淺談混凝土壩溫度裂縫的成因以及主要防裂措施

曹 園，田 源，劉雪嬌，西娜爾·哈那提

（河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京210000）

1 引言

在溫度荷載作用下，大體積混凝土結(jié)構(gòu)中容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力，進(jìn)而引起溫度裂縫。而根據(jù)裂縫的發(fā)展深度和出現(xiàn)位置的不同，溫度裂縫對(duì)壩體有著不同的影響。

混凝土重力壩、拱壩是兩種常見(jiàn)的壩型，它們的溫度裂縫的成因及防治措施有異同之處。本文主要就這兩種壩型，分別從施工期、運(yùn)行期兩個(gè)時(shí)期進(jìn)行溫度裂縫的成因及防治措施的探討。

2 溫度裂縫成因

2.1 施工期溫度裂縫成因

對(duì)于重力壩及封拱前的拱壩而言，溫度應(yīng)力均屬于澆筑大體積混凝土的溫度應(yīng)力問(wèn)題。這里就大體積混凝土施工期溫度裂縫的成因作簡(jiǎn)要討論。

2.1.1 壩塊內(nèi)外溫差

水泥在硬化期間放出大量水化熱，雖然隨著彈性模量上升，混凝土抗拉強(qiáng)度也有所提高，但在內(nèi)部混凝土溫度很高并發(fā)生膨脹、表層混凝土受外界氣溫影響可能收縮的情況下，混凝土表層容易受拉而產(chǎn)生裂縫[1]。另外，隨著齡期的增長(zhǎng)，混凝土彈性模量提高，表面混凝土受內(nèi)部砼降溫收縮變形的約束越來(lái)越大，產(chǎn)生巨大拉應(yīng)力，容易產(chǎn)生裂縫。當(dāng)施工期內(nèi)突遇冷空氣或天氣較冷時(shí)過(guò)早拆除保溫層[2]，混凝土表層溫度變化梯度大，發(fā)生收縮，表面將產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。

2.1.2 基礎(chǔ)溫差

2.1.2.1 基巖約束

基巖約束產(chǎn)生壓應(yīng)力如圖1所示?；炷林苯訚仓诨鶐r上，溫度上升期新澆混凝土有受熱膨脹至狀態(tài)①的趨勢(shì)，但由于基巖的約束作用，最終膨脹形態(tài)為②，這導(dǎo)致塊內(nèi)部產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力。溫度上升期混凝土仍處于半塑性狀態(tài)，且徐變影響較大，壓應(yīng)力較小。

混凝土進(jìn)入降溫期時(shí)，混凝土的自由收縮也同樣受到基巖的約束，在塊體內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，如圖2所示。此時(shí)，新澆混凝土的彈性模量上升，產(chǎn)生的拉應(yīng)力隨彈性模量增大而變大。這部分拉應(yīng)力除去抵消升溫的第一階段產(chǎn)生的壓應(yīng)力外，仍然存在較大的拉應(yīng)力，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律如圖3所示。

圖1基巖約束產(chǎn)生壓應(yīng)力

圖2基巖約束產(chǎn)生拉應(yīng)力

圖3內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律

2.1.2.2 老混凝土約束

老混凝土的彈性模量較新澆混凝土而言比較大，同基巖對(duì)新澆混凝土的約束機(jī)理相同，老混凝土彈性模量越大，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力越大。除此之外，新混凝土澆筑時(shí)老混凝土的溫度變形也可能引起結(jié)合面拉應(yīng)力[3]。例如，如果新混凝土在寒冷天氣澆筑，此時(shí)老混凝土塊處于收縮狀態(tài)，表面呈現(xiàn)下凹的狀態(tài)。新混凝土塊澆筑完后，天氣回溫，老混凝土塊表面膨脹，回復(fù)至平整狀態(tài)，容易在新混凝土塊上側(cè)引起壓應(yīng)力、內(nèi)部引起壓應(yīng)力，如圖4所示。

