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碾压混凝土坝温控防裂措施研究

发表时间：2020/12/29 来源：《基层建设》2020年第24期作者：宋建军杨光

[导读] 摘要：近年来碾压混凝土坝逐渐兴起和迅速发展，且以它优越的技术和经济特点而越来越受到世界坝工界的青睐。

        中国葛洲坝集团第一工程有限公司
        摘要：近年来碾压混凝土坝逐渐兴起和迅速发展，且以它优越的技术和经济特点而越来越受到世界坝工界的青睐。虽然高粉煤灰掺量使得碾压混凝土水化热较低，但由于采用通仓连续碾压的旋工方式，使得碾压混凝土高坝的温度裂缝问题依然十分突出。本文综述和分析了碾压混凝土裂缝的成因及其危害和温控防裂的特点，针对性的研究总结了温控防裂的措施。
        关键词：碾压混凝土；温控防裂；温度应力；特点：措施
        一、前言
        近年来碾压混凝土坝迅速发展，且以它优越的技术和经济特点而越来越受到世界坝工界的青睐。虽然高粉煤灰掺量使得碾压混凝土水化热较低，但由于采用通仓或横缝间距较大的连续碾压施工方式，浇筑块长，问歇时间短，上下层温差和基础温差引起的应力均较人，使得碾压混凝土高坝的温度裂缝问题依然十分突出。如何采取有效措施，防止温度应力造成混凝土结构表面和内部出现有害裂缝，一直是碾压混凝土结构施工中的一个复杂而又难度很大的技术问题。
        二、碾压混凝土裂缝的成因及其危害
        碾压混凝土坝产生温度裂缝的主要原因是在受约束条件下，温度拉应力超过了混凝土允许拉伸变形能力，从而导致开裂。前者与环境、施工因素、边界约束及水化热温升等条件有关，后者与混凝土质量、性能有关，而混凝土质量好坏又取决于施工因素，如混凝土强度的均匀性和施工管理水平等密切相关。因此，温度裂缝产生的充分必要条件是很复杂的，混凝土坝的开裂是许多因素的组合。但是，在宏观上混凝土坝开裂还是有规律可循的[1]。主要有以下几类：
        2.1表面裂缝
        坝体大部分温度裂缝都可以归结为表面裂缝，其产生的原因是表层混凝土降温速度较内部快，坝块内部和外部的变形不同步而产生约束所引起的。当聚积在混凝土内部的水泥水化热不易散发时，混凝土内部温度将明显升高。向混凝土表面通常散热较快，形成内外温差，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，当拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土表面就会产生表面裂缝。此外，当混凝土的坍落度较大时，混凝土表面水分蒸发引起的体积收缩也会使混凝土产生表面裂缝。
        2.2上游坝面裂缝
        上游坝面裂缝根据裂缝发生的时间可分为两种情况：
        施工期出现的表面裂缝，如：温度缝或干缩缝，由于处理不善，蓄水后在缝内水压及渗压作用下，逐年加深。发生最多的是水平施工缝，施工时受温度作用张开，层而粘接强度低，是层面的薄弱环节，在水压作用下，如贯通到坝内廊道，即形成漏水通道。另外是坝段中间的铅垂向裂缝（劈头缝），施工时深度仅几厘米，一般不为人注意，蓄水后逐渐向下游方向延伸，对支墩坝有可能造成失稳性扩展。
        在运行期时，施工期大坝混凝土的水泥水化热已经散失，在表面形成的压应力由于混凝上徐变已趋稳定而保持不变，气温作用虽然和施工期无差别，但运行期气温变幅和施工期并不全同，个别年份气温变幅大，又迭加变幅大的气温骤降，形成施工期未遇到的不利组合，就有可能产生新的裂缝。且冬季形成的新裂缝，在夏季有可能向内扩展。
