(25)溫度裂縫及其防治

1、7/7嚴(yán)寒地區(qū)碾壓混凝土重力壩的溫度裂縫及其防治作者：馬富強(qiáng)、梁翻娟（中國水利水電第三工程局有限公司）【摘要】在嚴(yán)寒地區(qū)采用碾壓混凝土筑壩面臨著嚴(yán)寒的氣候條件和長間歇通倉澆筑的特點(diǎn)。如何防止或減少壩體的溫度裂縫是在嚴(yán)寒地區(qū)修建碾壓混凝土重力壩面臨的嚴(yán)峻課題，也是近年壩工界關(guān)注、研究的新課題。通過總結(jié)已成工程經(jīng)驗(yàn)和理論研究成果，結(jié)合白石壩采取的一套完整有效的溫控、防裂措施,在分析了幾種具有代表性的溫度裂縫的成因的基礎(chǔ)上,提出了相應(yīng)的防裂措施?！娟P(guān)鍵詞】 碾壓混凝土重力; 溫度裂縫;防裂措施；嚴(yán)寒地區(qū); 白石壩一、引 言在觀音閣RD碾壓混凝土重力壩建設(shè)期間，烏克蘭水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院在193年觀

2、音閣大壩溫度應(yīng)力計(jì)算研究最終報(bào)告中首次揭示：上、下游越冬層面附近垂直拉應(yīng)力y遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過施工縫的抗拉強(qiáng)度，將導(dǎo)致上、下游水平施工縫開裂；垂直拉應(yīng)力范圍深達(dá)68m。1994年，中國水利水電科學(xué)研究院對(duì)觀音閣壩進(jìn)行了全過程仿真計(jì)算。同年，鄒廣歧等人撰文1，對(duì)觀音閣壩越冬面水平施工縫開裂原因進(jìn)行了分析，并對(duì)越冬層面附近碾壓混凝土層間強(qiáng)度進(jìn)行了論證.19598年大連理工大學(xué)2結(jié)合白石碾壓混凝土重力壩的設(shè)計(jì)和施工，分三個(gè)階段論證了設(shè)置人工預(yù)留縫的必要性和可行性。198年,朱伯芳等人3首次指出，通倉澆筑的常態(tài)混凝土重力壩、碾壓混凝土重力壩劈頭裂縫和底孔超冷會(huì)產(chǎn)生環(huán)形裂縫問題。上述研究基本揭示了嚴(yán)寒地區(qū)碾壓混凝

3、土重力壩各種溫度裂縫的機(jī)理、特點(diǎn)和規(guī)律。二、溫度裂縫工程經(jīng)驗(yàn)和理論研究都表明,嚴(yán)寒地區(qū)碾壓混凝土重力壩具有代表性的溫度裂縫主要包括： 上、下游壩面的劈頭裂縫； 強(qiáng)約束區(qū)長間歇頂面（包括越冬面）的縱向裂縫; 永久底孔、導(dǎo)流底孔四周的環(huán)形裂縫； 溢流壩反弧段的縱向裂縫； 越冬層面附近上、下游側(cè)水平施工縫開裂。在上述五種裂縫中,上、下游壩面的劈頭裂縫屬于橫縫.這種裂縫的危害在于，既破壞了壩體的整體性，又破壞了壩體的防滲性.第、三種裂縫通屬縱縫,其中底孔環(huán)形裂縫和反弧段裂縫位于高速水流過水?dāng)嗝嫔?很可能發(fā)展成深層或貫穿性裂縫,危害嚴(yán)重。第種屬于水平縫，其上、下游側(cè)可分別沿著壩軸線方向貫穿于整個(gè)越冬層面

4、，破壞壩體的防滲結(jié)構(gòu)，影響壩體的整體穩(wěn)定性。三、劈頭裂縫位于日本本州島北部秋田縣的玉川壩，壩高100m，87年建成。該壩的上、下游壩面產(chǎn)生了程度不同的垂直向劈頭裂縫。位于遼南碧流河上在建的玉石壩，壩高50。2m，其中的 6溢流壩段長24m，該壩段19.00m高程以下的上、下游壩面產(chǎn)生了垂直向的劈頭裂縫。169m高程以上則在溢流壩段中間設(shè)置橫縫，將一個(gè)壩段劃分成兩個(gè)壩段.碾壓混凝土重力壩產(chǎn)生劈頭裂縫主要與橫縫間距設(shè)置不當(dāng)和采用通倉澆筑方式密切相關(guān)。具體原因有： 水泥水化，促進(jìn)壩體溫度上升，而短間歇連續(xù)升程的通倉澆筑致使壩體溫度升高，散熱緩慢； 寒冷乃至嚴(yán)寒地區(qū)的冬季，氣溫低，持續(xù)時(shí)間長,壩體表面

