王海波,王仁坤,宋 猛

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川 成都 610072)

0 引 言

在水电工程建设中,随着施工技术水平的提高、混凝土浇筑能力的提升,混凝土坝建设速度越来越快,在提前蓄水发电尽快发挥经济社会效益的迫切要求下,突破传统3.0 m层厚常态混凝土浇筑技术,加大混凝土浇筑层厚 (浇筑层厚度由3.0 m增加至4.5 m或6.0 m,甚至更厚)、短间歇期 (浇筑层间歇期缩短至7 d以内)的快速浇筑方法是混凝土浇筑研究的新方向[1-3].然而,在实际工程中,限制大坝快速上升的因素有很多,混凝土坝快速浇筑方法不可避免会受到骨料供应不足、混凝土浇筑手段的限制和施工组织等影响而出现层面长间歇.实践表明,层面长间歇对混凝土防裂较为不利.如若层面长间歇期间再遭遇寒潮冷击等恶劣天气,则不利影响会加剧.基于此,本文研究并分析了快速浇筑情况下一些随机出现的因素,如低温浇筑及层间长间歇、气温骤降与昼夜温差大等对混凝土坝防裂的不利影响,尝试提出混凝土早龄期开裂风险的判别指标.

1 混凝土早龄期开裂风险

混凝土早龄期时的开裂风险[4-5]一般采用下式来描述

式中,η为开裂风险因子;σ(t)为t时刻混凝土受到的拉应力;ft(t)为t时刻混凝土的抗拉强度;ξ为临界开裂风险.

σ(t)和ft(t)两个函数综合考虑了混凝土抗拉强度、弹性模量、极限拉伸、徐变变形、自生体积变形及温度变形,全面地反映了各因素对混凝土抗裂性能的综合影响,因此开裂风险因子η是一个全面的综合评价指标,可量化评价混凝土抗裂性能.在国内大坝温控计算中,η也被结构设计人员用于评价结构开裂风险.混凝土材料力学性能和材料模型具有一定的波动性,一般认为其作为混凝土抗裂性的评判标准如下:η>1,混凝土已经开裂;η=1,临界状态; 0.7≤η<1,开裂可能性较大;η<0.7,不大可能开裂.

2 低温浇筑及层间长间歇

引入混凝土开裂风险因子η来评价仓面混凝土早龄期的开裂风险.以图1所示某混凝土坝段为分析研究对象,考察的浇筑层混凝土浇筑时间为大坝混凝土浇筑的第72 d,浇筑层厚3.0 m.对比两种工况:工况1.浇筑温度为28℃,层间间歇7 d后上层覆盖新混凝土,新混凝土的浇筑温度同为28℃.工况2.浇筑温度为28℃,长间歇20 d后再浇筑上层新混凝土,新混凝土的浇筑温度为 18℃.混凝土主要热学和力学参数见表1.

图1 混凝土坝体计算模型

表1 混凝土主要热学和物理力学参数

图2和图3给出了低温浇筑和层间长间歇时仓面混凝土的温度和应力时程线及早龄期开裂风险因子.从图2、3可知:

(1)长间歇期间仓面混凝土温度持续下降,而浇筑块内部温度不断上升,仓面早期内外温差和表层混凝土干燥收缩致使混凝土拉应力达到1.13 MPa(图2b),早龄期开裂风险因子超过0.7,开裂可能性较大.

图2 低温浇筑、层间长间歇时仓面温度和应力时程线

图3 低温浇筑、层间长间歇时仓面开裂风险

(2)层间间歇20 d后大坝仓面混凝土温度在33.9℃左右 (图2a),18℃的低温浇筑对下部混凝土而言是一个冷击过程,老混凝土表面的温度在短时间内降至新老混凝土的平均值28.1℃,瞬间温差作用下的仓面混凝土瞬时降温幅度为5.8℃,仓面混凝土瞬间出现较大的温度梯度.实际上,如若层面间歇时间只有7 d,则此时大坝仓面混凝土温度会更高 (37.2℃),瞬间的低温混凝土浇筑引起的仓面老混凝土的降温幅度会更大,而冷击应力的大小与降温引起的温度梯度变化成正比,如此大的降温幅度足以引起仓面混凝土的开裂.另外,下部混凝土受上部低温浇筑影响会产生拉应力,而上部混凝土水化热温升时也会在下部混凝土引起拉应力,这样产生的温度应力会有相当一部分残留在混凝土内部.当坝体内部残留拉应力与后期温降引起的拉应力迭加则加大引起裂缝的可能或使已有的小裂缝扩展形成宏观危害性裂缝.

混凝土坝快速浇筑条件下常因混凝土浇筑强度不能满足要求或其他原因,出现层面长间歇,算例研究表明,仓面长间歇对混凝土防裂极为不利;同时,浇筑温度并非越低对混凝土防裂越有利.工程实践中应对上述两种不利情况给予足够的重视.高温时段浇筑混凝土时,应尽可能采用表面流水、仓面喷雾等保温保湿措施降低仓面温度,或选择低温时段浇筑混凝土,避免出现低温浇筑致裂问题.

