淺談混凝土大壩裂縫原因分析與預(yù)防措施

【摘要】隨著經(jīng)濟(jì)及科技的發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍也越來越廣泛，然而這種大體積混凝土結(jié)構(gòu)尤其是混凝土大壩在施工及運行過程中極易出現(xiàn)不同類型的裂縫，對水利工程大壩的使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生嚴(yán)重影響。本文主要以寒冷地區(qū)的水庫大壩為例，重點對大體積混凝土特點以及混凝土大壩出現(xiàn)裂縫的原因及類型進(jìn)行了分析和闡述，并有針對性地提出了一系列改善措施，希望給行業(yè)相關(guān)人士一定的參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】混凝土大壩；裂縫；類型；預(yù)防措施

引言

本工程位于新疆阿勒泰地區(qū)布爾津縣境內(nèi)，布爾津河為額爾齊斯河的一級支流，干流河長148.9km。水庫壩址位于布爾津河干流河段出山口以上4km的“V”型峽谷內(nèi)，距布爾津縣直線距離約40km，距阿勒泰市98km，距北屯鎮(zhèn)125km，距烏魯木齊677km（西線）或740km（東線）。本工程巖體主要為中泥盆統(tǒng)阿爾泰組（D2a-4）厚層-巨厚層狀灰白色花崗片麻巖，微-新鮮巖體質(zhì)量屬AⅡ類巖體；兩岸為（D2a-4）厚層-巨厚層狀灰白色花崗片麻巖，局部為（D2a-3）薄層-中厚狀灰黑色黑云母斜長片麻巖，微風(fēng)化-新鮮巖體質(zhì)量屬AⅡ、BⅢ1類。

1、大體積混凝土的特點

具體來說，大體積混凝土特點可以表現(xiàn)為以下幾個方面：第一，混凝土屬于脆性材料，具有較高的抗壓強度和抗壓極限，但是其抗拉強度和極限拉伸卻比較低；第二，大體積混凝土結(jié)構(gòu)具有較大的斷面尺寸，混凝土澆筑之后，因水化熱的作用導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度明顯上升，而此時混凝土卻處于彈性衡量小、徐變大的狀態(tài)，升溫引起的壓應(yīng)力并不大，隨著溫度的回落，混凝土彈性模量逐漸極大，徐變較小，其能夠在一定條件下產(chǎn)生較大拉應(yīng)力；第三，通常情況下，大體積混凝土是長期暴漏在空氣中的，表面與空氣和水接觸頻繁，溫度變化對大體積混凝土結(jié)構(gòu)形成嚴(yán)重影響；第四，大體積混凝土不配或者配有少量鋼筋，所以，其拉應(yīng)力需要依賴混凝土本身來承受。

2、混凝土大壩裂縫的類型及形成原因

2.1 水泥水化熱引起的裂縫。在整個水化熱過程中，水泥能夠產(chǎn)生大量熱量，這也是混凝土大壩內(nèi)部熱量的重要來源。因混凝土大壩體積和截面都比較大，且導(dǎo)熱性較低，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度較高，從而形成混凝土大壩表面熱量散失快的狀態(tài)。整個混凝土內(nèi)外結(jié)構(gòu)溫差較大，從而形成內(nèi)外不同的壓應(yīng)力，一旦拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度或者極限拉伸值時，混凝土大壩的表面就會出現(xiàn)裂縫。

2.2 環(huán)境溫度變化引起的裂縫。如果沒有任何約束存在，混凝土的體積會隨著溫度的變化而出現(xiàn)自由脹縮的狀態(tài)；當(dāng)存在一定約束時，混凝土的體積則會隨著約束力的變化而變化，并在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生一定的溫度應(yīng)力。一旦混凝土表面遭遇寒潮襲擊或者晝夜溫差較大情況時，其表面就會出現(xiàn)明顯的收縮情況，而因下層混凝土存在一定的約束力，使得混凝土表層出現(xiàn)拉應(yīng)力而導(dǎo)致大壩表面產(chǎn)生裂縫。

2.3 混凝土干縮引起的裂縫。因蒸發(fā)、干燥等原因，混凝土?xí)霈F(xiàn)體積縮小甚至變形的情況，這就是所謂的干縮現(xiàn)象。混凝土在養(yǎng)護(hù)階段，其水分接近飽和狀態(tài)，在拆模之后，混凝土表面的水分極易散失，而內(nèi)部水分則散發(fā)的相對緩慢，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的濕度梯度，從而引起干縮應(yīng)力。

