碾压混凝土拱坝裂缝成因与防裂措施分析.pdf

第 3 4卷第 7期 2 0 1 2年 7月 人民黄河 YELL 0W RI VER Vo 1 3 4 No 7 J u 1 2 0l 2 【 水利水 电工程 】 碾压混凝土拱坝裂缝成 因与防裂措施分析 杨远 斐 ， 包腾飞 。 ， 吕蓓蓓 ， 李金友 ， 陈善应 ( 1 河海大学 水利水电学院， 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ； 2 河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 江苏 南京2 1 0 0 9 8 ； 3 河海大学 水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心， 江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘 要： 以某碾压混凝土拱坝为例 ， 利用 A b a q u s有限元软件和 F o r t r a n编程相结合的方法建立了有限元模型， 对拱坝在 不同工况下的温度场和应力场进行了模拟计算， 分析坝体裂缝产生的原因及防裂措施。结果表明： 及时通水冷却可以大 大降低混凝土内部温度， 从而在很大程度上降低混凝土拉应力， 有效控制裂缝的产生； -3通水流量达到一定值后 ， 若再加 大通水流量。 则不能显著降低混凝土温度。为避免混凝土产生表面裂缝， 应采取降低混凝土出机口及入仓温度、 对仓面 进行保温及喷雾、 加快混凝土散热等温控措施。 关键词 ： 碾压混凝土 ；裂缝成 因；通水冷却 ；防裂 ；拱坝 中图分类号：T V 6 4 2 4 文献标识码： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j ， i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 2 0 7 0 4 8 An a l y s i s o n Cr a c k Ca us e s o f RCC a nd M e a s ur e s o f Cr a c k Co nt r o l YANG Yu a n f e i ， ，B AO T e n g f e i ， ，L V B e i b e i ，L I J i n y o u ，C HE N S h a n y i n g t 。 ( 1 C o l l e g e o fWa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o p o w e r ， Ho h a i U n iv e r s i t y ，N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ，C h i n a ； 2 S t a t e K e y L a b o r a t o r y ofH y d r o l o g y W a t e r R e s o u r c e s a n d H y d r a u l i c E n g i n e e n n g ，H o h a i U n i v e r s i t y ， ? C a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ，C h i n a； 3 N a t i o nal E n g i n e e n n g R e s e a r c h C e n t e r o f W a t e r R e s o u r c e s E ffi c i e n t U t i l iz a t i o n a n d E n g i n e e r i n g S a f e t y ， H o h a i U n iv e r s i t y ，N a n g 2 1 0 0 9 8 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Ta k i n g a c e r t a i n RCC a r c h d a m a s a n e x a mp l e ，a fin i t e e l e me n t mo d e l Wa S e s t a b l i s h e d by c o mb i n i n g Ab a q u s fi nit e e l e me n t s o f t wa r e wi t h Fo rtr a n p r o g r a mmi n g Th e s i mu l a t i o n c a l c u l a t i o n o f t h e t e mp e r a t u r e fi e l d a n d t h e s t r e s s fi e l d u n d e r d i f f e r e n t wo r k i n g c o n d i t i o n s w a s c a r r i e d o u t T h e ma i n c a u s e s o f t h e d a m c r a c k s we r e a n a l y z e dTh e r e s u l t s h o ws t h a t t h e wa t e r c o o l i n g i n t i me c a n r e d u c e c o n c r e t e i n t e r n a l t e mp e r a t u r e g r e a t l y，a n d r e du c e c o n c r e t e t e n s i l e s t r e s s t o a l a r g e e x t e n t a n d c o n t r o l t h e c r a c k s e f f e c t i v e l y Mo r e o v e r ，wh e n t h e d i s c h a r g e r e a c h e s t o a c e rta i n v a l u e，t h e i n 。 