3 气温骤降与昼夜温差

在进行混凝土坝温控防裂研究以及制定温控标准和温控措施时,往往选用坝址区多年月平均气温变化作为计算条件,多年月平均气温可以代表一年为周期的温度荷载作用.而实际上,气温骤降、昼夜温差等短周期冲击性温度荷载由于突然改变了混凝土的温度边界条件,使坝块表面产生很大的降温幅度与梯度,受内部约束产生拉应力,也是温度裂缝产生的重要原因,必须予以考虑.

以上节算例中混凝土坝段为例,考虑寒潮冷击和昼夜温差对混凝土温度和应力的影响.多年月平均气温变化为

气温日变化为

式中,Ta(τ)为月平均气温;Tda(t)为日平均气温,一般一天中最高气温出现在14:00.考察浇筑层混凝土浇筑起始时间仍设定为大坝混凝土浇筑的第72 d,计算假定发生2次寒潮,分别在该浇筑层浇筑结束5 d时和30 d时.第一次寒潮到来时第1 d平均日气温突降10℃,低温持续1 d,第3 d回升10℃至正常气温.第二次寒潮到来时第1 d平均日气温突降15℃,低温持续1 d,第3 d回升15℃至正常气温.气温骤降影响的坝块典型部位温度和应力时程线见图4.

图4 气温骤降影响的坝块典型部位温度和应力时程线

从图4可知,第一次寒潮时,气温骤降对仓面混凝土和坝体上游表面均有不利影响,且对仓面混凝土的不利影响较上游表面大,而对坝体内部影响不明显,温降过程作用局限于表层,影响深度小于1.5 m.混凝土浇筑层厚度远小于其平面尺寸,热量的传导主要在铅直方向,浇筑层面是主要的散热面,间歇期内外温差大,温度梯度也较坝体表面大,而早龄期混凝土强度低,遭遇寒潮冷击更易开裂,因此,仓面是防裂的重要部位.

图5 气温骤降影响的坝块典型部位开裂风险

由图4a可见,第一次寒潮冷击时,给坝块带来很大的降温幅度和温度梯度,如仓面混凝土最大降温量与气温骤降幅度之比为70%,温度梯度由8.8℃/m骤增至14.5℃/m,最大拉应力达3.01 MPa(考虑了温度骤降与昼夜温差叠加的结果,昼夜温差的影响较气温骤降小),仓面开裂不可避免;坝体上游表面最大降温量与气温骤降幅度之比为86%,温度梯度由1.4℃/m骤增至2.38℃/m,最大拉应力只有0.76 MPa,开裂因子低于0.7.相同的温降值引起的温度梯度增大值不同,最大拉应力值主要取决于温度梯度的变化.第二次寒潮来临时,浇筑层仓面点已转化为内部点,气温骤降的影响仅限于坝体上游表面,其温度值由33.17℃骤降至21.36℃,拉应力从0.34 MPa骤增至1.59 MPa,开裂因子超过0.7.第二次气温骤降时,混凝土龄期已经较大,强度和弹性模量较大,引起的拉应力也较大.

对比分析寒潮冷击气温骤降和第2节中低温浇筑工况可以发现,同样是10℃的温差,气温骤降对仓面混凝土防裂的不利影响更大,如果低温浇筑会引起仓面混凝土的细微裂缝,则气温骤降将引起仓面混凝土的严重开裂,但影响深度较小.开裂风险与仓面混凝土的温度梯度变化成正比,坝体上游表面温度梯度变化较小,开裂风险也较仓面小.

从以上分析,笔者认为,防止混凝土裂缝的产生,应从减小坝块受气温骤降和昼夜温差影响的敏感程度,即从减小表层混凝土的温度梯度着手.考虑到上下游坝面的重要性不同,坝体上游迎水面有防渗要求,不容许出现裂缝,上游面的温控防裂措施应较下游面严格.

4 结 语

综上分析研究发现,温度梯度是引起混凝土开裂的主要原因,其可作为混凝土开裂风险的判别指标.低温浇筑引起仓面混凝土温度的空间梯度瞬间增大是其致裂主因;气温骤降引起表层混凝土温度的时间和空间梯度增大是其致裂主因.传统的以内外温差作为判别混凝土开裂的指标是不全面的.笔者认为,以温度的空间梯度和时间梯度作为混凝土开裂风险的判别指标较传统的以内外温差作为判别指标更为全面、合理.浇筑层仓面和坝体表面的防裂应从减小表层混凝土的降温幅度、温度梯度等着手.

[1] 强晟,朱岳明.混凝土坝厚层短歇的快速浇筑方法及应用[J].三峡大学学报:自然科学版,2010(4):38-41.

[2] 张彬,李文,马福军.锦屏一级水电站高拱坝混凝土快速施工技术[J].四川水力发电,2011(2):5-7.

[3] 韩炳兰,商永红,乐运红.向家坝水电站左岸大坝混凝土快速施工[J].水力发电,2010(2):38-40.

[4] ALTOUBAT S A,LANGE D A.Creep,shrinkage and cracking of restrained concrete at early age[J].ACI Materials Journal,2001,98(4):323-331.

[5] 陈波,蔡跃波,丁建彤.大坝混凝土抗裂性综合评价指标[J].混凝土,2008(10):5-7.