        2.3 贯穿裂缝
        基础约束贯穿性裂缝是由于施工期坝体最高温度下降到稳定温度，体积收缩变形受到基础限制而产生的。基础贯穿裂缝情况很复杂，归纳起来有：混凝土侧表面长期暴露，在气温骤降反复作用下，开始时仅出现表面裂缝，以后逐渐下延并加深，最终贯穿：在基础岩石商上浇筑薄层混凝土，长间歇，反复受到气温骤降的冲击，形成薄层约束府力和气温骤降内外温差应力的迭加而产生裂缝；岩石表面不平整，局部有凹坑或尖角，混凝土浇筑层厚度突变，造成局部应力集中，极容易发生裂缝。
        综合上述各工程大坝基础混凝上产生贯穿性裂缝的原因可知，除了混凝土质量低的工程外，几乎全都是坝块变形受约束条件限制或温度边界条件恶化所造成的，因此只有改善或避免这些条件才不致开裂，否则只强调降温是难以避免贯穿性裂缝的
        三、碾压混凝土温控防裂的特点
        碾压混凝土坝在施工及运行中也和普通混凝土坝一样，存在着因温度、湿度等变化而产生的体积变形[2]，并在内外部约束下产生温度应力，当温度拉应力超过碾压混凝土的抗裂能力时，即会出现裂缝，而这些裂缝必然会给工程带来不同程度的危害。但在实际情况下，由于碾压混凝土坝在材料和施工方法上与常态混凝十坝不同，致使其在发热过程、温度变化规律等方面均与常态混凝土坝有所差异，因而碾压混凝土坝的温控与防裂也有其自身的一系列重要特点，只有根据这些特点来研究碾压混凝土坝的温度控制问题，才能得到正确的结论。与常态混凝土相比，碾压混凝土的温控防裂主要有以下儿大特点：
        3.1水化热温升低、慢、匀
        碾压混凝土水泥用量少，粉煤灰掺量高。它的绝热温升比常规混凝土少，水化热温升通常为10℃以r，并且最高温度常出现在数周乃至数月后．远较常规混凝土晚。因此，其温度分布较均匀。

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由于碾压混凝土的后期弹模和徐变较高，其温度应力分布较温度分布更为均匀。这对改善坝体温度状况、减小温度应力十分有利。因此，同一温差可以采用较常态混凝土简化的温控措施。由于水化热温升低、慢、匀，因此可更进一步简化温控措施。
        3.2较高的徐变防裂能力
        虽然碾压混凝土的抗拉强度与常规混凝土相似，但碾压混凝土徐变度大。由于粉煤灰在一年以后还有一定的活性，能够继续形成水化物晶体，使晶体间由于应力产生的微裂隙得以穿插交错，恢复为整体。也也就是说，碾压混凝土慢速极限拉伸变形远大于常规混凝土，对基础约束的抗裂能力远大于常规混凝土。
        3.3具有较高的抗溶蚀能力
        碾压混凝土的粉煤灰渗量很高，具有足够的一氧化硅与水泥水化产物相结合，最常见的泛酸性侵蚀、溶出性侵蚀和游离一氧化碳侵蚀有足够的抗侵蚀能力。因此，即使开裂漏水，也很少出现上游侧缝面被侵蚀，下游侧缝面析出钙质沉淀物现象，对大坝寿命与外观方面很有利。
        四、碾压混凝土坝温控防裂的措施
        4.1上游保温防渗层
