快速浇筑条件下混凝土坝早龄期开裂风险分析.pdf

水利水电技术第4 5 卷2 0 1 4年第 2期 快 速浇筑条件 下混凝土坝早龄期 开裂风 险分析 王海波，王仁坤，周 钟 ( 中国水 电顾 I7 集 团 成都勘测设计研究院，四川 成都 6 1 0 0 7 2 ) 摘 要 ：以南水北调工程某混凝 土重力坝施工为例 ，分析与探讨 了不同浇筑层厚度、不同层 间间歇 期 、不同浇筑温度等对混凝土坝早龄期温度与应力的影响 ，对早龄期混凝土的温度与应力特性和开裂 风险进行 了深入分析研 究，并提 出了相应的确保应力安全的防裂方法。研究 内容为快速浇筑条件下大 坝混凝土温度控制标准和温控措施的制定提供技术支持。 关键词：混凝土坝 ；快速浇筑 ；温度 ；热应力；开裂风险 中图分 类号 ：T V 3 1 5 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 6 8 0 5 Ana l y s i s o n c r a c ki ng r i s k a t e a r l y a g e o f c o n c r e t e u nd e r r a p i d p l a c e m e nt o f c o nc r e t e da m W ANG Ha i b o， W ANG Re n ku n，ZHOU Z h o n g ( H y d r o c h i n a C h e n g d u E n g i n e e ri n g C o r p o r a t i o n ，C h e n g d u 6 1 0 0 7 2 ，S i c h u a n ，C h i n a ) A b s t r a c t ：B y t a k i n g t h e c o n s t r u c t i o n o f a c o n c r e t e g r a v i t y d a m w i t h i n t h e S o u t h - t o N o a h Wa t e r T r a n s f e r P r o j e c t a s a s t u f y c a s e ， t h e i mp a c t s f r o m d i f f e r e n t t h i c k n e s s e s o f c o n c r e t e p l a c i n g l a y e r s ， d i f f e r e n t i n t e r mi t t e d p e ri o d s i n b e t w e e n i n t e r l a y e r s o f c o n c r e t e p l a c e me n t ，d i f f e r e n t c o n c r e t e p l a c i n g t e mp e r a t u r e s o n t h e t e mp e r a t u r e a n d s t r e s s a t t h e a e r l y a g e o f c o n c r e t e o f t h e d a m a r e a ri a l y z e d a n d d i s c u s s e d h e r e i n；i n wh i c h t h e t e mp e r a t u r e a n d s t r e s s c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c o n c r e t e a t t h e e a r l y a g e a s w e l l a s t h e c r a c k i n g ri s k a r e d e e p l y s t u d i e d ， a n d t h e n t h e c o r r e s p o n d i n g a n t i c r a c k i n g me t h o d t o e n