5、溫度大幅度下降，內(nèi)外溫差在混凝土表層形成高溫度梯度區(qū),導(dǎo)致內(nèi)部對(duì)外部的強(qiáng)烈約束；壩段橫縫間距大，基礎(chǔ)或老混凝土將對(duì)其上部的壩體混凝土產(chǎn)生強(qiáng)烈約束。也就是說，在內(nèi)外溫差、基礎(chǔ)及內(nèi)部強(qiáng)烈約束下，壩體表面將產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，以致超過處在強(qiáng)度增長期混凝土的抗裂能力,導(dǎo)致垂直向劈頭裂縫的發(fā)生。防止劈頭裂縫的關(guān)鍵是：縮短橫縫間距，當(dāng)壩體溫度降至穩(wěn)定溫度時(shí),沿壩軸線方向的溫度應(yīng)力不足以產(chǎn)生橫向裂縫; 適當(dāng)加強(qiáng)壩面保溫,這在上游壩面和頂面不難做到，下游壩面則囿于施工和礙于觀瞻,只能做好當(dāng)年澆筑混凝土的冬季保溫； 適當(dāng)放寬壩基開挖標(biāo)準(zhǔn),降低基礎(chǔ)約束程度,但必須做好壩體、壩基的整體設(shè)計(jì)。四、基礎(chǔ)混凝土縱向裂縫碾

6、壓混凝土筑壩一般均需澆筑1.52。0m厚的基礎(chǔ)墊層混凝土。其作用是： 使其與巖基結(jié)合良好,提供足夠的抗剪斷指標(biāo)； 防滲、抗融蝕以確保其耐久性； 作為壩基固結(jié)灌漿和帷幕灌漿的混凝土蓋板； 填塘找平，作為碾壓混凝土的基礎(chǔ)。工程經(jīng)驗(yàn)表明:凡在入冬前澆筑的基礎(chǔ)墊層混凝土，不論保溫做得多好,甚至采取蓄水保溫,基礎(chǔ)墊層混凝土仍然會(huì)產(chǎn)生程度不同的裂縫。如果橫縫設(shè)置得當(dāng)，這些裂縫基本上為縱向裂縫.而在春季澆筑的基礎(chǔ)墊層混凝土則基本不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生裂縫4。研究表明，如果墊層在低溫季節(jié)澆筑，澆筑后氣溫逐漸上升,由水化熱溫升與氣溫升高引起的表面應(yīng)力始終為壓應(yīng)力；如果墊層澆筑后氣溫逐漸下降,若無表面保溫，溫度裂縫幾乎

7、不可避免。因此，就避免或減少基礎(chǔ)混凝土裂縫而言，在嚴(yán)寒地區(qū)筑壩,最好將基礎(chǔ)混凝土澆筑安排在春季進(jìn)行。五、底孔環(huán)形裂縫嚴(yán)寒地區(qū)碾壓混凝土重力壩的永久底孔和導(dǎo)流底孔一般高程較低，處在強(qiáng)約束區(qū)內(nèi)。嚴(yán)冬季節(jié)，壩體極易產(chǎn)生縱向裂縫；隨著裂縫的發(fā)展，貫穿底孔，便形成了環(huán)形裂縫.觀音閣壩的兩個(gè)永久底孔產(chǎn)生了條環(huán)形裂縫；3個(gè)導(dǎo)流底孔產(chǎn)生了12條環(huán)形裂縫。底孔周邊為鋼筋混凝土，承受高速水流作用。底孔內(nèi)環(huán)形裂縫的修補(bǔ)處理難度大、費(fèi)用高,且系活縫，修補(bǔ)處理后還會(huì)再開裂。底孔處在強(qiáng)約束區(qū)內(nèi)，長達(dá)506有余。采用通倉澆筑的常態(tài)混凝土，不設(shè)縱縫,基礎(chǔ)約束強(qiáng)烈，范圍大。底孔系與外界連通的臨空面。在長達(dá)5個(gè)多月的嚴(yán)寒季節(jié)，由

8、于超冷而引起很高的溫度應(yīng)力4.這是嚴(yán)寒地區(qū)碾壓混凝土重力底孔產(chǎn)生環(huán)形裂縫的根本原因.白石壩為了防止或減少底孔的環(huán)形裂縫，采取了以下一些措施:在底孔壩段的基礎(chǔ)混凝土澆筑中，預(yù)留寬槽,翌春澆筑微膨脹混凝土; 在底孔出口與邊墻交界處設(shè)置縱縫，將底板長度從5。66m縮至359,降低基礎(chǔ)約束; 底孔周邊采用硅粉混凝土或高強(qiáng)混凝土，大體積內(nèi)部則采用滿足強(qiáng)度要求的低標(biāo)號(hào)混凝土,減少水泥用量,并在施工期間嚴(yán)格進(jìn)行養(yǎng)生； 冬季停工期封堵進(jìn)出口和閘門井，并對(duì)壩面加強(qiáng)越冬保溫。這些措施收到了良好的效果.六、溢流壩反弧段縱向裂縫混凝土重力壩中的溢流壩段，由于體形本身的要求，其壩底寬往往最寬；而在嚴(yán)寒地區(qū)采用碾壓混凝土

