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        某水電站碾壓混凝土壩裂縫成因分析

        2010-07-03 10:23:54江志紅
        大壩與安全 2010年1期
        關(guān)鍵詞:重力壩拱壩溫度計

        江志紅

        (1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.中水顧問集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院,貴州貴陽550002)

        1 工程概況

        某水電站位于清水河中游、支流獨木河河口2.5 km的河段,是一座以發(fā)電為主、兼顧防洪及其它效益的綜合水利水電樞紐。水庫正常蓄水位868.00m,死水位 845.00m,調(diào)節(jié)庫容為 1.355 億 m3,多年平均徑流量為24.1億m3,具有季調(diào)節(jié)能力。電站裝機(jī)容量180MW,多年平均發(fā)電量7.23億kW·h。

        攔河大壩為拋物線雙曲拱壩+左岸重力壩。雙曲拱壩壩頂高程873.00 m, 壩底高程738.50 m,最大壩高 134.50 m。 壩頂寬 7.00 m,壩底厚 25.0 m,厚高比0.186。壩頂軸線弧長198.43 m,最大中心角81.528 9°,最小中心角 59.440 4°,壩體呈不對稱布置,中心線方位角 N2.50°E。重力壩頂部高程873.00 m,底部高程 800.00 m,上游面鉛直,下游坡比 1∶0.8,頂部寬 20.0 m,底寬 78.40 m。 重力壩頂長89.13 m,大壩壩軸線總長287.56 m。壩體大體積混凝土為C20三級配碾壓混凝土,壩體上游面采用二級配碾壓混凝土自身防滲。

        2 壩體溫度和結(jié)構(gòu)縫監(jiān)測系統(tǒng)布置

        2.1 大壩溫度監(jiān)測

        溫度監(jiān)測包括大壩表面溫度、庫水溫度、壩體內(nèi)部混凝土溫度及壩基基礎(chǔ)溫度等。分別在距壩體上下表面5~10cm處埋設(shè)溫度計測量壩體表面溫度,壩體上游表面溫度計在蓄水后作為庫水溫度計;壩體內(nèi)部混凝土溫度監(jiān)測采用網(wǎng)格布置,應(yīng)變計、測縫計均可兼作溫度觀測;基巖溫度監(jiān)測采用在基礎(chǔ)面鉆孔分段埋設(shè)溫度計的方法,監(jiān)測大壩基礎(chǔ)溫度分布。

        選取拱冠梁、左岸重力壩壩段中間部位斷面作為溫度觀測斷面。為了更好地測量溫度場,在830 m觀測拱高程的適當(dāng)位置埋設(shè)溫度計。

        表面溫度觀測:在拱冠梁斷面744 m、760 m、780 m、800 m、830 m、836 m、840 m、858 m、871 m(上、下游)高程,在重力壩830 m、845 m、860 m、870 m(上、下游)高程及830 m高程觀測拱的兩個誘導(dǎo)縫附近,分別布置溫度計觀測表面溫度,其位置控制在距表面5~10 cm。

        庫水溫度觀測:在庫水位上部,由于受水位變化和日照影響,庫水溫度變化較大;水庫底部受來水泥沙、異重流等影響,溫度變化較水庫中部大。儀器布設(shè)時,也應(yīng)考慮監(jiān)測壩體溫度場的邊界溫度分布規(guī)律。水庫的死水位為845 m,正常水位868 m,在拱冠梁斷面 744 m、760 m、780 m、800 m、830 m、836 m、840 m、850 m、858 m、、866 m 高程, 重力壩801 m、830 m、845 m、860 m 高程及 830 m 觀測拱的兩個誘導(dǎo)縫附近。溫度計位置控制在距壩上游面5~10 cm內(nèi)。

        壩體混凝土溫度監(jiān)測:在兩個溫度觀測斷面及830 m觀測截面壩體中心布置溫度計,觀測壩體內(nèi)部混凝土溫度。

        基礎(chǔ)溫度觀測:在拱冠梁基礎(chǔ)帷幕后布置一套溫度計。溫度計采取鉆孔埋設(shè),孔深10 m,孔內(nèi)埋設(shè)5支溫度計,以觀測基巖在混凝土水化熱溫升時對基礎(chǔ)的溫度傳遞和基礎(chǔ)不同深度下的溫度分布,同時可根據(jù)溫度分布了解壩基滲流情況。5支溫度計距孔口距離分別為:0.0m、1.0m、3.0m、5.0m 和 10 m。

        2.2 壩體結(jié)構(gòu)縫、裂縫監(jiān)測

        壩體結(jié)構(gòu)縫觀測即為壩體的誘導(dǎo)縫及碾壓混凝土和墊層混凝土結(jié)合縫開合度變化觀測,用測縫計觀測。測縫計布置在775 m、805 m、830 m和858 m高程,同時分別在兩個誘導(dǎo)縫的末端部位埋設(shè)測縫計。各個高程儀器均埋設(shè)在上游和下游表面,距表面距離為 2.0 m。