2.2 運(yùn)行期溫度裂縫成因

2.2.1 重力壩

在大壩運(yùn)行期，氣溫變化幅度較大，壩體與空氣接觸部位表層附近隨外界氣溫變化較靈敏，但內(nèi)部混凝土溫變有明顯的滯后現(xiàn)象，不均勻的溫度分布、混凝土自身的不均勻性及脆性[4]，容易使壩體在運(yùn)行期產(chǎn)生裂縫。比如冬季壩體表面氣溫低，內(nèi)部氣溫高，內(nèi)部混凝土膨脹后會(huì)在表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。而與庫(kù)水接觸的壩段，由于水的比熱容較大，溫度變化相較于空氣不明顯，理論上產(chǎn)生溫度裂縫的概率較上部混凝土低。

圖4新混凝土塊澆筑時(shí)老混凝土溫度變形引起的結(jié)合面拉應(yīng)力

2.2.2 拱壩

上述提到的重力壩的產(chǎn)生運(yùn)行期裂縫的原因，對(duì)拱壩也適用。除此之外，對(duì)于拱圈，可將沿厚度方向的溫度分解為截面平均溫度Tm、等效線(xiàn)性溫差Td和非線(xiàn)性溫差Tn。實(shí)際計(jì)算中常只取用Tm、Td，如果考慮非線(xiàn)性溫差，則允許拉應(yīng)力的計(jì)算將難以控制，但非線(xiàn)性溫差是引起拱壩表面溫度裂縫的主要原因之一。

拱壩的溫度荷載大小還與封拱溫度有關(guān)。徑向荷載在拱圈中產(chǎn)生了彎矩、軸力、剪力。封拱后，如果壩體溫度降低，拱圈發(fā)生收縮，則壩軸線(xiàn)會(huì)向下游位移。溫度荷載產(chǎn)生的作用于拱圈上的彎矩、剪力與徑向荷載產(chǎn)生的彎矩、剪力方向相同，軸力方向相反?？梢?jiàn)溫降情況下，兩個(gè)荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力疊加，應(yīng)力狀態(tài)極差，容易引起裂縫。

3 防裂措施

3.1 施工期措施

3.1.1 溫控措施

減熱方面，可以在不影響混凝土強(qiáng)度及其耐久性的前提下，采用外加劑、低熱水泥等方式減少水泥水化熱，在拌和混凝土?xí)r冰水可以達(dá)到降溫的目的。

散熱方面，可以在混凝土內(nèi)預(yù)埋冷卻管通水進(jìn)行降溫冷卻，并合理安排全年混凝土澆筑施工進(jìn)度，盡量避免在天氣炎熱的情況下進(jìn)行大體積混凝土的澆筑。

3.1.2 施工措施

施工措施包括以下幾條：①合理地分縫分塊；②澆筑新老混凝土壩塊時(shí)需對(duì)間隔時(shí)間進(jìn)行控制；③臨時(shí)縫灌漿；④對(duì)已有裂縫進(jìn)行灌漿處理；⑤施工期進(jìn)行混凝土表面養(yǎng)護(hù)，施工時(shí)采取表面保護(hù)措施；⑥對(duì)于拱壩而言，可以適當(dāng)降低封拱溫度。

除了以上措施之外，提高混凝土質(zhì)量及抗劈裂強(qiáng)度、改進(jìn)模板強(qiáng)度等也都是預(yù)防裂縫的有效措施。

3.2 運(yùn)行期措施

加強(qiáng)對(duì)壩體應(yīng)力、裂縫的檢測(cè)，以便出現(xiàn)不利情況時(shí)及時(shí)采取措施。尤其是遇到較不利工況時(shí)，需要格外注意。加強(qiáng)混凝土溫控和表面保護(hù)措施，比如采用泡沫塑料板對(duì)壩面進(jìn)行永久的保溫等。

需要注意的是，重力壩、拱壩對(duì)裂縫的接受程度是不一致的。拱壩由于其結(jié)構(gòu)特性，超載能力強(qiáng)，允許局部開(kāi)裂，理論上防裂措施的采取較重力壩而言比較寬松。但在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，所采取的具體措施及措施的保證度仍需要通過(guò)資料分析確定。