)时，遭遇寒潮冷击，4#坝段下游侧出现裂缝，裂缝贯穿4#坝段，长度约13 m，最大宽度约1.3 mm。

综上所述，4#坝段995.0 m高程以下，混凝土浇筑块薄而长，冷却后期存在全断面受拉的不利状态。此外，4#坝段位于不均匀基础上部，浇筑过程中存在长间歇及寒潮冷击，综合上述多种因素影响，导致超标应力，最终形成贯穿裂缝。为明晰各影响因素的致裂机制、探究有效的温控防裂措施，本文针对4#坝段995.0 m高程以下浇筑段裂缝成因及应力控制方法开展数值仿真分析。

4 计算模型及参数

大坝混凝土主要热力学参数见表1，高程991 m和992.5 m处布置了冷却水管，通水水温为22℃～28℃，通水流量为1.44 m3/h。建立三维有限元模型，节点数为8 270，单元数为21 242，计算模型如图1所示。

图1 计算模型示意

5 计算结果分析

5.1 长间歇影响分析

本节考虑长间歇期对混凝土应力的影响，计算结果见图2～图3和表2所示。结果表明，第2、3浇筑层存在超过28 d的长间歇期，上层混凝土浇筑时，下层混凝土的硬化过程已基本完成，故第2、3浇筑层从早期开始呈向上发展的趋势，如图3a和图3b所示，在浇筑完成约14 d和8 d后，应力超过允许最大应力，混凝土存在开裂的风险，结果与理论分析一致。因此，长间歇是导致混凝土开裂的重要因素。

图2 顺河向最大应力包络示意(单位：MPa)

图3 4#坝段下游侧各浇筑层顺河向应力过程线示意

表2 温度及应力结果汇总 MPa

长间歇同时导致较大的上下层温差(如图4所示)，第2、3浇筑层的上下层温差分别为15.64℃和23.07℃。此外，坝址区5—9月多年月平均气温为22℃，内外温差较大，应力叠加作用下产生超标拉应力，导致表面裂缝。

图4 第一、二、三浇筑层中心点温度过程线示意

值得注意的是，随着浇筑高度的增加，长间歇对新浇混凝土的影响逐渐减小，早期混凝土的应力较小，14 d龄期时，第4、5浇筑层混凝土的应力分别为0.1 MPa和0.8 MPa。

5.2 寒潮影响分析

寒潮是导致混凝土开裂的重要原因之一，为考虑寒潮对施工期混凝土应力的影响，本节拟定第五浇筑层浇筑龄期为3 d、7 d、14 d、28 d遭遇寒潮冷击，分析混凝土应力的变化，计算结果如图5所示。受寒潮影响，混凝土表面温度骤降，表面产生瞬时较大的拉应力，且随着浇筑龄期的增加，混凝土水化结晶逐渐完成，混凝土的弹性模量逐渐增大，因此混凝土表面的瞬时拉应力幅值也愈大，28 d龄期混凝土遭遇寒潮侵袭时，应力增加了1.07 MPa。早期混凝土强度不高，寒潮冷击影响下，混凝土开裂的风险增加，计算结果与理论分析一致，表明寒潮冷击导致混凝土开裂的主要因素之一。

图5 浇筑层面长周期顺河向应力叠加温度骤降的应力过程线示意(995.0 m)

5.3 不均匀地基影响分析

依据地质勘测资料，4#坝段裂缝位置位于下游侧，坝纵桩号为DH0+32.248m，本节分析不均匀地基对坝体应力的影响。计算模型如图6所示，其中，均匀地基情况下，地基弹性模量为15 GPa；不均匀地基情况下，地基1的弹模为15 GPa，地基2的弹性模量为12 GPa，软弱夹层弹模取为0.5 GPa。计算仅考虑自重作用，如图7所示，选择A、B、C、D四点为特征点，分析不同地基条件下坝体的应力。

图7 4#坝段不均匀地基特征点示意(A、B点高程991.5 m，C、D点高程994.5 m)

计算结果见表3所示。不同地基条件下，DH0+32.248 m软弱夹层两侧特征点的竖向应力相同，顺河向应力仅细微差别，相差小于0.1 MPa。受坝体形式和布置方式的影响，已浇筑段83%位于地基1上，因此地基的不均匀性对于坝体应力的影响并不显著。

表3 不同地基条件下特征点应力统计

5.4 温控措施研究

本节在上述裂缝成因分析的基础上，开展相应的温控防裂措施研究。

如上文所述，为防止浇筑长间歇引起超标应力，有效的方法之一是控制上下层温差，不同上下层温差条件下，混凝土温度应力及安全系数见表4所示。结果表明，降低上下层温差能够消弱长间歇对温度应力的不利影响，当上下层温差为15℃时，上层混凝土的最大应力为0.91 MPa，安全系数为1.81，符合温控防裂要求。

表4 不同上下层温差条件下温度应力统计

寒潮冷击主要影响混凝土表面的温度应力，因此，寒潮来临前采用相应的保温措施，降低混凝土表面的温降梯度。采用表面放热系数200.0 kJ/(m2·d·℃)，研究采取表面保温时，寒潮对混凝土温度应力的影响结果见表5和图8所示。计算结果表明，较大的拉应力分布在距表面1 m范围内。表面保温对于坝体表面应力的改善效果很好，相比无保温措施，采用表面放热系数200.0 kJ/(m2·d·℃)，在遭遇寒潮冷击作用时，混凝土的拉应力下降26%左右，可以看到混凝土在早龄期表面应力都能保持在一个较低的水平，安全系数在1.3～1.5。