        大壩混凝土填筑施工過程中,壩體755m、810 m、846 m及872 m高程碾壓混凝土壩面先后出現(xiàn)貫穿上下游的裂縫。為監(jiān)控壩體裂縫的變化情況,在裂縫上布設(shè)測縫計,為后續(xù)處理提供科學(xué)的依據(jù)。

        3 澆筑過程及水管冷卻

        3.1 澆筑過程

        從2005年4月中旬開始拱壩基礎(chǔ)墊層混凝土的澆筑,4月下旬開始拱壩碾壓混凝土施工,汛前碾壓至755 m高程。汛后11月初,壩體繼續(xù)上升,2006年元月中旬至中孔803.50 m高程,間歇1個月后分別澆筑右岸、左岸及中孔附近混凝土至814.5 m高程,之后壩體繼續(xù)上升。2006年6月,拱壩施工至846 m高程。2006年7月開始,先澆筑表孔右岸混凝土至壩頂高程,間歇一個月后再澆筑表孔左岸壩塊至頂,2007年5月完成表孔常態(tài)混凝土澆筑。

        重力壩于2005年9月底開始碾壓,2006年2月碾壓至837.5 m高程,間歇約一個半月后,2006年3月底,重力壩壩體繼續(xù)上升,于2006年6月碾壓至846 m高程。2006年8月,重力壩混凝土繼續(xù)上升,9月底澆筑完畢。

        3.2 水管冷卻

        壩內(nèi)埋設(shè)的冷卻水管以蛇形按1.5 m (水管垂直間距)×1.5 m(水管水平間距)布置。為防止振搗變態(tài)混凝土?xí)r振搗棒把PVC管壓扁或壓破,埋設(shè)時水管距上下游壩面各1.5m,水管距接縫面、壩內(nèi)孔洞周邊1.5m。采用8圓鋼制作的U型卡將冷卻水管固定在碾壓混凝土面上,冷卻水管單根回路250m左右。冷卻水管材料采用高強(qiáng)度聚乙烯,管外徑φ32 mm,內(nèi)徑為 φ28mm,單個回路通水量20~25 L/min。

        各部位混凝土冷卻目標(biāo)溫度見表1。溫度荷載是拱壩的一項主要荷載,封拱溫度場的優(yōu)化是減小拱壩溫度荷載不利影響的最有力措施,一般情況下取封拱溫度場等于或略低于年平均溫度場。后期冷卻的目的是要在封拱灌漿時形成一個與穩(wěn)定溫度場梯度方向一致且大小相近的封拱溫度場,這樣有利于使壩體運(yùn)行期溫升、溫降荷載大小相近,從而減小壩體應(yīng)力或減少冷卻費用。冷卻目標(biāo)溫度即為計算確定的、形成該穩(wěn)定溫度場混凝土所需降至的溫度。

        4 裂縫成因分析

        4.1 裂縫調(diào)查

        2007年3月,先后對拱壩及重力壩混凝土澆筑后出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計,結(jié)果見表2。

        4.2 裂縫成因分析

        4.2.1 混凝土外摻物

        實驗證明本工程混凝土配合比合理,水泥安定性滿足規(guī)范要求,水化熱在正常范圍內(nèi)?;炷林袚饺胍欢糠勖夯铱善鸬浇档退嗨療帷⒐?jié)約水泥用量的作用。水泥熟料中少量的MgO在混凝土硬化后期緩慢水化,產(chǎn)生微膨脹作用,可以補(bǔ)償混凝土后期降溫階段的體積收縮而并不破壞混凝土結(jié)構(gòu),起到減少或避免混凝土裂縫的作用。水泥質(zhì)量與配合比設(shè)計不是壩體產(chǎn)生裂縫的原因。

        4.2.2 混凝土內(nèi)外溫差

        混凝土硬化期間,水泥產(chǎn)生大量水化熱,內(nèi)部溫度不斷上升,在混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。后期降溫過程中,由于受到基礎(chǔ)或老混凝土的約束,又會在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力,當(dāng)這些拉應(yīng)力超出混凝土抗裂能力時,即出現(xiàn)裂縫。

        從混凝土澆筑時段、通水時段及同期溫度計測值來看:拱壩755 m高程以下混凝土澆筑過程未通冷卻水。 755.9~768.2 m 高程 2005 年 11 月中旬才開始通水冷卻,要求目標(biāo)冷卻溫度為12℃,而同期該部位混凝土的內(nèi)部溫度實際最高達(dá) 35.80℃(2005年11月24日,760 m高程),當(dāng)時氣溫卻只有7.9℃。 可以認(rèn)為混凝土外部溫度為7.9℃,內(nèi)部溫度為35.80℃。由于未及時對內(nèi)部混凝土進(jìn)行溫度削峰和對外部混凝土加強(qiáng)保溫措施,如此大的內(nèi)外溫差必然導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。

