溢洪道混凝土的温控防裂方案研究

2014-02-20韩绪博王兆刚

水利规划与设计 2014年6期

韩绪博王兆刚

溢洪道混凝土的温控防裂方案研究

韩绪博1，2王兆刚3

(1.华北水利水电大学河南郑州 450011；2.水利部建设管理与质量安全中心北京 100038；3.北京市平谷区水务局北京 101200)

由于水工建筑物溢洪道要承受高速和大流量的水冲刷，其对混凝土施工质量要求严格，防止裂缝的产生是工程建设者面临的一大难题。本文从溢洪道混凝土的材料特性和结构特点阐述了其裂缝机理，从材料方面和施工措施方面提出了防止裂缝的措施，并以某实际溢洪道为例，采用三维有限单元法，研究了改善应力状态、防止裂缝产生的混凝土温控防裂方案，指导工程施工。该方法对同类型工程的施工具有一定的参考意义。

溢洪道裂缝机理温控防裂表面保温有限单元法

1 前言

溢洪道的工作特点是要承受高流速和大流量的水流，其混凝土也往往采用抗冲耐磨混凝土，这种类型混凝土具有水泥用量大，绝热温升高等特点。溢洪道结构特点具有厚度较小、顺河向分缝长度较长、基础约束强等特性。这些特点决定了在我国现有温控技术条件下[8-11]，溢洪道施工期的温度控制就成为工程质量保证的关键。本文以三维有限单元法计算程序对某大型溢洪道分析了不同温控措施组合条件下的温控防裂效果，筛选出适合该工程的温控防裂措施，指导工程施工。该方法和措施对类似工程具有重要参考意义。

2 溢洪道混凝土裂缝成因和机理

2.1材料方面

溢洪道特殊的功能特点决定了它常采用高性能混凝土，它的强度和抗冲耐磨性能得到了建设者的喜欢。但是高性能混凝土具有水灰比小、水泥用量多、水化热量大、混凝土绝热温升高且集中在早期释放等热学特性；也具有弹性模量大、强度早强和自生体积变形大等力学特性，这些特性使其开裂现象更难控制，裂缝出现也更为普遍、更加防不胜防。

2.2结构方面

不同于大坝大体积混凝土结构，溢洪道结构单薄，厚度小基本是1～2m厚；与渡槽结构不同，溢洪道结构简单，没有底板和侧墙、边墙和底板、主梁和底板等结构部位之间的相互变形约束。但是不同于大坝和渡槽等结构，溢洪道顺河向分缝长度较长，整个结构都处于强约束区，受地基约束非常明显，很容易产生裂缝，且一旦出现裂缝，都将是贯穿性裂缝，严重影响结构的耐久性和安全性。

总之，溢洪道的材料特点和结构特点决定了其对于裂缝更为敏感，防裂的要求更为严格，防裂难度也更大，施工中最大限度的控制危害裂缝出现对未来工程安全具有极其重要的意义。

3 溢洪道混凝土的温控防裂措施

3.1优化混凝土材料

根据表1中的实验数据得到以下结论：1)对比A和C或对比B和D发现，在一定条件下增加空气层可以减小结构层的侵彻深度，但这会引起结构成坑直径的显著加剧，这和文献[20]的数值计算结果是定性吻合的。2)对比A和B发现，当靶体含空气隔层时，若将砂浆层从混凝土顶部转移至花岗岩顶部，则混凝土层侵彻深度hc减小50%以上。3)对比C和D发现，不设空气隔层时，将砂浆层从混凝土顶部转移至花岗岩顶部可使混凝土层侵彻深度hc减小16.5%。4)从减小混凝土层侵彻深度hc的角度看，方案B(增加空气层并将砂浆层置于整个结构最上方)是最有利的，但从减小横向破坏区域来看，方案B却是最不利的。

材料优化是从工程材料性能上予以改进，主要包括控制混凝土的绝热温升、提高抗拉强度、减小热膨胀系数和掺入混凝土掺合料等特性。

控制绝热温升是混凝土温控防裂的重要措施，可以合理选择水泥、控制水泥质量，在满足混凝土的各项主要技术性能指标要求的前提下达到降低混凝土的最终绝热温升的目的；混凝土中掺入纤维材料可有效提高混凝土强度、降低弹性模量、增强混凝土的韧性和抗裂性能；减小混凝土热膨胀系数，可以很好地降低混凝土的变形，降低周围环境对混凝土结构的约束效应，减小收缩应力；掺入矿物掺合料可以有效改善混凝土特性，增强混凝土抗裂性能，比如粉煤灰可以有效降低混凝土绝热温升，氧化镁可以使混凝土产生微膨胀性，抵消部分混凝土的收缩变形。

3.2施工措施改进

施工措施改进可以人为改善混凝土应力状态，释放或者降低结构内的应力，防止裂缝产生。一般来讲，可以通过混凝土结构的分缝分块，采用表面保温、水管降温或者流水养护能施工措施和手段来实现。

薄板混凝土结构的分缝分块指通过设计，有计划的用横缝和纵缝将结构分割成若干块，减小基岩的约束应力，但要认真研究分块的合理大小，在尽量降低结构应力的同时，又能尽量保证结构的完整性；施工期采取表面保温可以减小内外温差和基础温差，降低周围环境气温的影响，防止裂缝生成；内部水管降温可以降低混凝土的内部温度，减弱热胀冷缩现象，降低收缩应力。

