范鵬飛

(山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，太原 030000)

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堆石混凝土壩溫度應(yīng)力仿真分析及溫控措施研究

范鵬飛

(山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，太原 030000)

堆石混凝土壩隨著技術(shù)的成熟和推廣，對(duì)于堆石混凝土的研究逐漸深入。由于受溫度影響較大，壩體水上部分和水下部分之間存在一定的溫差，將會(huì)導(dǎo)致壩體的裂縫或者局部喪失應(yīng)力。鑒于堆石混凝土壩是一個(gè)較為復(fù)雜的個(gè)體，研究人員需要對(duì)其進(jìn)行仿真分析，接近于真實(shí)的模仿在各種溫度的作用下，堆石混凝土壩會(huì)產(chǎn)生怎樣的變化，分析這種變化是否影響到壩體的正常使用，同時(shí)，要考慮采用何種方式來控制或者避免這些不利因素和影響的發(fā)生。

堆石混凝土壩；溫度控制；仿真分析；溫控；研究

堆石混凝土壩是現(xiàn)在較為常見的水壩，主要是考慮到堆石混凝土的特性對(duì)于溫度的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通混凝土，能夠延長使用周期。堆石混凝土筑壩技術(shù)是建立在自密實(shí)混凝土的技術(shù)基礎(chǔ)上，再通過多年的研究和實(shí)踐，逐漸發(fā)展起來的。作為一種新型混凝土筑壩技術(shù)，2個(gè)尤其重要的施工工序是這項(xiàng)技術(shù)的核心：分別是堆石入倉和澆筑自密實(shí)混凝土。

文章詳細(xì)介紹這兩道重要的施工工序，以便可以更好的理解接下來的內(nèi)容。堆石入倉的含義是：在放置模板后，將顆粒直徑>30cm的碎石堆放至倉面，由于碎石之間空隙較大，通常需要將其碾壓密實(shí)；下一步工序則是自密實(shí)混凝土的澆筑，這個(gè)環(huán)節(jié)尤其重要，堆石體的空隙需要自密實(shí)混凝土流動(dòng)填充，使之形成高質(zhì)量的堆石混凝土。

1 堆石混凝土壩溫度與應(yīng)力之間的關(guān)系

混凝土的堆石尺寸較大，因此對(duì)于適合常態(tài)或碾壓混凝土的測(cè)定方法顯然不再適用于堆石混凝土，由于堆石混凝土應(yīng)用面較窄，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求較高，因此難以采集大量的堆石混凝土試驗(yàn)參數(shù)樣本進(jìn)行相關(guān)規(guī)律的提取和總結(jié)。受客觀條件限制，只采用有限的數(shù)量樣本進(jìn)行比對(duì)。絕熱升溫與極限拉伸2個(gè)參數(shù)指標(biāo)與混凝土的抗裂性能的數(shù)據(jù)體現(xiàn)，可以通過這兩個(gè)參數(shù)的取值變化來了解混凝土抗裂性能的優(yōu)劣。另外，施工工藝也是影響徐變的重要因素，綜上所述，堆石混凝土在受溫度影響后的表現(xiàn)是通過以下幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行全方位的體現(xiàn)：

1.1 抗裂特性

1)絕熱升溫：主導(dǎo)混凝土發(fā)熱量的因素是混凝土的水化熱。堆石混凝土和普通混凝土之間最大的區(qū)別在于水泥的用量，由于堆石混凝土鑒于自身特性的遠(yuǎn)近，在制作的過程中會(huì)添加大量的粉煤灰，因此絕熱溫升低于常態(tài)混凝土。通常來說，導(dǎo)致堆石混凝土的水化熱初期升溫慢而后期溫升大的原因就在于其中所摻加的粉煤灰延遲發(fā)熱。下面我們來通過一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)絕熱升溫進(jìn)行分析，見表1。

表1 C25自密實(shí)混凝土配合比和組分參數(shù)

