韓緒博 王兆剛

溢洪道混凝土的溫控防裂方案研究

韓緒博1，2王兆剛3

(1.華北水利水電大學 河南鄭州 450011；2.水利部建設管理與質量安全中心 北京 100038；3.北京市平谷區(qū)水務局 北京 101200)

由于水工建筑物溢洪道要承受高速和大流量的水沖刷，其對混凝土施工質量要求嚴格，防止裂縫的產生是工程建設者面臨的一大難題。本文從溢洪道混凝土的材料特性和結構特點闡述了其裂縫機理，從材料方面和施工措施方面提出了防止裂縫的措施，并以某實際溢洪道為例，采用三維有限單元法，研究了改善應力狀態(tài)、防止裂縫產生的混凝土溫控防裂方案，指導工程施工。該方法對同類型工程的施工具有一定的參考意義。

溢洪道 裂縫機理 溫控防裂 表面保溫 有限單元法

1 前言

溢洪道的工作特點是要承受高流速和大流量的水流，其混凝土也往往采用抗沖耐磨混凝土，這種類型混凝土具有水泥用量大，絕熱溫升高等特點。溢洪道結構特點具有厚度較小、順河向分縫長度較長、基礎約束強等特性。這些特點決定了在我國現有溫控技術條件下[8-11]，溢洪道施工期的溫度控制就成為工程質量保證的關鍵。本文以三維有限單元法計算程序對某大型溢洪道分析了不同溫控措施組合條件下的溫控防裂效果，篩選出適合該工程的溫控防裂措施，指導工程施工。該方法和措施對類似工程具有重要參考意義。

2 溢洪道混凝土裂縫成因和機理

2.1材料方面

溢洪道特殊的功能特點決定了它常采用高性能混凝土，它的強度和抗沖耐磨性能得到了建設者的喜歡。但是高性能混凝土具有水灰比小、水泥用量多、水化熱量大、混凝土絕熱溫升高且集中在早期釋放等熱學特性；也具有彈性模量大、強度早強和自生體積變形大等力學特性，這些特性使其開裂現象更難控制，裂縫出現也更為普遍、更加防不勝防。

2.2結構方面

不同于大壩大體積混凝土結構，溢洪道結構單薄，厚度小基本是1～2m厚；與渡槽結構不同，溢洪道結構簡單，沒有底板和側墻、邊墻和底板、主梁和底板等結構部位之間的相互變形約束。但是不同于大壩和渡槽等結構，溢洪道順河向分縫長度較長，整個結構都處于強約束區(qū)，受地基約束非常明顯，很容易產生裂縫，且一旦出現裂縫，都將是貫穿性裂縫，嚴重影響結構的耐久性和安全性。

總之，溢洪道的材料特點和結構特點決定了其對于裂縫更為敏感，防裂的要求更為嚴格，防裂難度也更大，施工中最大限度的控制危害裂縫出現對未來工程安全具有極其重要的意義。

3 溢洪道混凝土的溫控防裂措施

3.1優(yōu)化混凝土材料

根據表1中的實驗數據得到以下結論：1)對比A和C或對比B和D發(fā)現，在一定條件下增加空氣層可以減小結構層的侵徹深度，但這會引起結構成坑直徑的顯著加劇，這和文獻[20]的數值計算結果是定性吻合的。2)對比A和B發(fā)現，當靶體含空氣隔層時，若將砂漿層從混凝土頂部轉移至花崗巖頂部，則混凝土層侵徹深度hc減小50%以上。3)對比C和D發(fā)現，不設空氣隔層時，將砂漿層從混凝土頂部轉移至花崗巖頂部可使混凝土層侵徹深度hc減小16.5%。4)從減小混凝土層侵徹深度hc的角度看，方案B(增加空氣層并將砂漿層置于整個結構最上方)是最有利的，但從減小橫向破壞區(qū)域來看，方案B卻是最不利的。