4 溢洪道施工期温控防裂方案优选

4.1工程概况

某水电站位于云南省普洱市思茅区和澜沧县交界处的澜沧江下游干流上，是澜沧江中下游河段八个梯级规划的第五级。其开敞式溢洪道布置于坝址左岸，由进水渠段、闸室控制段、泄槽段、挑流鼻坎段及出口消力塘段组成。溢洪道水平总长1445.183m，宽151.5m，溢洪道厚约1m。该溢洪道是目前国内规模最大、世界第二、泄洪功率世界第一的大型溢洪道。溢洪道采用C18055W8F100二级配高标号混凝土，全年施工，混凝土的温控防裂任务复杂而艰巨，溢洪道混凝土温控试验配合比见表1，溢洪道混凝土热学和力学参数见表2。

表1 溢洪道混凝土温控试验配合比（单位：kg/m3）

表2 溢洪道混凝土热学和力学参数

4.2计算模型

计算模型为有限元计算模型，模型底面及四周侧面设为不传热边界，溢洪道四个侧面和顶面设为为第3类传热边界，环境温度采用工程所在地的多年平均气温，内部水管冷却算法为等效算法计算[1]；有限元模型底面设为三向约束，地基四周设为法向约束。有限元模型中单元最小厚度取0.01m，最大厚度取0.1m，单元采用六面体等参模型，有限元模型的单元和结点总数分别为41544和46615个，有限元模型见图1。

图1 仿真计算网格

4.3温控防裂方案

该溢洪道混凝土绝热温升较高，混凝土内部温升较大，且全年施工，温控防裂难度较大，本文以夏季节施工的溢洪道混凝土为例，温控措施主要有内部水管降温、表面保温和表面流水养护，为了达到最佳温控效果，以下面表3中方案1、方案2、方案3、方案4，四组组合温控措施为研究对象，筛选温控措施。温控方案具体详细内容见表3。

表3 温控方案

4.4计算结果分析

仿真计算结果夏季浇筑不同方案溢洪道最高温度最大应力摘要见表4，有关图的情况见图2～图5所示。

表4 夏季浇筑不同方案溢洪道最高温度最大应力摘要

（1）方案1设为没有任何温控措施的工况，以了解其温度和应力变化规律。从计算结果可以看出，在没有任何温控措施下，溢洪道混凝土内部最高温度可达到41.75℃，由于没有表面保温，在龄期9天时温度降为31.12℃，降幅9.54℃，降温速度为1.1℃/d。由于是在夏季高温季节施工，之后混凝土温度随气温变化，温度不断降低，到来年一月中旬，混凝土温度降至最低，从最高温度41.75℃到最低温度16.62℃，降温幅度在25℃以上，再加上是处于强约束状态的薄壁结构，应力不断增长，在207天龄期时（即来年1月份）达到最大值，为3.89MPa，超过混凝土容许拉应力，安全系数只有1.15。

（2）方案2在方案1的基础上采取温控措施，可以看出，在表面保温力度20kJ/ m2.h.℃、水温为13℃、流量2.0m3/h和目标温度28℃的温控措施下，混凝土的最高温度由41.75℃降低为37.19℃。由于保温的存在，使得混凝土的降温幅度和降温速率有所减小。但最大应力依然是在气温最低的来年1月份，混凝土最大顺水流方向应力都在3.25MPa，安全系数只有1.37左右，应力改善效果仍然有限。

（3）方案3是采用不同的保温方式，即早期保温力度为20kJ/m2.h.℃，到气温明显开始降低时（10月份开始）采用5kJ/m2.h.℃的保温材料，计算结果显示，效果有一定的改善，混凝土最大应力明显减小，但是安全系数依然在1.6左右。

图2 各方案内部和表面温度过程线（内部）

图3 各方案内部和表面温度过程线（表面）

图4 各方案内部和表面应力过程线（内部）

图5 各方案内部和表面应力过程线（表面）

（4）方案4是在总结前面计算工况的温控措施基础上，早期采用流水养护方式进一步降低最高温度，到气温明显开始降低时（10月份开始）混凝土表面覆盖β等于5kJ/m2.h.℃的保温材料，减小外界气温对其的影响。计算结果显示，由于早期采用的是流水养护方式，最高温度降低为35.7℃左右，降幅明显，早期安全系数都在2.0以上，最大应力发生在来年1月份，但是由于10月份后采用了β等于5kJ/m2.h.℃的保温材料，使得混凝土温度波动幅度明显减小，混凝土最大应力明显降低，在2.50MPa左右，安全系数基本在1.80左右，混凝土表面的安全系数也在2.50以上。

根据上面多工况多参数的计算结果和分析，推荐夏季浇筑溢洪道抗冲耐磨混凝土的温控措施：浇筑温度不超过15℃，混凝土表面早期采用流水养护方式，流水水温在22℃左右，养护18天；温度峰值前冷却水温控制在13℃以下，峰值过后逐渐减小流量，提高水温，使温度峰值后1～5天每天最大降温速率不超过1℃，5天后每天最大降温速率不超过0.5℃；混凝土冷至28℃时停止冷却，靠自然散热将混凝土冷至稳定温度；10月份开始，已浇溢洪道混凝土表面覆盖β不大于5kJ/m2.h.℃的保温材料。