s u r e t h e s t r e s s s a f e t y c o n c e r n e d i s p u t f o r wa r d T h e s t u d y p r o v i d e s a t e c h n i c a l s u p p o f o r e s t a b l i s h i n g t h e c o n c r e t e t e mp e r a t u r e c o n t r o l c rit e ri a a n d t h e r e l e v a n t t e mp e r a t u r e c o n t r o l me a s u r e s f o r t h e d a m c o n c r e t e u n d e r r a p i d p l a c e me n t Ke y wo r d s ：c o n c r e t e d a m ；r a p i d p l a c e me n t o f c o n c r e t e；t e mp e r a t u r e ；t h e r ma l s t r e s s ；c r a c k i n g r i s k 在水电工程建设 中，为追求提前蓄水发电效益 ， 往往要求加快大坝施工速度 ，实 现全年连续快速施 工 ，而大坝混凝土浇筑层厚度和层问间歇期是限制施 工速度 的两个瓶颈。 目前大坝混凝土浇筑普遍采取的 1 5 3 0 m的浇筑层厚和 71 0 d的层间间歇期是人 们根据现有的温控条件 ，经过设计计算和工程经验所 确定的，主要源于人们对混凝土散热 的考虑 ，但实际 上 ，薄浇筑层 和长间歇 期对 混凝 土应力都有不利影 响 。厚浇筑层相 当于把两层或多层薄浇筑 层之间 的间歇期变为零 ，也就减少了层面处理的困难 ，避免 因此造成的上下层温差约束应力。但采用厚浇筑层和 短间歇期带来的最大问题是坝体上升太快 ，不能充分 利用层面散热 ，温控防裂难度加大。 国际上 ，曾采用厚浇筑层筑坝的国家主要是加拿 大和巴西 。加拿大的 R e v e l s t o k e重力坝曾采用 1 2 8 8 1 5 I n厚 的浇筑层 ，R a y h e r和 O t t o H o l d e n等重力 坝 ， 浇筑层厚度也一度达到 2 0 i n ，但其筑块本身产生 了 很多温度裂缝 ；巴西 的 N o v a坝 ，坝高 5 6 IT I ，混凝土 总量 1 3 8万 I n ，边立模边浇筑 ，仅用 1 1 0 d即完工。 我国在 2 0世纪 5 0年代 曾一度 试用过 6 0 n l 厚浇筑 层 ，当时出现的问题是 ，水化热基本无法散失 ，立模 复杂。现在立模 已经不再是一个难题 ，水化热也可以 通过冷却水管的合理运用而及 时导 出来 ，因此 5 0年 前在我国试用厚浇筑层出现的问题现在都可 以解决。 目前厚浇筑层 、短间歇期的混凝土坝快速浇筑新方法 已在国内的锦屏一级高拱坝 J 、向家坝二期工程泄洪 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 5 0 6 基金项 目：国家 自然科 学基金项 目( 5 0 7 7 9 0 1 0 ) 。 作者简介 ：王海波( 1 9 8 4 一 ) ，男 ，湖北郧县人 ，博士 。 W a t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r o p o we r En g i n e e r i n g Vo l 4 5 No 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王海波， 等快速浇筑条件下混凝土坝早龄期开裂风险分析 ( t ) 和 ( f ) 两个函数综合考虑 了混凝土抗拉强 度 、弹模 、极限拉伸、徐变变形 、自生体积变形及温 度变形 ，全面地反映了各因素对混凝土抗裂性能的综 合影响，因此 开裂风 险系数 卵是一个全面的综合评 价指标 。在国内大坝温控计算 中，叼也被结构设计人 员用于评价结构开裂风险。