c r e a s e o f t h e d i s c h a r g e c a n n o t s i g nific a n t l y r e d u c e c o n c r e t e t e mp e r a t u r e T o a v o i d t h e c o n c r e t e s u r f a c e c r a c k s ，t h e t e mp e r a t u r e c o n t r o l me asu r e s l i k e l o we r i n g t h e t e mp e r a t u r e o f c o n c r e t e i n t h e mo u t h o f mi x e r p l a n t a n d t h e p l a c i n g t e mp e r a t u r e ，ware h o u s e f a c e i n s ul a t i o n a n d s p r a y，a n d s p e e d 。 i n g u p t h e c o n c r e t e h e a t d i s s i p a t i o n s h o u l d b e t a k e n Ke y wo r d s ：rol l e r c o mp a c t e d c o n c r e te；c r a c k c a u s e s ；wa t e r c o o l i n g s y s t e m ；c r a c k c o n t r o l ；arc h d am 与常规混凝土相 比， 碾压混凝 土添 加 了大 量 的粉煤灰 ， 水 泥用量相对减少 ， 因此水泥水化过程中绝热温升幅度降低。但 在实际工程施工中， 碾压混凝土的层间间歇时间较短， 施工速 度快 ， 浇筑热量若不能及时散失， 则会使混凝土结构产生危害 性裂缝。工程中多通过降低混凝土水化热温升、 控制出机口及 浇筑温度、 通水冷却 、 加强混凝土早期养护等措施控制有害 裂缝的产生。目前， 混凝土坝的温度场和应力场主要通过有限 元仿真分析来模拟， 进而可计算出其裂缝的产生情况。笔者通 过对铁川桥碾压混凝土拱坝在不同工况下的温度场和应力场 进行仿真模拟， 分析了坝体裂缝产生的主要原因， 并根据工程 实际情况提出了有效的防裂措施。 1 基本理论 内， 其非稳定温度场 T=r ( x ， y ， 。 ， t ) 应满足如下热传导方程 ： 警 = 。 ( 磐+ 雾+ ) + 式中： a为导温系数， m 2 h ； Q为单位体积水泥在单位时间内放出 的热量； c为 昆 凝土比热， k J ( k g o C) | p为混凝土密度， k g m 3 。 1 2 应力场求解的基本理论 混凝土的应力状态一般较复杂， 其应变增量多用如下公式 表示 ： 占 =A e ： + 占 ： + s + ： + ： ( 2 ) 式中： s ： 为自生体积变形增量； s ： 为干缩应变增量； A 6 为 温度应变增量； A s ： 为徐变应变增量； A e ： 为弹性应变增量。 1 3 冷却水管的模拟 ( 1 ) 有热源的水管冷却问题 。 。结合热传导方程 ( 1 ) 及 1 1 混 凝 土 温 度 场 基 本 理 论 晏 省 学 基 金 资 助 项 ( 。 I50 9。 1 ) 水 泥 在 水 化 过 程 中 会 放 热 ， 混 凝 土 温 度 场 问 题 为 有 内 热 构 霎 墓 扬 远 斐 。 一 女 ， 陕 西 西 安 人 硕 士 研 究 生 研 究 方 向 为 水 工 结 源、 温度随时间 t 变化的热传导问题。因此， 在混凝土区域 R E - m a i l ： 3 5 8 2 4 9 3 8 6 q q c o m 1 4 0 人 民 黄 河2 0 1 2年第 7期 混凝土温升公式 ( r )= r ) ( r为龄期) 得 ( )=0 0 0 ( ) ( 3 ) 式中： 为最终绝热温升； ( t ) 为 t 的函数， t 为时间。 用中点龄期 + 0 5 A 7计算 ( t ) 得 ( t )=e “ 一 r ) ( 4 ) 其中 a f ( r )= ， ( Jr + r )一 ， ( ) 式中 r ) 为任意 函数； b为与导温系数和水管直径有关 的 系数 。 如果混凝土初温 不等于冷却水温度 ， 则 T ( t ) =T w+( 一7 1 w ) ( )+0 o ( t ) ( 5 ) 式中： ( ) 为混凝土温度 的函数。 ( 2 ) 混凝土等效热传导方程。上述冷却管的计算公式中， 假定了单根冷却管为绝热边界。实际上， 混凝土与各介质的接 触面也会传递热量 ， 鉴于问题 比较复杂， 只能将冷却管视为负 热源进行近似求解， 混凝土等效热传导方程为 警= + ( 一 ) 警 o t ( 6 ) 式中： V为拉普拉斯算子。 