材料優(yōu)化是從工程材料性能上予以改進，主要包括控制混凝土的絕熱溫升、提高抗拉強度、減小熱膨脹系數和摻入混凝土摻合料等特性。

控制絕熱溫升是混凝土溫控防裂的重要措施，可以合理選擇水泥、控制水泥質量，在滿足混凝土的各項主要技術性能指標要求的前提下達到降低混凝土的最終絕熱溫升的目的；混凝土中摻入纖維材料可有效提高混凝土強度、降低彈性模量、增強混凝土的韌性和抗裂性能；減小混凝土熱膨脹系數，可以很好地降低混凝土的變形，降低周圍環(huán)境對混凝土結構的約束效應，減小收縮應力；摻入礦物摻合料可以有效改善混凝土特性，增強混凝土抗裂性能，比如粉煤灰可以有效降低混凝土絕熱溫升，氧化鎂可以使混凝土產生微膨脹性，抵消部分混凝土的收縮變形。

3.2施工措施改進

施工措施改進可以人為改善混凝土應力狀態(tài)，釋放或者降低結構內的應力，防止裂縫產生。一般來講，可以通過混凝土結構的分縫分塊，采用表面保溫、水管降溫或者流水養(yǎng)護能施工措施和手段來實現。

薄板混凝土結構的分縫分塊指通過設計，有計劃的用橫縫和縱縫將結構分割成若干塊，減小基巖的約束應力，但要認真研究分塊的合理大小，在盡量降低結構應力的同時，又能盡量保證結構的完整性；施工期采取表面保溫可以減小內外溫差和基礎溫差，降低周圍環(huán)境氣溫的影響，防止裂縫生成；內部水管降溫可以降低混凝土的內部溫度，減弱熱脹冷縮現象，降低收縮應力。

4 溢洪道施工期溫控防裂方案優(yōu)選

4.1工程概況

某水電站位于云南省普洱市思茅區(qū)和瀾滄縣交界處的瀾滄江下游干流上，是瀾滄江中下游河段八個梯級規(guī)劃的第五級。其開敞式溢洪道布置于壩址左岸，由進水渠段、閘室控制段、泄槽段、挑流鼻坎段及出口消力塘段組成。溢洪道水平總長1445.183m，寬151.5m，溢洪道厚約1m。該溢洪道是目前國內規(guī)模最大、世界第二、泄洪功率世界第一的大型溢洪道。溢洪道采用C18055W8F100二級配高標號混凝土，全年施工，混凝土的溫控防裂任務復雜而艱巨，溢洪道混凝土溫控試驗配合比見表1，溢洪道混凝土熱學和力學參數見表2。

表1 溢洪道混凝土溫控試驗配合比（單位：kg/m3）

表2 溢洪道混凝土熱學和力學參數

4.2計算模型

計算模型為有限元計算模型，模型底面及四周側面設為不傳熱邊界，溢洪道四個側面和頂面設為為第3類傳熱邊界，環(huán)境溫度采用工程所在地的多年平均氣溫，內部水管冷卻算法為等效算法計算[1]；有限元模型底面設為三向約束，地基四周設為法向約束。有限元模型中單元最小厚度取0.01m，最大厚度取0.1m，單元采用六面體等參模型，有限元模型的單元和結點總數分別為41544和46615個，有限元模型見圖1。

圖1 仿真計算網格

4.3溫控防裂方案

該溢洪道混凝土絕熱溫升較高，混凝土內部溫升較大，且全年施工，溫控防裂難度較大，本文以夏季節(jié)施工的溢洪道混凝土為例，溫控措施主要有內部水管降溫、表面保溫和表面流水養(yǎng)護，為了達到最佳溫控效果，以下面表3中方案1、方案2、方案3、方案4，四組組合溫控措施為研究對象，篩選溫控措施。溫控方案具體詳細內容見表3。

表3 溫控方案

4.4計算結果分析

仿真計算結果夏季澆筑不同方案溢洪道最高溫度最大應力摘要見表4，有關圖的情況見圖2～圖5所示。

表4 夏季澆筑不同方案溢洪道最高溫度最大應力摘要

（1）方案1設為沒有任何溫控措施的工況，以了解其溫度和應力變化規(guī)律。從計算結果可以看出，在沒有任何溫控措施下，溢洪道混凝土內部最高溫度可達到41.75℃，由于沒有表面保溫，在齡期9天時溫度降為31.12℃，降幅9.54℃，降溫速度為1.1℃/d。由于是在夏季高溫季節(jié)施工，之后混凝土溫度隨氣溫變化，溫度不斷降低，到來年一月中旬，混凝土溫度降至最低，從最高溫度41.75℃到最低溫度16.62℃，降溫幅度在25℃以上，再加上是處于強約束狀態(tài)的薄壁結構，應力不斷增長，在207天齡期時（即來年1月份）達到最大值，為3.89MPa，超過混凝土容許拉應力，安全系數只有1.15。