        表1 拱壩及重力壩通水時段情況表Table 1 :Concrete cooling time of the arch dam and gravity dam

        4.2.3 間歇期過長

        汛前,拱壩混凝土澆筑至755 m高程停倉度汛(2005年5月中旬停倉),汛后11月初恢復(fù)澆筑,期間間歇時間達(dá)5個月之久。對于新澆混凝土來講,老混凝土壩面是一個強(qiáng)約束面,相當(dāng)于新混凝土一直在強(qiáng)約束區(qū)施工。當(dāng)新混凝土收縮時,會在下游壩面引起拉應(yīng)力,另外周期性變化的氣溫也會在某些時期引起較大拉應(yīng)力。新混凝土整體收縮和老壩混凝土溫度變化引起的拉應(yīng)力是間歇期過長帶來的新問題。間歇期過長,基礎(chǔ)老混凝土的約束必然導(dǎo)致混凝土裂縫的產(chǎn)生。

        4.2.4 養(yǎng)護(hù)及保溫

        充分養(yǎng)護(hù)是保證混凝土強(qiáng)度等性能正常發(fā)展和防止干縮裂縫的重要措施,混凝土澆筑完畢后,應(yīng)及時灑水養(yǎng)護(hù)以保持混凝土表面經(jīng)常濕潤,一般澆筑完畢后12~18h內(nèi)即開始養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)期不少于14d。

        值得注意的是養(yǎng)護(hù)同時,混凝土表面沒有進(jìn)行保溫覆蓋?;炷翝仓螅不^程中,水泥水化產(chǎn)生大量水化熱,由于混凝土體積較大,大量的水化熱聚集在混凝土內(nèi)部不易散發(fā),導(dǎo)致內(nèi)部溫度急劇上升,而混凝土表面散熱較快,這樣就形成較大的內(nèi)外溫差,造成內(nèi)部與外部熱脹冷縮的程度不同,使混凝土表面產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。實踐證明,當(dāng)混凝土本身溫差達(dá)25℃~26℃時,混凝土內(nèi)便會產(chǎn)生10 MPa左右的拉應(yīng)力,而一般的混凝土抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此值。當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時,混凝土表面就會產(chǎn)生裂縫,這種裂縫多發(fā)生在混凝土施工中后期?;炷潦┕r,溫差變化較大或者混凝土受到寒潮襲擊等,混凝土表面溫度會急劇下降而產(chǎn)生收縮,表面收縮的混凝土受內(nèi)部混凝土的約束,將產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力而導(dǎo)致裂縫。

        2006年11月底至12月初開始澆筑拱壩及重力墩最上部混凝土,此時外部氣溫較低,而內(nèi)部溫度上升較快。拱壩及重力墩上下游面裂縫及872 m高程裂縫均產(chǎn)生在氣溫驟降時段(壩頂高程為873m,澆至872 m高程后停倉,改澆常態(tài)混凝土)。氣溫的變化會使混凝土產(chǎn)生表面溫度應(yīng)力,如果新澆筑壩面保溫措施不及時,完全可能產(chǎn)生早期裂縫。筆者認(rèn)為這是產(chǎn)生混凝土表面裂縫的主要原因。

        表2 裂縫情況統(tǒng)計表Table 2 :Statistics of cracks

        4.2.5 早期拆模

        混凝土摻粉煤灰影響早期強(qiáng)度,其早期強(qiáng)度增長緩慢,致使早期抗拉強(qiáng)度偏小?;5氖┕ぬ攸c是變相的拆模過早,新澆筑混凝土早期拆模會在表面引起很大的拉應(yīng)力,出現(xiàn)“溫度沖擊”現(xiàn)象。混凝土澆筑初期,由于水化熱的散發(fā),表面存在相當(dāng)大的拉應(yīng)力,表面溫度比氣溫高,此時拆除模板,混凝土脫模后還沒有完全硬化,過早暴露在空氣中,表面溫度驟降,必然引起溫度梯度,從而在表面附加一拉應(yīng)力,與水化熱應(yīng)力迭加,再加上混凝土干縮,表面的拉應(yīng)力很大,就有導(dǎo)致裂縫的危險。但如果拆模后及時在表面覆蓋一輕型保溫材料,可防止混凝土表面產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力,效果顯著。

        5 結(jié) 語

        通過以上幾點原因分析,認(rèn)為本工程混凝土裂縫的原因主要有以下四點,一是混凝土內(nèi)外溫差過大,未及時通冷卻水;二是部分壩塊混凝土澆筑間歇期過長;三是養(yǎng)護(hù)及保溫措施不及時;四是滑模拆除時間不當(dāng)。

        [1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].中國電力出版社,1998.

        [2]李珍照.大壩安全監(jiān)測[M].中國電力出版社,1997.

        [3]張仲卿.碾壓混凝土拱壩[M].中國水利水電出版社,2001.

        [4]王德厚.大壩安全監(jiān)測與監(jiān)控[M].中國水利水電出版社,2004.

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