由表1可以得出：在配比情況理想化分為自密實(shí)混凝土和堆石各占一半的情況下，根據(jù)熱量守恒原理，推算出堆石混凝土的絕熱溫升為18.80×(1-e-0.0339)。

2)極限拉伸：堆石混凝土的抗裂性能主要通過極限拉伸來反映，而現(xiàn)實(shí)中堆石混凝土的極限拉伸值比常態(tài)混凝土低是因?yàn)槭芘浜媳群褪┕し椒ǖ挠绊??；炷僚浜霞夹g(shù)和實(shí)驗(yàn)精度長足的提高有賴于近幾年的試驗(yàn)與研究，堆石混凝土的極限拉伸值也有了質(zhì)的飛躍，但在實(shí)際的實(shí)施過程當(dāng)中，90d齡期的混凝土在極限拉伸值得表現(xiàn)方面與試驗(yàn)恰恰相反，仍然低于同質(zhì)的常態(tài)混凝土。由于受條件影響，鉆孔取芯實(shí)測(cè)極限拉伸值遠(yuǎn)低于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)值，堆石混凝土層間的結(jié)合強(qiáng)度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通混凝土，因此堆石混凝土更容易出現(xiàn)裂縫。我們?cè)賮硗ㄟ^一組較為詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)這個(gè)結(jié)論做一個(gè)驗(yàn)證，見表2。

表2 立方體堆石混凝土試件劈拉試驗(yàn)結(jié)果

1.2 徐變度

徐變是反映溫度影響的一個(gè)重要指標(biāo)，能夠直接的反應(yīng)堆石混凝土在溫度作用下的變化?；炷翆?duì)于溫度變化的重要反映是通過徐變值表現(xiàn)出來的，在溫度應(yīng)力作用的部分，可以通過徐變使混凝土體塊減小應(yīng)力反應(yīng)，徐變與應(yīng)力呈反比關(guān)系。由于膠凝材料用量在混凝土中的作用，相比于常態(tài)混凝土而言，堆石混凝土的徐變維持在一個(gè)低水平的取值，就可以保持壩體的功能穩(wěn)定性，但是這一點(diǎn)于溫度應(yīng)力與防裂不利。

1.3 施工方法的影響

中國大規(guī)模的施工建設(shè)很難保證施工質(zhì)量的一致性，而施工的手法和工藝也會(huì)對(duì)堆石混凝土產(chǎn)生較大的影響。中國堆石混凝土冷量損失大，究其原因是采用低溫入倉導(dǎo)致，類似于常態(tài)混凝土那樣的低溫澆筑通常難以實(shí)現(xiàn)。常態(tài)混凝土在澆筑中可以通過溫控措施來保持混凝土的完整性。然而，由于堆石混凝土的熱性所致，水管冷卻會(huì)對(duì)其施工帶來不利影響，因此近幾年大部分堆石混凝土澆筑工程不推薦采用此種方法，少數(shù)設(shè)冷卻水管的也僅限于高溫季節(jié)澆筑的部位。

在常態(tài)混凝土中通常會(huì)采用以下方法對(duì)此類問題進(jìn)行規(guī)避，一個(gè)是降低澆筑溫度，第二個(gè)是通水冷卻。后者在對(duì)視混凝土中難以實(shí)現(xiàn)并且效果欠佳。堆石混凝土壩通常不做二期冷卻，僅靠大自然散熱進(jìn)行后期穩(wěn)固，因此將壩體溫度降至穩(wěn)定需要相當(dāng)長的一段時(shí)間。鑒于此，大壩會(huì)長時(shí)間處于一種高溫狀態(tài)，當(dāng)遇到溫度驟降時(shí)，降溫所帶來的溫差將產(chǎn)生熱脹冷縮從而出現(xiàn)裂縫。