9、筑壩和挑流消能的溢流壩中，最嚴(yán)重的裂縫是沿著反弧段上游側(cè)法向產(chǎn)生的縱向裂縫。它使一個(gè)完整的壩體開裂成兩部分。對(duì)于白石這座中等高度的壩，通過有限元全過程仿真計(jì)算進(jìn)行的理論研究表明，由于基礎(chǔ)的強(qiáng)烈約束和很高的內(nèi)外溫差，盡管采取比較嚴(yán)格的越冬保溫措施，仍然會(huì)在溢流堰面反弧段偏向上游側(cè)的表面產(chǎn)生6MPa以上的最大主拉應(yīng)力2。此值已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過堰面高強(qiáng)混凝土的抗裂能力，從而導(dǎo)致沿著最薄弱部位反弧表面的法向產(chǎn)生貫穿性的縱向裂縫.為了防止這種裂縫的產(chǎn)生，除了采取將基礎(chǔ)墊層設(shè)置縱縫、降低混凝土澆筑溫度、加強(qiáng)越冬保溫等措施之外,可在堰面反弧段上游側(cè)最大主拉應(yīng)力部位設(shè)置表面縱向預(yù)留縫,避免無措施部位的開裂和進(jìn)行昂貴的

10、處理；預(yù)留縫的下端,在碾壓混凝土頂面上的常態(tài)混凝土內(nèi)布設(shè)水平限裂筋,上端設(shè)置止水，與壩段橫縫止水相連。設(shè)置預(yù)留縫的前提是確保其自身及壩體的穩(wěn)定性、防滲性及抗沖耐磨性.七、越冬層面水平施工縫開裂早在觀音閣之前，于197年建成的日本玉川碾壓混凝土重力壩曾經(jīng)連續(xù)幾年發(fā)生了越冬層面水平施工縫的開裂。觀音閣壩重蹈覆轍，引起了國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注。如何防止越冬層面附近上、下游面水平施工縫的開裂是在嚴(yán)寒（包括寒冷）地區(qū)修建碾壓混凝土重力壩面臨的嚴(yán)峻課題,也是近年逐漸引起壩工界關(guān)注研究的新課題。在白石水庫工程建設(shè)中，防止越冬層面水平施工縫的開裂的理論研究和工程實(shí)踐取得了突破性的進(jìn)展.理論研究1，2和工程實(shí)踐都

11、表明，嚴(yán)寒地區(qū)中、高碾壓混凝土重力壩越冬層面水平施工縫的開裂難以避免。開裂的主要原因是： 冬季停澆期長達(dá)5個(gè)月,致使上下層溫差大; 冬季氣溫低，壩體內(nèi)外溫差大； 采用通倉澆筑,不進(jìn)行二期冷卻，壩體溫度高,內(nèi)部約束強(qiáng)； 越冬面層間強(qiáng)度低于混凝土本體強(qiáng)度。防止越冬層面水平施工縫開裂的措施，除了采取溫度控制措施、加強(qiáng)冬季保溫外，可在越冬層面附近的上、下游側(cè)預(yù)設(shè)誘導(dǎo)縫，以期達(dá)到應(yīng)力釋放和重分布、嚴(yán)格防止上游壩面無措施水平施工縫開裂的目的。白石壩采取的預(yù)設(shè)誘導(dǎo)縫措施達(dá)到了預(yù)期的目的。八、結(jié) 語嚴(yán)寒地區(qū)采用碾壓混凝土筑壩,必須高度重視嚴(yán)寒的氣候條件和間歇式通倉澆筑的特點(diǎn).這與溫暖地區(qū)或常規(guī)混凝土筑壩迥然不

12、同,使得壩體溫度應(yīng)力問題尤為突出。在嚴(yán)寒地區(qū)修筑中、高碾壓混凝土重力壩,均應(yīng)在設(shè)計(jì)階段通過全過程仿真計(jì)算進(jìn)行深入的溫度應(yīng)力和防裂措施的研究，采取行之有效的溫度控制和防裂措施.在采取適當(dāng)?shù)臏乜?、防裂措施仍不能滿足抗裂要求的情況下，可以采取諸如設(shè)置縱縫、預(yù)設(shè)誘導(dǎo)縫等結(jié)構(gòu)措施，避免在無措施部位開裂。其前提條件是確保自身及壩體整體的穩(wěn)定性和防滲性.在總結(jié)已成工程經(jīng)驗(yàn)和理論研究成果的基礎(chǔ)上，白石壩采取了一套完整有效的溫控與防裂措施,可供嚴(yán)寒地區(qū)碾壓混凝土筑壩參考借鑒.參考文獻(xiàn) 鄒廣歧，李貴智，王成山，杜志達(dá).觀音閣水庫混凝土大壩越冬面水平施工縫的開裂原因及處理措施J。水利水電技術(shù)，1955,（8）。2 王成山，劉永林