混凝土材料力学性能和材 料模型具有一定的波动性 ，一般认为其作为混凝土抗 裂性的评判标准如下 ：叼1 ，混凝土已经开裂 ；叼： 1 ，临界状 态 ；0 7叼1 ，开 裂可能性 较大 ；叼 0 7 ，开裂可能性较小。 2 计算成果及分析 2 1 浇筑层厚度对早龄期开裂风险影响 5 坝段 2 0 1 1年 5月 1日开始浇筑混凝土。基础 约束区混凝土浇筑层厚度为 1 53 0 i n ，非约束 区 混凝土浇筑层厚度为 3 06 0 i n ，层问间歇期均为 7 d ，浇筑温度取 日平均气温加 3 0 o C，最高浇筑温 度 2 8。浇筑时以及浇筑后 4 d内考虑 日平均气温 5 0 o C的昼夜 温差 。分析研究 非约束 区浇筑层 厚 度分别 为 3 0 1T I 、4 5 F I 1 和 6 0 i n时坝 体 温度 场 、 应力场的变化规律 和开裂风 险( 鉴 于结 构安全 考虑 和实践经验 限制 ，本文研究 中混凝 土浇筑层 最大厚 度取 6 0 1 T I ) 。 计算表明 ，在同一季节 ，同一浇筑温度 ，无初期 冷却时，6 0 m层厚混凝土内部最高温度为 4 8 8 ， 4 5 1 T I 层厚内部最高温度为 4 8 0 ，3 0 n q 层厚 内部 最高温度为 4 6 0 o C( 见 图 3 ) ，层厚加大后 ，水化 热 更易在坝体 内部积聚 ，通过浇筑 层仓面散发热量有 限。同时，随着层 厚 的加大 ，浇 筑层 内外温差也增 加 ，加之早期仓面混凝土受昼夜温差的影响 ，早期仓 面拉应力也越大 ，如 6 0 m层厚早期最大内外温差达 1 3 ，仓面最大拉应力 1 8 7 MP a ( 见 图 4 ) ，不 同层 厚浇筑混凝土仓面早期开裂风险均超过 0 7的高开裂 风险状态( 见图 5 ) 。 以 6 0 m浇筑层厚为例 ，采取 坝体 内部早期通 水冷却和 间歇 期 内仓 面保 温保 湿 的综 合温 控 措施 后 ，混凝土早期 温升 幅度 和 内外温差 均显著减 小 ， 早期混凝土表面收缩和温度梯度 也减小 ，仓 面拉应 力 由 1 8 7 MP a降低至 0 4 3 MP a ，早龄期开裂风 险 系数仅为 0 4，远低 于 0 7的高开裂风 险状 态 ( 见 图 6 ) 。 2 2层间间歇期对早龄期开裂风险影响 分析研究 非 约束 区浇 筑层 厚 度分 别 为 3 0 I T I 、 4 5 IT I 和 6 0 m，层 间间歇期 为 4 d时 ，坝体温度场 赠 时间 d 图 3浇筑层 内部 中心点温度时程线 l + 6 0 m一 4 5m一 3 0m1 x r 八 、 * *_H 卜* x ， U 、 肿 一。 盘 j V “ V 图 4浇筑层仓面点温度应力时程线 7 O 7 5 8 0 8 5 9 0 9 5 l O 0 时间 d 图 5 浇筑层仓面混凝土早龄期 开裂风 险 I I j 日 ， e0 E E I l I I ， E I I E f I Ij I I l I E I， I、 ， X l 开裂风险一 7 7 = 0 7 l 一 一 、 “ 蛆 世 十 。 l 【 I 图 6 采取温控措施前 6 0 m浇筑层仓面 早龄 期开裂风 险 和徐变应力场的变化规律和开裂风险。 计算表明 ，在同一季节 ，同一浇筑温度 ，浇筑层 间歇期 由7 d缩短为 4 d后 ，6 0 m层厚内部混凝土 水利水电技术第 4 5卷2 O l 4年第2期 2 O O O O 苫 R 0 5 O 5 O 5 O 如 匮 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 最高温度为 4 9 5 ，较 7 d间歇期略有升高 ；4 5 m 层厚和 3 0 m层厚混凝 土早期 内部 温升变化规律 和 6 0 m层厚相似 ( 见图 7 ) 。随着层 间间歇期 的缩 短 ， 间歇期 内仓面 混凝土 受外 界气 温影响变 小 ，6 0 m 层厚早期最大 内外温差 9 2 c lC，早期仓面拉应力 由 7 d间歇 期 时 的 1 8 7 MP a减 小 到 4 d间歇 期 时 的 1 4 7 MP a ( 见 图 8 ) 。 