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(長江勘測規(guī)劃設計研究院， 武漢 430010 )

1 研究背景

溪洛渡水電站導流洞襯砌施工過程中，在已澆筑的底板混凝土中發(fā)現(xiàn)了一定數(shù)量的裂縫，裂縫長度從0.6至12.0 m不等，寬度在0.01～0.3 mm之間，部分裂縫深度達到0.5 m。

為了找到導流洞底板產生裂縫的原因，同時研究進一步采取綜合溫控防裂措施的有效性和合理性，本文在對現(xiàn)場實測資料進行分析的基礎上，采用三維有限元法模擬實際施工過程與溫控措施，進行混凝土溫度和溫度應力仿真計算，分析裂縫產生的原因，并通過多方案的綜合研究分析，提出能有效防止溫度裂縫產生的合理溫控方案，供今后導流洞襯砌混凝土施工參考采用。

國內外學者針對導流洞混凝土溫控防裂問題進行了深入研究：徐運漢[1]對小浪底導流洞混凝土襯砌裂縫成因進行了分析并對裂縫處理方案進行了研究；周睿等[2]采用三維有限元方法對小浪底導流洞混凝土襯砌的溫度場和徐變溫度應力進行了模擬；蘇華祥等[3]分析了深溪溝導流洞裂縫產生的原因，并提出了相應處理措施；李鳳玉[4]對長河壩導流洞混凝土裂縫開展研究提出詳細處理方案。但是這些研究對于裂縫產生原因一般偏重于定性分析，而有限元仿真計算僅主要用于設計階段溫控防裂措施的擬定。本文以溪洛渡導流洞工程為例，根據(jù)產生裂縫洞段的實際施工情況，模擬實際施工時的各種邊界條件和溫控參數(shù)進行仿真計算，根據(jù)計算得出的施工期溫度應力情況，分析裂縫產生的原因并提出對策。

2 基本資料和參數(shù)

2.1 氣 溫

根據(jù)導流洞內施工時實測氣溫資料(最低氣溫不低于13℃)和溪洛渡中心氣象站資料以及隧洞內氣溫變化的實際特點，擬定導流洞內氣溫表達式為

2.2 混凝土熱學、力學和變形性能

根據(jù)溪洛渡導流洞混凝土性能試驗成果，混凝土熱學、力學性能指標分別列于表1和表2。

表1 導流洞混凝土熱學參數(shù)計算值

表2 混凝土強度及彈性模量

3 襯砌混凝土裂縫產生原因仿真計算分析

3.1 有限元計算模型及邊界條件

通過對導流洞襯砌混凝土結構特點分析，發(fā)現(xiàn)其幾何形狀、荷載和約束條件在溫度場和應力場計算中都具有對稱性。為簡化計算起見，按照對稱條件截取計算對象。將襯砌段沿洞軸線方向鉛直截開后，再沿中央橫斷面截開，取整個襯砌段的1/4進行計算，圍巖厚度按3倍洞徑考慮，有限元計算模型及襯砌結構橫斷面圖參見圖1。

圖1 導流洞混凝土襯砌有限元網格模型與襯砌橫斷面

襯砌段的結構對稱面在溫度場計算中按絕熱邊界考慮，屬于第二類熱學邊界條件，在應力場計算中對該表面的垂直方向進行位移約束；計算對象中圍巖外邊界距離襯砌段較遠，按絕熱邊界條件和全約束力學邊界條件考慮；拆模前導流洞襯砌段混凝土表面的等效放熱系數(shù)取18.5/(m2·h·℃)，拆模后考慮風速影響，混凝土表面放熱系數(shù)取30.0 kJ/(m2·h·℃)，在拆模后用蓄水養(yǎng)護時，有蓄水養(yǎng)護的表面與水接觸時放熱系數(shù)取12 000 kJ/(m2·h·℃)，這些邊界屬于第三類熱學邊界條件。

溫度場計算時，澆筑層的初始溫度為澆筑溫度，圍巖的初始溫度為地溫。應力場計算時，須先確定參考溫度場即應力為0時的初始溫度場，對于混凝土結構，取澆筑溫度為參考溫度。

3.2 實際施工工況計算分析

為了找到導流洞襯砌混凝土裂縫產生的原因，對產生裂縫部位按實際施工工況進行溫度及溫度應力仿真模擬計算。實際澆筑工況條件為：9月29日開始澆筑底板，混凝土澆筑溫度為27℃，底板澆筑完成31 d后，開始澆筑邊頂拱，開澆后3 d拆模，澆筑混凝土表面采取蓄水養(yǎng)護7 d；底板混凝土為C40，邊頂拱混凝土為C30。