盡管堆石混凝土與普通混凝土比起來，有較大的區(qū)別，但是在壩體建設(shè)當(dāng)中，堆石混凝土的特點(diǎn)尤為突出：

1)水泥使用量小，溫度變化指數(shù)值低。

2)高機(jī)械化的施工過程，有利于管理者梳理工程組織體系并控制質(zhì)量，人為不可控因素大大降低。

3)施工成本低施工速度快，能夠盡快的提高產(chǎn)能，產(chǎn)生效益。

2 溫度控制的仿真分析

堆石混凝土壩對(duì)于溫度的變化需要做仿真分析。在溫差的作用下，壩體會(huì)出現(xiàn)裂縫，對(duì)于拱壩來說，盡管小部分拱壩在寬壩段出現(xiàn)裂縫，但是大部分并未收到裂縫的破壞。與之相反的是重力壩，寬度超過20m的重力壩很大概率上會(huì)出現(xiàn)裂縫，這種特性表現(xiàn)也與拱壩形成鮮明對(duì)比。為了能夠很好的解釋這個(gè)現(xiàn)象，我們通過幾座拱壩為研究對(duì)象進(jìn)行仿真計(jì)算分析。

以下幾點(diǎn)原因控制了這種現(xiàn)象：

壩厚16～30m的拱壩上下游面的散熱效果好。即便是壩內(nèi)溫度達(dá)到峰值，壩體的內(nèi)外溫差變化并不突出，表面拉應(yīng)力也不產(chǎn)生突變；導(dǎo)致表面應(yīng)力增量為壓力的誘因是內(nèi)外溫差變小；蓄水時(shí)，水的比熱容發(fā)揮了重要的作用使壩體溫度有所降低；比之同質(zhì)的普通混凝土，抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)的同時(shí)提升了防裂性能，可弱化溫控措施的作用；堆石混凝土的特性決定了通水冷卻的方法無顯著效果，因此決定壩體最高溫度的主要是初始澆筑溫度和環(huán)境溫度；對(duì)于低溫澆筑的混凝土，壩體的拉應(yīng)力較小，溫度對(duì)于壩體的影響不影響壩體的施工，可不采取分縫和溫控措施；而對(duì)于高溫澆筑的混凝土，需要考慮通過表面流水或者避開高溫時(shí)段澆筑的方式疏散熱量。但如果該地區(qū)冬夏溫差大，溫度應(yīng)力作用明顯，壩體在溫差作用下存在拉裂風(fēng)險(xiǎn)；較大間距分縫能有效降低壩體溫度應(yīng)力，將溫度應(yīng)力逐漸傳遞出去，避免在壩體內(nèi)部及表面發(fā)生損傷。

堆石混凝土壩的實(shí)操方法需要建立在仿真計(jì)算校核的基礎(chǔ)上，充分利用低溫季節(jié)的優(yōu)勢(shì)完成混凝土的澆筑，而高溫季節(jié)應(yīng)較大間距分縫并采取溫控措施，達(dá)到快速優(yōu)質(zhì)筑壩的目的。

3 堆石混凝土壩體的分縫

分縫不僅僅是存在于混凝土防裂，在諸多工程領(lǐng)域也有各種實(shí)踐應(yīng)用。所以“常態(tài)混凝土的橫縫間距≤20m”也是通過多年的研究與工程實(shí)踐證明的。大體積量的工程由于各種原因，同時(shí)也是出于安全的考慮，無可避免要進(jìn)行分縫。其中重力壩和拱壩是完全不同的展示個(gè)體。

3.1 重力壩

基于早期的工程經(jīng)驗(yàn)出現(xiàn)過“堆石混凝土壩可以不分縫或壩段長可為80～100m”這樣的極端的說法。但是，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)壩段過寬時(shí)，由于混凝土配比以及本身的熱性等原因，會(huì)在橫向隨著溫度變化而產(chǎn)生劇烈變化，由于各向異性的緣故，極易出現(xiàn)裂縫，寬體壩段被裂縫分割為若干段，導(dǎo)致壩體的實(shí)際功能的喪失。