5 0 4 5 ：4 o 3 5 3 0 2 5 山 、 逛 * 60m 4 5m一 3O r l l I 7 O 1 O O 1 3 O 1 6 O 1 9 O 2 2 0 2 5 0 2 8 0 31 0 时间 d 图 7 浇筑层 内部中心点温度时程线 时间 d 图 8 6 0 m 浇筑层不 同间歇期 时仓面点温度应 力时程线 为分析论 证大 坝 6 0 m浇 筑层厚 、4 d层 间歇 期 的可行性 ，对 该浇筑 方 案采取综 合性 温控措 施 。 可 以看 出，采取温控措施后 开裂风险 因子在浇筑结 束 1 d后达到最大值 0 4 6，低于 0 7的高开裂风 险 状态 ( 见 图 9 ) 。浇筑层 仓 面上层 覆盖 时龄期较 短 ， 早期未成熟混凝土 强度较低 ，受 间歇期外界环境 温 度 的影 响和较 大内外 温差 以及混凝 土早期表层干缩 变形的综合作 用 ，开裂风险较大 ，因此 ，间歇期浇 筑层仓面保温保湿 精细养护尤为重要 。如若混凝 土 浇筑后 在仓 面及 时覆 盖不透气 塑料 膜及 聚乙烯泡 沫 卷材，减小昼夜温差的影响和仓面混凝土的干缩变 形，将外界环境温度的影响降至最低，结合混凝土 内部冷却水管降温 以减 小 内外温差等措施 ，则仓 面 早期裂缝可以避免 。 2 3 浇筑温度对仓面早龄期开裂风险影响 分析研究低温浇筑对仓面早期开裂的影响。图 l 0 水利水电技术第 4 5卷2 0 1 4年第 2期 匮 p 越 赠 茎 王海波， 等快速浇筑条件下混凝土坝早龄期开裂风险分析 图 9采取温控措施后 6 0 m浇筑层仓面 混凝 土 早龄期开裂风险 1 8C浇筑 - - - 2 8 C浇筑 f 要 时间 d ( a ) 温度时程线 时间 d ( b ) 温度应力时程线 图 1 0 低温 浇筑、长间歇 时仓面点温度和温度应力时程线 给 出了低温浇筑和层 间长 间歇时仓面混凝土的温度 和应力时 程线 。层 间间歇 2 0 d后 上层 覆盖新 混凝 土 ，此时大 坝仓面 温度在 3 4 0 o C左 右 ，而新浇 混 凝土温度仅 有 1 8 ，低温浇 筑对下 部混凝 土而 言 是一个冷击过程 ，老混凝土表面 的温度会在短 时间 内降至新老混凝土 的平均值 ，从而在下部 已硬化 的 混凝土表面引起拉应力，瞬间温差作用后的仓面瞬 间最大应力可达 1 1 3 MP a ，超过混凝土此时的容许 拉应 力 ，老混 凝 土 面有 可 能 出现裂 缝 ( 见 图 1 1 ) 。 因此，应选择合适的浇筑温度，避免低温浇筑致裂 问题 l 6 J ，同时避 开高温时段 浇筑混凝 土 ，避免仓 面 长间歇。 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王海波， 等快速浇筑条件下混凝土坝早龄期开裂风险分析 一 卜 _ 一 l 一I 8浇筑一 2 8浇筑 一 _ - 7 7 = 0 7 I 保湿养护等综合性温控措施对减小早期仓面开裂风险 效果显著。 ( 3 ) 低温浇筑和层问长 间歇会在浇筑层仓面产生 较大的拉应力。入仓温度越低 ，产生 的拉应力越 大 ， 仓面开裂风险也越大；浇筑层间歇期越长 ，拉应力越 大 ，开裂风险也越大。因此 ，在制定温控方案时应选 择合适的浇筑温度 ，避免低温浇筑致裂问题。 时间 d 图1 1 低温浇筑、长间歇时仓面混凝土早龄期开裂风险 参考文献： 3 结语 ( 1 ) 混凝土坝厚浇筑层短间歇期 、均匀连续快速 浇筑新方法的应用 ，对加快混凝土坝建设进度 、施工 节资意义较大 。但浇筑层厚加大 、层间歇期缩短后 ， 混凝土开裂风险变大 ，应引起足够的重视。 ( 2 ) 相同的层问间歇期，混凝土坝浇筑层越厚 ，早 期仓面拉应力越大 ，仓面早期开裂风险也越大；相同 的浇筑层厚度 ，层 间间歇期越短 ，仓面拉应力越小 ， 仓面开裂风险也越小。仓面裂缝的产生是浇筑层 内外 温差 、间歇期环境温度的影响和混凝土表层干缩变形 综合作用 的结果。