3.2.1 實際施工工況溫度計算結果

從溫度仿真計算結果來看，襯砌混凝土澆筑后，早期溫度場迅速升高，底板中央最高溫度達51.0℃，底板、邊墻、頂拱出現(xiàn)時間均為2 d(溫度峰值分別為51.0，46.5，46.4℃)。拆模后，由于表面蓄水養(yǎng)護的作用，溫降速率隨之增大，表面溫降曲線明顯變陡。計算顯示，在拆模后1 d內，表面溫度迅速由接近最高溫度降低到接近表面流水水溫，溫降達21.0℃，在表面蓄水養(yǎng)護期間，表面溫度基本保持在養(yǎng)護水溫附近。澆后約一個月，襯砌表面溫度已基本趨同于洞內氣溫，開始隨氣溫作周期性(年)變化，襯砌混凝土施工期溫度應力歷時曲線見圖2。

圖2 實際施工工況底板中央斷面代表點溫度歷時曲線

3.2.2 實際施工工況溫度應力計算結果

從溫度應力計算結果來看，在早期溫降階段，由于表面流水作用，表層混凝土散熱快，迅速收縮，中部混凝土溫降相對較慢，對表層產生相對約束作用并使之首先出現(xiàn)拉應力；7 d時，表面拉應力已經達到2.37 MPa，而混凝土早期的抗拉強度又較低，混凝土表面拉應力遠遠超過了其抗拉強度，所以易造成襯砌混凝土在早期出現(xiàn)裂縫。

在澆筑的后期，溫度場繼續(xù)下降，整個襯砌繼續(xù)收縮，混凝土的拉應力進一步增大，底板中間點的最大應力達到了2.89 MPa，雖然沒有超過混凝土后期的抗拉強度，但抗裂安全系數(shù)較低，考慮到施工質量、混凝土超標因素的影響，裂縫有可能發(fā)展成為貫通裂縫。

實際施工工況下溫度應力仿真計算結果見表3和圖3。

表3 實際施工工況襯砌混凝土溫度應力計算結果

圖3 底板混凝土溫度應力歷時曲線

3.3 裂縫原因分析

從裂縫主要分布狀況來看，除部分裂縫在順流向橫跨整個澆筑倉位表面外，其他裂縫形狀和長度均無規(guī)律。裂縫主要為淺層溫度裂縫，部分裂縫有可能發(fā)展為深度裂縫甚至貫穿，根據(jù)實際工況有限元仿真計算結果分析，導流洞襯砌混凝土產生裂縫的主要原因有以下幾個方面：

(1) 混凝土絕熱溫升較高、溫降快。導流洞底板混凝土采用C40泵送混凝土，坍落度大，細骨料和膠凝材料偏多，粗骨料偏少，水化熱較高，根據(jù)現(xiàn)場溫度檢測，最高溫度達到51.5～52.5℃，與仿真計算結果相符。特別是早期達到溫峰后溫降速度快，圍巖的約束又強，早期的拉應力較大，容易產生早期表面裂縫。

(2) 表面低溫水蓄水養(yǎng)護措施不當。表面蓄水養(yǎng)護，若水溫過低，使得澆筑混凝土表面在早期溫降過快，以至于在澆筑早期便產生了較大的拉應力，容易產生表面淺裂縫。若需采用蓄水養(yǎng)護，早期宜采用較高水溫，或同時在內部埋設冷卻水管，否則內外溫差過大，容易產生表面裂縫。

(3) 冬季洞內氣溫過低。計算選用冬季洞內環(huán)境最低氣溫為13℃，澆筑混凝土進入冬季以后，產生最大的拉應力，且表面拉應力一般都超過或者接近混凝土的抗拉強度，造成新的裂縫產生或使早期產生的裂縫進一步發(fā)展。

(4) 圍巖的強約束。對于薄壁襯砌結構，圍巖變形模量大，結構厚度小，在圍巖的強約束條件下，結構中心相當于固定板在溫度作用下的應力。

4 襯砌混凝土溫控措施研究

4.1 各種溫控措施效果計算分析

4.1.1 減少膠凝材料用量

在溪洛渡導流洞底板混凝土出現(xiàn)裂縫后，設計單位將導流洞底板混凝土設計齡期由28 d調整為90 d，施工單位根據(jù)調整后的設計指標對施工配合比進行優(yōu)化，減少膠凝材料用量，混凝土絕熱溫升大幅降低。

