堆石壩面板混凝土冬季施工期防裂措施研究

　　[摘 要] 以青杉水庫(kù)面板混凝土冬季施工為例，提出 3 種面板混凝土裂縫防控施工方案。數(shù)值分析結(jié)果表明，在 6℃ ～ 10℃的澆筑溫度下，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，能夠顯著降低面板混凝土的早期開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn); 在此施工環(huán)境下，不建議對(duì)面板混凝土進(jìn)行配筋，同時(shí)還應(yīng)盡量減少與墊層的約束，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(kù)蓄水。

　　[關(guān)鍵詞] 面板混凝土; 微膨脹劑; 聚苯乙烯泡沫塑料保溫板; 防裂措施; 配筋; 墊層約束

　　1 工程概況

　　重慶市云陽(yáng)縣青杉水庫(kù)工程是一座以農(nóng)業(yè)灌溉、場(chǎng)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(jì)灌溉面積3 057. 333 hm2，總庫(kù)容1 084 ×104 m3，正常蓄水位 746. 00 m，為混凝土面板堆石壩，壩頂長(zhǎng)度 137 m，最大壩高63 m。面板混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí) C25，抗?jié)B等級(jí) W10，抗凍等級(jí) 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(jí)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%。

　　2 計(jì)算參數(shù)與模型

　　2. 1 氣象、水文、地質(zhì)數(shù)據(jù)

　　1) 氣象。庫(kù)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(duì)濕度 74% 。

　　2) 水文。庫(kù)區(qū)壩址以上流域面積43. 9 km2，多年平均徑流量3 473 × 104 m3，多年平均輸沙量3. 07 × 104 t。水庫(kù)校核洪水位 747. 55 m( 校核工況 P = 0. 1% ) ，對(duì)應(yīng)洪峰流量為 786 m3 /s，對(duì)應(yīng)庫(kù)容1 084 × 104 m3，設(shè)計(jì)洪水位 746 m( 設(shè)計(jì)工況P = 2% ) ，對(duì)應(yīng)洪峰流量為 510 m3 /s，對(duì)應(yīng)庫(kù)容997 × 104 m3，正常蓄水位 746 m，死水位 714 m，消能防沖設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期 30 年，相應(yīng)洪峰流量462 m3 /s。

　　3) 地質(zhì)。庫(kù)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(wú)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(jì)

　　標(biāo)號(hào)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 -3 m2 /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 - 6 m2 /h，表面濕度交換系數(shù)取值為 2 × 10 - 4 m /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。

　　2. 3 有限元模型

　　根據(jù)青杉水庫(kù)堆石壩面板混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)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(wú)厚度的縫單元; 沿河流下游方向?yàn)?X 正方向，沿壩體左岸為Y 正方向，沿大壩軸線垂直方向?yàn)?Z 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(gè)單元、141 947個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)模型。

　　3 施工防裂措施比選

　　3. 1 施工防裂措施方案設(shè)計(jì)

　　面板混凝土開(kāi)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(kāi)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(guò)對(duì)眾多面板混凝土工程施工總結(jié): 保溫效果越好時(shí)，面板混凝土的早齡期開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)會(huì)顯著降低，面板混凝土中摻入密集鋼筋，會(huì)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(shí)減少面板混凝土墊層對(duì)面的約束作用，也可以在很大程度上降低混凝土開(kāi)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(kāi)裂程度，設(shè)計(jì) 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(shí)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(guò)程中添加微膨脹劑，施工時(shí)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(guò)程中添加微膨脹劑，施工時(shí)采取一次澆筑成型方式。在模擬過(guò)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(jì)算可知，在施工階段，面板混凝土開(kāi)裂危險(xiǎn)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)。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(zhǎng)，混凝土壩坡向的應(yīng)力在前 10d 呈負(fù)數(shù)，表明此時(shí)混凝土還承受壓應(yīng)力; 齡期超過(guò) 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(kāi)始受拉，且隨著齡期增長(zhǎng)，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(lái)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。3 種施工方案下的壩軸向應(yīng)力變化走勢(shì)有所區(qū)別。

　　在方案一下，由于沒(méi)有向混凝土添加微膨脹劑，因此，混凝土一開(kāi)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(zhǎng)較快的時(shí)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(shí)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(zhǎng)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(lái)看，3 種施工方案下，均能很好地控制面板混凝土的早期開(kāi)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(kāi)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(shí)摻入微膨脹劑，避免自然入倉(cāng)，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(kù)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(kāi)裂的效果。

　　混凝土論文范例：混凝土攪拌站設(shè)備技術(shù)質(zhì)量管理措施

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　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(gè)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(shí)，混凝土的澆筑溫度宜控制在 10℃以下，在澆筑時(shí)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(shí)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(kāi)裂的效果。

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　　作者：張松斌

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