堆石壩面板混凝土冬季施工期防裂措施研究

張松斌

(重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計研究院有限公司，重慶 401120)

1 工程概況

重慶市云陽縣青杉水庫工程是一座以農(nóng)業(yè)灌溉、場鎮(zhèn)和農(nóng)村供水為主，兼有發(fā)電等綜合效益的中型水利工程，設(shè)計灌溉面積3 057.333 hm2，總庫容1 084×104m3，正常蓄水位746.00 m，為混凝土面板堆石壩，壩頂長度137 m，最大壩高63 m。面板混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級C25，抗?jié)B等級W10，抗凍等級F100，承受最大水力梯度126，水膠比為0.4，砂率為34%。面板混凝土采用二級配骨料，面板采用單層雙向配筋，布置在面板截面中部，各向平均含筋率為0.35%。壩體分區(qū)堆石設(shè)計指標(biāo)見表1。

表1 壩體分區(qū)堆石設(shè)計指標(biāo)

2 計算參數(shù)與模型

2.1 氣象、水文、地質(zhì)數(shù)據(jù)

1) 氣象。庫區(qū)多年平均降雨量1 350 mm，多年平均蒸發(fā)量1 323.6 mm，多年平均氣溫18.7℃，極端最低氣溫-4℃，極端最高氣溫41.7℃，多年平均風(fēng)速1.5 m/s，多年平均最大風(fēng)速9.9 m/s，平均相對濕度74%。

2) 水文。庫區(qū)壩址以上流域面積43.9 km2，多年平均徑流量3 473×104m3，多年平均輸沙量3.07×104t。水庫校核洪水位747.55 m(校核工況P=0.1%)，對應(yīng)洪峰流量為786 m3/s，對應(yīng)庫容1 084×104m3，設(shè)計洪水位746 m(設(shè)計工況P=2%)，對應(yīng)洪峰流量為510 m3/s，對應(yīng)庫容997×104m3，正常蓄水位746 m，死水位714 m，消能防沖設(shè)計洪水重現(xiàn)期30年，相應(yīng)洪峰流量462 m3/s。青杉水庫壩址消力池天然水位流量關(guān)系見圖1。

圖1 消力池天然水位流量關(guān)系

3) 地質(zhì)。庫區(qū)壩址處主要以微風(fēng)化巖屑石英、弱風(fēng)化砂巖夾粉砂巖、膠結(jié)結(jié)構(gòu)面、無充填結(jié)構(gòu)面、充填結(jié)構(gòu)面等巖體為主。

2.2 材料參數(shù)

面板混凝土設(shè)計標(biāo)號為C25W10F100，容重為2 400 kg/m3，比熱值為0.9 kJ/(kg·℃)，導(dǎo)溫系數(shù)為3.8×10-3m2/h，導(dǎo)熱系數(shù)為8.66 kJ/(m·h·℃)，線膨脹系數(shù)為8.4×10-6/℃，泊松比取值為0.16，絕熱溫升表達(dá)式為θ=37(1-e-0.4τ0.9)，彈模與齡期的關(guān)系式為E=36.8(1-e-0.32τ0.9)，混凝土的濕度擴(kuò)散系數(shù)取值為5×10-6m2/h，表面濕度交換系數(shù)取值為2×10-4m/h，收縮系數(shù)取值為2×10-4，試驗(yàn)得到的面板混凝土自生體積變形規(guī)律見圖2。將壩體材料劃分為墊層料、過渡料、堆石料和基巖，不同壩體材料的熱學(xué)參數(shù)取值見表2。

圖2 面板混凝土自生體積變形規(guī)律

表2 壩體材料熱學(xué)參數(shù)取值

2.3 有限元模型

根據(jù)青杉水庫堆石壩面板混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計情況，模型考慮了大壩基巖、堆石結(jié)構(gòu)、墊層以及面板混凝土等結(jié)構(gòu)，將面板中間河床最深塊面板作為研究對象建立有限元模型[1]。模型壩基基巖采用全約束，側(cè)向采用法向約束，模型面板混凝土與氣溫接觸部分加載第三類散熱邊界，與水接觸部分加載第一類散熱邊界，面板沿厚度方向劃分為3層，面板與墊層之間設(shè)置無厚度的縫單元；沿河流下游方向?yàn)閄正方向，沿壩體左岸為Y正方向，沿大壩軸線垂直方向?yàn)閆正方向；有限元模型采用8節(jié)點(diǎn)6面體單元，將模型劃分為包括127 344個單元、141 947個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)模型，見圖3。

圖3 壩體有限元模型

3 施工防裂措施比選

3.1 施工防裂措施方案設(shè)計

面板混凝土開裂一般是由溫度變形、干縮變形、材料性質(zhì)、墊層約束等內(nèi)外因素共同決定的，防止開裂一是要提高面板混凝土的抗拉能力，二是要降低面板混凝土的受拉應(yīng)力[2-3]。通過對眾多面板混凝土工程施工總結(jié)：保溫效果越好時，面板混凝土的早齡期開裂風(fēng)險會顯著降低，面板混凝土中摻入密集鋼筋，會明顯加大結(jié)構(gòu)的剛度，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在相同溫度下承受的結(jié)構(gòu)應(yīng)力增大，同時減少面板混凝土墊層對面的約束作用，也可以在很大程度上降低混凝土開裂的可能性[4]。