一個(gè)實(shí)際的案列在我國南方某壩沿分為河床6個(gè)壩段，前5個(gè)為36m，最后1個(gè)為26m，在投入使用達(dá)到一定年限后，5個(gè)36m寬的壩段均開裂，縫寬最大達(dá)2mm，產(chǎn)生了破壞性的影響。對(duì)壩體功能的使用產(chǎn)生了極其不好的后果；另一個(gè)在溫度的反復(fù)作用下，壩段寬50～64m的重力壩，每個(gè)都開裂成2～3段，開裂的裂縫從上到下貫穿，最大縫寬達(dá)2mm，這種貫穿式開裂直接導(dǎo)致壩體的報(bào)廢，無法載繼續(xù)進(jìn)行工作。隨著堆石混凝土在各類實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)例當(dāng)中反復(fù)的應(yīng)用，對(duì)于其特性大家逐漸的了解，針對(duì)堆石混凝土壩的分縫長度逐漸形成了同一的看法，為了避免拉應(yīng)力引起上游面豎向裂縫，蓄水后發(fā)展成劈頭裂縫的后果，因此規(guī)定壩體分縫以20m左右為宜，順河方向可按通倉澆筑。

3.2 拱壩

早期的拱壩所存在的縫不是真正意義上的分縫，只是誘導(dǎo)縫。誘導(dǎo)縫不能夠真正意義上滿足分縫的功能需求，大壩會(huì)在使用多年后出現(xiàn)嚴(yán)重的裂縫。在某拱壩的實(shí)際建設(shè)中，為了將分縫和誘導(dǎo)縫結(jié)合使用，最終提出了可重復(fù)灌漿的橫縫與誘導(dǎo)縫相結(jié)合的方式促進(jìn)實(shí)踐。

縱向引起的壓應(yīng)力在水壩蓄水時(shí)會(huì)突然增加，導(dǎo)致豎直向裂縫被很好的控制。然而，在中間壩段如果有集中應(yīng)力破損或者壩體過長時(shí)，會(huì)因局部應(yīng)力集中在缺口部位引起更大面積的裂縫延展。關(guān)于堆石混凝土拱壩最為敏感中部壩段，可根據(jù)現(xiàn)場情況估算寬度，以仿真分析結(jié)果為參考依據(jù)，上限寬度為100m。而拱壩兩岸壩段橫縫間距要適當(dāng)減小，具體寬度要理論分析結(jié)合實(shí)際情況綜合評(píng)定。

4 控制溫度的措施

對(duì)于中小型堆石混凝土壩的降溫措施較為簡單，在低溫季節(jié)性澆筑即可解決問題，雖然有些工程由于某些原因沒有采取降溫措施，但是對(duì)于大體積高壩，尤其是在高溫季節(jié)且連續(xù)施工的大壩工程，不采用溫控措施難以保證工程質(zhì)量，因此，為確保工程質(zhì)量，采取一些必要的措施勢(shì)在必行。近年來，關(guān)于堆石混凝土的研究日益深化、力度加大，與之相關(guān)的措施也在日新月異的變化。在一些堆石混凝土壩的實(shí)際工程中，常態(tài)混凝土中驗(yàn)證成功的所有溫控措施被移至到此并收獲了不錯(cuò)的效果。

4.1 降低澆筑溫度

常態(tài)混凝土壩的澆筑降溫較快，而堆石混凝土卻與之恰恰相反。然而堆石混凝土難以通過常規(guī)加冰的方式降溫主要是因?yàn)槭芟抻谒冶群涂杉颖?。在高溫季?jié)澆筑混凝土?xí)媾R一些麻煩，比如混凝土入倉溫度回升快。因此，為了能夠給堆石混凝土快速降溫，在不影響其化學(xué)性能的前提下，采用物理降溫措施對(duì)降低澆筑溫度就成為工程實(shí)際當(dāng)中可選擇的方法。