（2）方案2在方案1的基礎上采取溫控措施，可以看出，在表面保溫力度20kJ/ m2.h.℃、水溫為13℃、流量2.0m3/h和目標溫度28℃的溫控措施下，混凝土的最高溫度由41.75℃降低為37.19℃。由于保溫的存在，使得混凝土的降溫幅度和降溫速率有所減小。但最大應力依然是在氣溫最低的來年1月份，混凝土最大順水流方向應力都在3.25MPa，安全系數只有1.37左右，應力改善效果仍然有限。

（3）方案3是采用不同的保溫方式，即早期保溫力度為20kJ/m2.h.℃，到氣溫明顯開始降低時（10月份開始）采用5kJ/m2.h.℃的保溫材料，計算結果顯示，效果有一定的改善，混凝土最大應力明顯減小，但是安全系數依然在1.6左右。

圖2 各方案內部和表面溫度過程線（內部）

圖3 各方案內部和表面溫度過程線（表面）

圖4 各方案內部和表面應力過程線（內部）

圖5 各方案內部和表面應力過程線（表面）

（4）方案4是在總結前面計算工況的溫控措施基礎上，早期采用流水養(yǎng)護方式進一步降低最高溫度，到氣溫明顯開始降低時（10月份開始）混凝土表面覆蓋β等于5kJ/m2.h.℃的保溫材料，減小外界氣溫對其的影響。計算結果顯示，由于早期采用的是流水養(yǎng)護方式，最高溫度降低為35.7℃左右，降幅明顯，早期安全系數都在2.0以上，最大應力發(fā)生在來年1月份，但是由于10月份后采用了β等于5kJ/m2.h.℃的保溫材料，使得混凝土溫度波動幅度明顯減小，混凝土最大應力明顯降低，在2.50MPa左右，安全系數基本在1.80左右，混凝土表面的安全系數也在2.50以上。

根據上面多工況多參數的計算結果和分析，推薦夏季澆筑溢洪道抗沖耐磨混凝土的溫控措施：澆筑溫度不超過15℃，混凝土表面早期采用流水養(yǎng)護方式，流水水溫在22℃左右，養(yǎng)護18天；溫度峰值前冷卻水溫控制在13℃以下，峰值過后逐漸減小流量，提高水溫，使溫度峰值后1～5天每天最大降溫速率不超過1℃，5天后每天最大降溫速率不超過0.5℃；混凝土冷至28℃時停止冷卻，靠自然散熱將混凝土冷至穩(wěn)定溫度；10月份開始，已澆溢洪道混凝土表面覆蓋β不大于5kJ/m2.h.℃的保溫材料。

5 結語

（1）溢洪道一般采用高標號抗沖耐磨混凝土，高標號混凝土具有水泥用量大、絕熱溫升高的特點，且一般都具有早期溫升快，強度早強等特性。另外，泄洪道底板薄、順河向分縫長、基礎約束強等特性。這種材料和結構上的特點決定了溢洪道施工期的溫控防裂難度更大。

（2）由于溢洪道結構相對較薄，裂縫一旦產生，很容易發(fā)展成為貫穿性裂縫，結合溢洪道的工作特點，這些裂縫嚴重影響工程的安全性和耐久性。

（3）溢洪道混凝土較大的絕熱溫升容易引起較高的溫度，水管冷卻措施可以帶著內部熱量，同時，溢洪道屬薄壁結構，受外界氣溫因素影響較大，而表面保溫是減弱外界氣溫影響的很好防裂措施，而夏季表面流水措施可很好地削弱內部溫度，減小溫降幅度和內外溫差，降低混凝土應力。

（4）數值計算是掌握溫控效果的很好方法，施工前經過不同溫控措施的數值計算，可以很好地選擇適時合理的溫控防裂方案，為工程的安全奠定基礎。

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TV682

B

1672-2469(2014)06-0060-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.06.020

韓緒博（1982年—），男，工程師。