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。數值分析結果表明，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行保溫，能夠顯著降低面板混凝土的早期開裂風險; 在此施工環境下，不建議對面板混凝土進行配筋，同時還應盡量減少與墊層的約束，在混凝土養護期間應嚴格執行保溫、保濕措施，直至水庫蓄水。

　　[關鍵詞] 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

　　重慶市云陽縣青杉水庫工程是一座以農業灌溉、場鎮和農村供水為主，兼有發電等綜合效益的中型水利工程，設計灌溉面積3 057. 333 hm2，總庫容1 084 ×104 m3，正常蓄水位 746. 00 m，為混凝土面板堆石壩，壩頂長度 137 m，最大壩高63 m。面板混凝土設計強度等級 C25，抗滲等級 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%。

　　2 計算參數與模型

　　2. 1 氣象、水文、地質數據

　　1) 氣象。庫區多年平均降雨量1 350 mm，多年 平 均 蒸 發 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℃，多年平均風速 1. 5 m /s，多年平均最大風速 9. 9 m /s，平均相對濕度 74% 。

　　2) 水文。庫區壩址以上流域面積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。水庫校核洪水位 747. 55 m( 校核工況 P = 0. 1% ) ，對應洪峰流量為 786 m3 /s，對應庫容1 084 × 104 m3，設計洪水位 746 m( 設計工況P = 2% ) ，對應洪峰流量為 510 m3 /s，對應庫容997 × 104 m3，正常蓄水位 746 m，死水位 714 m，消能防沖設計洪水重現期 30 年，相應洪峰流量462 m3 /s。

　　3) 地質。庫區壩址處主要以微風化巖屑石英、弱風化砂巖夾粉砂巖、膠結結構面、無充填結構面、充填結構面等巖體為主。

　　2. 2 材料參數面板混凝土設計

　　標號為 C25W10F100，容重為2 400 kg /m3，比熱值為0. 9 kJ/( kg·℃) ，導溫系數為3. 8 ×10 -3 m2 /h，導熱系數為 8. 66 kJ/( m·h·℃) ，線膨 脹 系 數 為 8. 4 × 10 - 6 /℃，泊 松 比 取 值 為0. 16，絕熱溫升表達式為 θ = 37( 1 - e - 0. 4τ0. 9) ，彈模與齡期的關系式為 E = 36. 8( 1 - e - 0. 32τ0. 9) ，混凝土的濕度擴散系數取值為 5 × 10 - 6 m2 /h，表面濕度交換系數取值為 2 × 10 - 4 m /h，收縮系數取值為 2 × 10 - 4，試驗得到的面板混凝土自生體積變形規律。

　　2. 3 有限元模型

　　根據青杉水庫堆石壩面板混凝土結構設計情況，模型考慮了大壩基巖、堆石結構、墊層以及面板混凝土等結構，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，面板與墊層之間設置無厚度的縫單元; 沿河流下游方向為 X 正方向，沿壩體左岸為Y 正方向，沿大壩軸線垂直方向為 Z 正方向; 有限元模型采用 8 節點 6 面體單元，將模型劃分為包括127 344個單元、141 947個節點的網絡模型。

　　3 施工防裂措施比選

　　3. 1 施工防裂措施方案設計

　　面板混凝土開裂一般是由溫度變形、干縮變形、材料性質、墊層約束等內外因素共同決定的，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力[2 - 3]。通過對眾多面板混凝土工程施工總結: 保溫效果越好時，面板混凝土的早齡期開裂風險會顯著降低，面板混凝土中摻入密集鋼筋，會明顯加大結構的剛度，從而導致結構在相同溫度下承受的結構應力增大，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、線性膨脹系數以及絕熱溫升均采用 2. 2 小節混凝土試驗值。

　　3. 2 模擬結果

　　根據計算可知，在施工階段，面板混凝土開裂危險點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作為模擬分析點。在 3 種施工方案情況下，面板混凝土壩坡向的應力值相差不大，具體排序為方案一 > 方案三 > 方案二。隨著混凝土齡期的增長，混凝土壩坡向的應力在前 10d 呈負數，表明此時混凝土還承受壓應力; 齡期超過 10 d后，混凝土內部水化熱持續釋放，造成內外部溫度差增大，混凝土開始受拉，且隨著齡期增長，應力不斷增大，并在 30 d 左右達到穩定值。從整體上看，3 種施工方案的應力值均遠小于允許抗拉強度值，即使疊加日寒潮和配筋以及澆筑溫度升高至 10℃帶來的應力增量，面板混凝土的安全系數仍能大于 1. 8，能夠較好地避免早期裂縫的產生。3 種施工方案下的壩軸向應力變化走勢有所區別。

　　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力，但在前10 d 的增量比較小，僅為 0. 15 MPa，10 ～ 30 d 是拉應力增長較快的時間段，齡期達到 60 d 后，混凝土的應力達到 1. 15 MPa; 方案二和方案三的壩軸向應力在前 10 d 基本呈負數，此時混凝土受壓應力，10 ～ 14 d 后，混凝土壩軸向應力由壓應力變為拉應力，但拉應力的增長幅度非常小，均小于 0. 2 MPa，此后拉應力基本呈穩定狀態，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力均小于允許抗拉強度，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，在混凝土養護期間應嚴格執行保溫保濕措施，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，可達到最佳的抑制面板混凝土施工期開裂的效果。

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　　4 結 語

　　基于有限元數值模擬，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。結果表明，當采用一次澆筑方式時，混凝土的澆筑溫度宜控制在 10℃以下，在澆筑時應采用摻入微膨脹劑 + 厚 8 cm 聚苯乙烯泡沫塑料保溫板進行保溫，不建議面板混凝土配筋; 同時還應該盡量減少與墊層的約束，可以達到最佳的抑制面板混凝土施工期開裂的效果。

　　[參考文獻]

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　　作者：張松斌

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