采用配合比優(yōu)化后的試驗數(shù)據(jù)重新進行仿真計算，溫度仿真計算結果表明：底板最高溫度45.3℃，邊墻最高溫度48.4℃，施工期最高溫度明顯降低。從溫度應力計算結果來看，底板早期拉應力降為1.57 MPa左右，但此時混凝土抗拉強度僅1.24 MPa，抗裂安全系數(shù)仍小于1；在后期進入冬季以后，底板拉應力最大值達3.02 MPa，此時的混凝土抗拉強度約3.16 MPa，抗裂安全系數(shù)只有1.05。從計算結果來看，在調整混凝土設計齡期，減少膠凝材料用量后，施工期溫度和溫度應力有較大的改善，但仍然不能滿足溫控防裂的要求，還需要進一步采取其他溫控措施。

4.1.2 養(yǎng)護方式

在其他溫控措施均相同的基礎上，分別對采用蓄水養(yǎng)護和灑水養(yǎng)護條件下的溫度及溫度應力進行仿真計算。從計算結果來看，在拆模后立即進行蓄水養(yǎng)護，對混凝土表面有冷卻作用，混凝土表面溫降速率增加，混凝土表面早期拉應力比采用灑水養(yǎng)護的方式時的拉應力增加約0.9 MPa，容易導致表面裂縫的產生。因此早期宜灑水保濕，7 d以后可以蓄水養(yǎng)護。

4.1.3 通水冷卻

對不同通水冷卻方式(不通水、通江水、通制冷水)的溫控效果分別進行仿真計算，從計算結果來看，通江水和制冷水冷卻分別可使混凝土最高溫度降低2℃和4℃左右。但是由于通水冷卻的作用，使得襯砌中間部位混凝土早期的溫降速率增加，而襯砌厚度較薄，圍巖的約束作用及中間部位對表面的約束作用均較強，所以襯砌早期的溫度應力反而略有增加(通江水和制冷水分別增加約0.02 MPa和0.06 MPa)。而后期最大拉應力主要由環(huán)境溫度的溫差決定，通水冷卻對襯砌進入冬季的最大拉應力的影響甚微。

由此可見，通水冷卻可以降低混凝土的最高溫度，但對于1 m厚的薄襯砌結構，同時也加快了早期溫降速率，對表面混凝土的早期抗裂不利。

4.1.4 設置縱縫

對底板中央設置一條縱縫的溫控效果進行仿真計算，從計算結果來看，設置縱縫對減小底板沿橫斷面方向的后期最大拉應力的作用比較明顯，底板最大拉應力減小了0.27 MPa，抗裂安全系數(shù)提高到1.15，對抗裂較為有利。

4.1.5 洞口封閉

洞口在冬季進行封閉是防止隧洞內襯砌混凝土裂縫的有效溫控措施，按外界氣溫低于16℃時，對洞口進行封閉，洞內氣溫按16℃計算，從仿真結果可以看出，冬季封閉洞口后，各部位的最大拉應力有大幅降低，抗裂安全系數(shù)提高到了1.36以上。

4.2 建議采取的溫控措施

根據(jù)對混凝土各種溫控措施效果的計算分析，建議導流洞襯砌混凝土采取以下溫控措施：

(1) 調整混凝土設計齡期，優(yōu)化混凝土配合比。導流洞投入運行時，襯砌混凝土齡期均將超過90 d，將設計齡期調整為90 d有利于充分利用混凝土后期強度，減少膠凝材料用量，降低混凝土水化熱溫升。

(2) 襯砌混凝土拆模后應立即進行灑水養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不小于28 d。

(3) 冷卻水管初期宜通江水進行冷卻，初期通水時間為15 d，不宜通溫度過低的制冷水。

(4) 選擇合理的分縫分塊，澆筑塊尺寸大小對溫度應力有重要作用，導流洞底板寬度達20 m，應在底板中央設置縱向施工縫分幅澆筑。

(5) 進入冬季以后，當洞內環(huán)境溫度低于16℃時，對洞口進行封閉保溫。

5 結 語

通過對溪洛渡導流洞襯砌混凝土實際工況有限元仿真計算分析，探明了襯砌混凝土裂縫產生的主要原因，并根據(jù)各種溫控措施效果的仿真計算結果，提出了優(yōu)化配合比、灑水養(yǎng)護、分縫分塊以及冬季封洞保溫等溫控措施。提出的溫控措施在導流洞襯砌混凝土后期施工中得到采用，有效地防止了裂縫的進一步出現(xiàn)。

參考文獻：

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[2] 周 睿，李晨英，段云嶺. 小浪底大壩導流洞混凝土施工模擬及裂縫分析[J]. 人民黃河，2003，25(9)：44-45.(ZHOU Rui, LI Chen-ying, DUAN Yun-ling. Construction Simulation and Analysis of Concrete Crack for Diversion Tunnel at Xiaolangdi Project[J]. Yellow River, 2003，25(9)：44-45.(in Chinese))

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