早期坝体内部通水冷却 、仓面保温 1 2 3 4 5 6 王海波 快 速浇筑条件下水工混凝土温度 应力特性和 防裂方 法 D 南京 ：河海大学 ，2 0 1 2 朱伯芳 大体 积混凝 土温度应 力与温度控制 M 北京 ：中国 电力 出版社 ，1 9 9 9 张彬 ，李文 ，马福军 锦屏一级水 电站高拱坝混凝 t快速 施 _ r 技术 J 四川水力发 电，2 0 1 1 ，3 0 ( 1 ) ：5 6 韩炳 兰 ，商永红 ，乐运红 向家坝水电站芹岸大坝混凝 L快速 施工 J 水力发 电，2 0 1 0，3 6 ( 2 ) ：3 8 - 4 0 Ha t t e l J H，Th o r b o r g J A n u me ri c a l mo d e l f o r p r e dic t i n g t h e t h e r - m o me c h a n i c a l c o n d i t i o n s d u ri n g h y d r a t i o n o f e a r l y a g e c o n c r e t e J Ap p l i e d Ma t h e ma t i c a l Mo d e l l i n g， 2 0 0 3，2 7： 1 - 2 6 张国新 ，刘 有志 ，马晓芳 混凝 土坝 低温人 仓致 裂问题 探 讨 J 水利水电技术，2 0 1 0，4 1 ( 7 ) ：4 5 4 8 ( 责任编辑郭利娜) - I -”卜 ” 卜 ” - + -” 卜 ”卜 ” - 卜 “ 卜 “ +”+“+”+”+”+”+“+”+”+”- t -”+“+ 简讯 水利部等十部门联合印发 实行最严格水资源管理制度考核工作实施方案 我国全面启动最严格水资源管理考核问责 近 13，水利部、发展改革委、工业和信息化部、财政部、 国土资源部、环境保护部、住房城乡建设部 、农业部 、审计 署和统计局等十部门联合印发了 实行最严格水资源管理制度 考核工作实施方案( 以下简称 实施方案 ) ，对考核组织、 程序、内容 、评分和结果使用做出明确规定，这标志着最严 格水资源管理制度考核工作全 面启 动。 实施方案 明确，由水利部等十部门组成考核工作组， 负责具体组织实施对全国3 1 个省级行政区落实最严格水资源 管理制度情况进行考核；考核对象为各省级行政区人民政府。 考核T作组办公室设在水利部 ，承担考核工作组的日常工作。 实施方案 指出，考核内容包括各省级行政区最严格水 资源管理制度 目标完成 、制度建设和措施落实情况两部分。 目标完成情况主要考核用水总量 、万元工业增加值用水量、 农田灌溉水有效利用系数和重要江河湖泊水功能区水质达标 率等 4项指标。制度建设和措施落实情况包括用水总量控制、 用水效率控制 、水功能区限制纳污、水资源管理责任和考核 等制度建设及相应措施落实情况。 实施方案 规定，水利部商考核工作组各成员单位 ，于 考核期内各年度 2月发布年度考核T作通知，明确对上一年 度或期末考核工作的具体要求。各省级行政区人民政府确定 年度目标和_T作计划，组织开展 自查，形成 自查报告。考核 工作组办公室综合 自查、核查和重点抽查结果，形成年度或 期末考 核报 告。 实施方案明确，考核结果划分为优秀、良好、合格、 不合格四个等级。年度 、期末考核结果经国务院审定后 向社 会公告 ，并 交由干部 主管部 门，作 为对各 省 级行 政 区人 民政 府主要负责人和领导班子综合考核评价的重要依据。对期末 考核结果为优秀的省级行政区人民政府，国务院予以通报表 扬 ，有关部门在相关项目安排上优先予以考虑。 实施方案 强调 ，对年度或期末考核结果不合格的省级 行政区人民政府，要在考核结果公告后 1个月内，向国务院 做出书面报告，提出限期整改措施。对整改不到位的，由相 关部门依法依纪追究该地区有关责任人员的责任。对在考核 工作中瞒报、谎报、漏报等弄虚作假行为的地区，予以通报 批评，对有关责任人员依法依纪追究责任。 ( 摘 自“ 中国水利 国际合作 与科技 网” 2 0 1 4年 2月 1 3日) 水利水电技术第4 5 卷2 0 1 4年第 2期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m