4.2 倉面保溫

在高溫季節(jié)澆筑需要進(jìn)行倉面保溫。許多相關(guān)企業(yè)經(jīng)過多年的工程經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，發(fā)明了保溫被投入使用。該保溫被材料為厚聚乙烯，在不持水的情況下，該保溫被等同于半米厚的混凝土。通常會(huì)在碾壓完畢后，用保溫被保溫，待輻射熱的環(huán)境溫度低于混凝土溫度時(shí)，可使混凝土自主散熱。

4.3 水管冷卻

水管冷卻方法的效果已經(jīng)在常態(tài)混凝土實(shí)驗(yàn)中獲得了認(rèn)證。但是，在堆石混凝土壩的實(shí)踐中卻難以實(shí)現(xiàn)。以為在鋪設(shè)冷卻水管的過程中，冷水管常常會(huì)由于混凝土的碾壓干擾而破損，因此很少應(yīng)用在堆石混凝土工程當(dāng)中。近幾年出現(xiàn)了塑料冷卻水管，并在工程實(shí)際中獲得了成功的運(yùn)用，使得水管冷卻在堆石混凝土壩的施工中應(yīng)用成為可能。

4.4 采用微膨脹混凝土

除直接控制溫度外，還可以利用外摻MgO添加劑使混凝土具有微膨脹性，簡化溫度控制。在實(shí)際操作中，對(duì)于重力壩通常會(huì)采用微膨脹混凝土，因此，可以降低約束區(qū)、澆筑區(qū)等受力區(qū)域的拉應(yīng)力，使得壩體受到應(yīng)力破壞減弱，從而有利于防裂，但該技術(shù)目前尚未成熟。

4.5 材料抗裂性能的提高

作為混凝土防裂的重要環(huán)節(jié)，如何提高材料的抗裂性能是重中之重，這個(gè)環(huán)節(jié)一般由兩個(gè)指標(biāo)控制體現(xiàn)。通過對(duì)配合比的優(yōu)化可以達(dá)到兩個(gè)目的，一方面降低體積收縮和水化熱溫升可以通過控制水泥用量得以實(shí)現(xiàn)，而提高混凝土抗裂性能的關(guān)鍵就在于提高混凝土的極限拉伸值。

4.6 斜層碾壓

在實(shí)際的工程操作當(dāng)中，通長使用斜層碾壓的方法解決澆筑工程上的難題。因?yàn)闉榱藴p少熱量倒灌，斜層碾壓縮短了覆蓋時(shí)間，起到溫控的作用。

5 結(jié) 語

隨著科技和針對(duì)堆石混凝土研究的發(fā)展，如何在施工過程中更好的控制溫度的影響將會(huì)被越來越多的專家學(xué)者所關(guān)注。通過對(duì)新型材料的研發(fā)和新型技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用，堆石混凝土壩的施工將會(huì)呈現(xiàn)另外一種狀態(tài)，立足于常態(tài)混凝土的研究，將堆石混凝土壩的施工溫控技術(shù)逐漸推廣出去。

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Temperature Stressing Simulation Analysis and Temperature Control Measure Research of Rock-fill Concrete Dam

FAN Peng-fei

(Shanxi Provincial Water Conservancy & Hydropower Project Construction Supervision Limited Company,Taiyan 030000,China)

With the technological development of rock-fill concrete dam，the research of rock-fill concrete is deepening gradually. Impacted greatly by the temperature control，there is a certain temperature difference between the surface water and down water of dam body and will cause the dam body to crack or lose the stress partially. In view of the rock-fill concrete dam as a complex individual，the researchers need to conduct the simulation analysis to distinguish the changes of rock-fill concrete dam under the actions of various temperatures closed to real simulation，and analyze whether this kind of changes could affect the ordinary use of dam body，simultaneously，to consider the way in which to control or avoid the occurrence of these adverse factors and effects.

rock-filled concrete dam; temperature control; analysis of simulation; research

2016-06-26

范鵬飛(1987-)，男，山西太原人，工程師，研究方向?yàn)樗姽こ獭?/p>

1007-7596(2016)09-0013-04

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