2.4 堿—骨料反應(yīng)引起的裂縫。當(dāng)骨料中含有蛋白石、凝灰石以及安山巖等活性氧化硅的巖石顆粒時，能夠與水泥中的堿產(chǎn)生堿—硅酸反應(yīng)，使混凝土產(chǎn)生不均勻的膨脹狀態(tài)，從而導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。

2.5 荷載作用引起的裂縫。構(gòu)件承受荷載的性質(zhì)不同，其產(chǎn)生的裂縫也不盡相同。在集中荷載或者均布荷載的作用下，構(gòu)件能夠產(chǎn)生一定的內(nèi)力彎矩，一旦這種抗應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度時，就會產(chǎn)生于構(gòu)件縱軸垂直的裂縫。當(dāng)在荷載作用下，構(gòu)件產(chǎn)生剪應(yīng)力較大時，則會產(chǎn)生斜向裂縫。

3、減緩或避免混凝土大壩裂縫的預(yù)防措施

3.1 結(jié)構(gòu)方面。具體措施可以表現(xiàn)為以下幾個方面：第一，溫度應(yīng)力是絕大部分混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因，如果選擇合理的結(jié)構(gòu)型式，則能夠有效減少溫度應(yīng)力，從而減緩裂縫的產(chǎn)生；第二，合理分層對預(yù)防混凝土大壩溫度裂縫的產(chǎn)生；第三，針對長期暴露在空氣中或者處于水中的混凝土面，配置合理的鋼筋網(wǎng)絡(luò)，以防深層裂縫甚至貫穿性裂縫的產(chǎn)生。

3.2 材料方面。具體措施如下：第一，混凝土的配合比設(shè)計和施工必須滿足工程抗拉強度或者極限拉伸值、施工勻質(zhì)性指標(biāo)等的要求，同時在確保施工成本的情況下，盡可能選擇熱膨脹系數(shù)較低的砂石料，科學(xué)提升混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能；第二，對混凝土的水化熱進(jìn)行嚴(yán)格把控，具體可以使用優(yōu)質(zhì)的骨料級配和熱量較低的硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥，并摻加適量粉煤灰及外加劑等方式，有效延緩了混凝土水化熱的發(fā)散速率；第三，對混凝土自生體積變形進(jìn)行嚴(yán)格把控，其中微膨脹混凝土能夠?qū)Σ糠只炷两禍匾l(fā)的收縮變形進(jìn)行補償，從而對其自生體積形成一定的控制作用。

3.3 施工方面。具體措施如下：第一，對混凝土的施工順序和施工進(jìn)度予以合理安排，減少裂縫產(chǎn)生；第二，對混凝土大壩壩體的最高溫度進(jìn)行合理控制，采取降低混凝土澆筑溫度、鋪設(shè)冷卻水以及對混凝土水化熱溫升進(jìn)行控制等溫控方法，將其最高溫度控制在設(shè)計允許的防范內(nèi)。

3.4 大壩表面的保護(hù)措施。聚氨酯硬質(zhì)泡沫噴涂工藝是當(dāng)前大壩表面保護(hù)工作中普及使用的一種新型工藝。將保溫材料通過高壓噴涂裝置直接噴涂到大壩表面，使得大壩保持在一個恒溫、恒濕的狀態(tài)中，該種工藝對降低混凝土結(jié)構(gòu)的溫度梯度以及干縮產(chǎn)生的裂縫具有明顯效果。

4、結(jié)語

總而言之，導(dǎo)致混凝土大壩出現(xiàn)裂縫的原因有很多，主要包含溫度及濕度的變化、混凝土不均勻性和脆性、基礎(chǔ)不均勻沉降、原材料質(zhì)量不過關(guān)、結(jié)構(gòu)設(shè)計不科學(xué)、養(yǎng)護(hù)工作不到位等方面。為了有效提升混凝土大壩的使用強度和耐久性，施工單位應(yīng)從建筑材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工過程等方面采取合理措施，將混凝土大壩的裂縫控制在一個合理的范圍內(nèi)，為大壩的使用壽命和運行安全打下堅實基礎(chǔ)。

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