因此，為提高混凝土面板的安全性，減少面板的開裂程度，設(shè)計3種面板混凝土裂縫防控方案[5-7]。方案一：澆筑溫度6℃，采用厚8 cm的聚苯乙烯泡沫塑料保溫板進(jìn)行保溫，面板不配筋，減少與墊層的約束，施工時采取兩次澆筑成型方式。方案二：澆筑溫度6℃，采用厚8 cm的聚苯乙烯泡沫塑料保溫板進(jìn)行保溫，面板不配筋，減少與墊層的約束，但在混凝土攪拌過程中添加微膨脹劑，施工時采取一次澆筑成型方式。方案三：澆筑溫度為10℃，采用厚8 cm的聚苯乙烯泡沫塑料保溫板進(jìn)行保溫，面板不配筋，減少與墊層的約束，在混凝土攪拌過程中添加微膨脹劑，施工時采取一次澆筑成型方式。在模擬過程中，面板混凝土自身變形、線性膨脹系數(shù)以及絕熱溫升均采用2.2小節(jié)混凝土試驗(yàn)值。

3.2 模擬結(jié)果

根據(jù)計算可知，在施工階段，面板混凝土開裂危險點(diǎn)集中于面板表面的中高程位置。因此，取面板表面中高程位置點(diǎn)作為模擬分析點(diǎn)，結(jié)果見圖4。從圖4中可知，在3種施工方案情況下，面板混凝土壩坡向的應(yīng)力值相差不大，具體排序?yàn)榉桨敢?方案三>方案二。隨著混凝土齡期的增長，混凝土壩坡向的應(yīng)力在前10d呈負(fù)數(shù)，表明此時混凝土還承受壓應(yīng)力；齡期超過10 d后，混凝土內(nèi)部水化熱持續(xù)釋放，造成內(nèi)外部溫度差增大，混凝土開始受拉，且隨著齡期增長，應(yīng)力不斷增大，并在30 d左右達(dá)到穩(wěn)定值。從整體上看，3種施工方案的應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于允許抗拉強(qiáng)度值，即使疊加日寒潮和配筋以及澆筑溫度升高至 10℃帶來的應(yīng)力增量，面板混凝土的安全系數(shù)仍能大于1.8，能夠較好地避免早期裂縫的產(chǎn)生。

圖4 不同施工方案下的模擬結(jié)果

3種施工方案下的壩軸向應(yīng)力變化走勢有所區(qū)別。在方案一下，由于沒有向混凝土添加微膨脹劑，因此，混凝土一開始就受到拉應(yīng)力，但在前10 d的增量比較小，僅為0.15 MPa，10～30 d是拉應(yīng)力增長較快的時間段，齡期達(dá)到60 d后，混凝土的應(yīng)力達(dá)到1.15 MPa；方案二和方案三的壩軸向應(yīng)力在前10 d基本呈負(fù)數(shù)，此時混凝土受壓應(yīng)力，10～14 d后，混凝土壩軸向應(yīng)力由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，但拉應(yīng)力的增長幅度非常小，均小于0.2 MPa，此后拉應(yīng)力基本呈穩(wěn)定狀態(tài)，這表明向混凝土中摻入微膨脹劑可以延緩和減輕混凝土的自收縮變形，從而降低混凝土壩軸向的受力。

3.3 討 論

從模擬結(jié)果來看，3種施工方案下，均能很好地控制面板混凝土的早期開裂，壩坡向和壩軸向的應(yīng)力均小于允許抗拉強(qiáng)度，方案二和方案三在添加微膨脹劑后，抑制開裂的效果更佳。因此，建議面板混凝土應(yīng)采取如下施工方案：施工期澆筑溫度不宜高于10℃，最好為6℃-8℃，采用一次澆筑方式，澆筑時摻入微膨脹劑，避免自然入倉，在混凝土養(yǎng)護(hù)期間應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行保溫保濕措施，直至水庫蓄水，聚苯乙烯泡沫塑料保溫板的厚度不宜低于8 cm，可達(dá)到最佳的抑制面板混凝土施工期開裂的效果。

4 結(jié) 語

基于有限元數(shù)值模擬，從保溫措施、配筋措施以及墊層約束3個主要方面考慮，提出3種不同堆石壩面板混凝土冬季施工期防裂措施。結(jié)果表明，當(dāng)采用一次澆筑方式時，混凝土的澆筑溫度宜控制在10℃以下，在澆筑時應(yīng)采用摻入微膨脹劑+厚8 cm聚苯乙烯泡沫塑料保溫板進(jìn)行保溫，不建議面板混凝土配筋；同時還應(yīng)該盡量減少與墊層的約束，可以達(dá)到最佳的抑制面板混凝土施工期開裂的效果。