        在上游而设置永久性的保温防渗层，即叫一举而防止上游水平裂缝和竖向劈头裂缝两种裂缝的危害。温和地区上游而可采用双层颦料薄膜泡垫，设丁模板内侧，拆模后泡垫留于坝面，可防止寒潮时急剧降温开裂，又可作为初步防渗层。蓄水前，随水位上涨，再在坝面补贴一层。以确保防渗性能，弥补施工时局部破损。寒冷地区和严寒地区，双层薄膜泡垫可能不够，可改用较厚的一膜一布、一膜一布或多膜多布等由薄膜与非织造布等复合的上工膜料。蓄水前再随水位上涨加一层防渗层。水下的高分子材料具有足够耐久性。因为水温变化不太，又无紫外线和臭氧作用，只须适当注意与坝而的粘结，利用模板螺栓辅助固定。但水位变化区则受水位涨落和机械碰撞破损，且有紫外线和臭氧及气温作用，宜在其外表加现浇混凝上保护[3]。
        4.2横缝
        设置横缝是有效的防裂措施。切坝体较长或高低变化较大时，宜设置横缝。横缝间距一般为20～70m，工程实践表明，减少横缝间距，能够控制和减少温度应力引起的裂缝，但对碾压混凝土坝来说，减少横缝间距会使施工程序复杂，降低施工进度，增大工程造价。因此，对一具体的工程，横缝问横缝间距视气温、坝形、施工机械和施工方法，特别是能否于一个冬春季碾压完成并蓄水而定。另外，对于非长期蓄水或级别较低的大坝，无结构要求时可不设横缝。因为不设分缝的整体坝具有拱坝的超静定结构特征，与常规分缝坝相比具有较强的超载能力，同时还具有提高工程安全度、减少坝体工程量、简化工程施工、加快施工进度等优势。
        4.3控制混凝土出机温度和浇筑温度
        通过冷却拌和水、加冰拌和、须冷骨料等办法降低混凝土出机D温度，采用加大混凝土浇筑强度、仓面保冷等方法减少挠筑过程中的温度回升。降低混凝土浇筑温度，可使施工期坝体最高温度得到降低。当炎热季节浇筑混凝土时，宜对砂石骨料采取遮阳降温措施。最高浇筑温度应不大于28℃。在混凝土浇筑进度安排上，尽量做到薄层、短间歇、均匀上升，避免突击浇筑一块混凝土，然后长期停歇：避免相邻坝块之间过大的高差及侧面的长期暴露；尤应避免“薄块、长间歇”，即在基岩或老混凝土上浇筑一薄块而后长期停歇，这种情况极易产生裂缝。另外，尽量要利用低温季节浇筑基础部分混凝土，严格控制温度，加强养护。
        五、实例分析
        新春水库工程，大坝主体为碾压混凝土重力坝，坝顶高程488.30m，坝顶宽6m，最大坝高62.0m，库正常蓄水位483.50m，总库容为749万m³。建库河段河流由北流向南，汇入南圣河。建库河段河床高程一般390～460m，河床比降约4.25%，两岸山顶高程一般500～700m，相对高差70～300m。地形坡度30°-50°，两岸山体冲沟均有发育，呈北东、北西向展布，两岸河谷形态呈基本对称的“V”字型谷。在施工过程中，发现大坝3处地方存在裂缝现象，采取相关措施后已成功将裂缝封住。
        六、结束语
        碾压混凝土温度控制，涉及到设计、材料、施工、环境等诸多因素。为了控制裂缝，应着重从控制温升、延缓降温速率、减少混凝士收缩、提高混凝土极限拉伸、改善约束程度等方面采取措施。本文介绍了碾压混凝土坝温控防裂的特点，分析了碾压混凝土坝裂缝的分类和各类裂缝产生的原因，最终研究总结出了合理的温控防裂措施。这些措施不是孤立的，而是相互联系，相互制约的，必须结合实际，全面考虑合理采用，才能收到良好的效果。
        参考文献：
        [1]李高峰，刘小兵，赵银超，贺磊.龙滩水电站大坝碾压混凝土温控防裂措施[J].四川水力发电（6）：225-229.
        [2]蔡为武.碾压混凝土坝温控防裂探讨[J].水利水电科技进展，2000.
        [3]罗纬邦，刘涛，夏世法.喀腊塑克碾压混凝土坝温度控制标准优化调整[C]// 大坝技术及长效性能研究进展.2011.