2 仿真计算原理 通过对混凝土非稳定温度场及应力场进行求解， 可以模拟 出整个施工过程， 并可由计算结果预测出工程中坝体每个点在 任意时刻的温度和应力大小， 推断出坝体是否会产生裂缝以及 在哪些部位易产生裂缝等。在应用有限元软件对混凝土非稳 定温度场及应力场进行仿真模拟的过程中， 要尽量精确地模拟 实际工程的施工过程。具体包括施工过程中外界气温的变化、 太阳辐射、 风速的变化、 施工中间歇时间、 上下游水位的变化及 由以上因素引起的坝体边界条件的改变等 J ， 同时还应精致地 反映出坝体各点温度及应力的大小 、 开裂的部位、 裂缝扩展范 围及深度等。 A b a q u s 有限元软件和 F o r a n编程相结合的仿真计算方法 可以考虑上述各因素随施工及外部环境改变的动态变化 ， 并可 自动调整计算网格以适应施工情况， 达到较精确地模拟冷却水 管通水与不通水情况下混凝土结构内部的温度场及应力场的 目的 。 3 工程实例 3 1 ，工程概况 某碾压混凝土拱坝坝顶高程为 1 2 7 4 5 0 m， 最大坝高为 9 4 5 0 m， 坝顶 宽度 为 6 O 0 m， 坝底最大厚度 为2 O O 0 m， 厚 高比 为0 2 1 1 6 。工程等级为三等中型， 主要建筑物等级为3级， 次 要建筑物等级为4级 ， 抗震设防烈度为 8度。坝体共设置2条 诱导缝和2条横缝。在混凝土拱坝浇筑一半时， 现场检查发现 大坝拱冠梁附近上、 下游面各出现 1 条裂缝。经初步检查， 上 游面裂缝展布高程为 l 1 8 6 9 0一l 2 2 8 4 0 m， 长度约 4 1 5 0 m， 表面张开宽度为 2 5 m m， 高程 1 2 0 0 m以下的裂缝可见有水 或钙 质 充 填 物 ； 下 游 面 裂 缝 表 面 展 布 高 程 为 1 1 9 0 0 0一 一 1 2 2 8 4 0 m， 长度约3 8 4 0 m， 表面张开宽度为 1 3 m m， 裂缝暂 未见充填物。对裂缝进行了钻孔超声波检测， 结果表明， 裂缝 延伸深度大于检测孔深度 5 O 0 m， 且上游基坑积水抽干后 ， 坝 体 1 1 9 0 0 m高程廊道内基本无水。综上所述， 初步确定该裂 缝为贯穿性裂缝。 3 2 模型的建立 计算模型假定沿竖直方向为 轴、 横河向为 轴、 顺河向为 Y轴 ， 采用固定约束。拱坝主体每个浇筑层的模拟厚度为2 3 m。水库水温随气温变化， 由经验公式确定， 取库底水温为 1 2 ， 假定河床地段深2 0 0 m处的地温为 1 9 5， 并考虑了日照 的影响。有限元计算模型见图 1 。 一 图1 有限元计算模型 为了找出裂缝产生的根本原因， 根据工程的实际情况 ， 将 碾压混凝土拱坝分为 3个计算工况 ， 并利用 A b a q u s 有限元软 件和 F o r a n编程相结合的方法对 3种工况下混凝土温度及温 度应力进行了仿真分析。其中， 工况一为坝体冷却管不通水情 况 ( 实际工作状态) ； 工 况二 为冷 却管间距 为 1 5 m1 5 m， 通 水流量为2 0 L mi n ， 通水两周； 工况三为冷却管间距为1 5 m 1 5 m， 通水 流量 为 2 5 L m i n ， 通水两 周。 3 3 参数的选取 计算中碾压混凝土徐变度 C( t ， tr ) 见以下两式 ， 相关热学 参数见表 1 。 对于二级配碾压混凝土： C ( t ， r )=( 3 0+7 0 r 一 。 ) 1一e 一 。 一 + ( 1 0+4 0 r 。 。 ) 1一e - 0 ( 对 于三级配 碾压 混凝 土 ： C ( t ， )=( 一3 3 3+3 5 0 5 z n 0 0 ) 1一e n 0 6 卜 + ( 一2 5 1 4+2 6 9 7 r 一 。 。 。 ) f le 一 。 。 表 1 碾压混凝土相关热学参数 1 41 人 民 黄 河2 0 1 2年第 7期 3 4 计算结果及分析 各工况下拱冠梁处典型点最高温度、 最大主应力见表 2 。 工况一( 实际施工情况 ) 拱冠梁纵剖面 1 1 9 6 5 m高程处典型 点的温度历时曲线见图2 。各工况下拱冠梁纵剖面各典型点的 应力历时曲线见图3 。 表 2 各 工况下拱冠梁处典 型点最高温度 、 最大主应力 时间d 图 2 工况 一拱冠梁纵剖面下游各高程典型点温度历时 曲线 囊 I I 1 一 岂 罢 时I司 d ( c )工况三 图3 各工况拱冠梁纵剖面下游各高程典型点应力历时曲线 工况一的计算结果表明， 在坝体拱冠梁纵剖面 1 1 9 6 5 m 高程中心处最大温度为4 1 3， 而实测 1 1 9 5 m高程拱圈中心 最高温度为 4 O， 实测值和模拟值较为接近。 由图2可以看出， 在混凝土浇筑后， 各点温度在水化热的 1 4 2 作用下， 快速上升， 几天之内达到最高值。在冷却水管未通水 情况下( 工况一) 坝体内部最高温度达到4 2 4， 超过了设计 允许最高温度 3 7 o C； 在通水( 工况二、 三) 情况下， 坝体最高温 度会降至允许温度以下。因此， 冷却水管通水能够显著降低混 凝土 内部温度。 由图 3可知， 在浇筑结束后初期 ， 混凝土内部应力一般为 压应力， 随着水化热的散失 ， 温度下降， 压应力逐渐减小 ， 最终 转化为拉应力， 并随着龄期的增加而增大。 在冷却水管未通水情况下( 工况一) ， 坝体在高程 1 1 9 6 5 m以下整个断面的应力都超过了 1 5 MP a ( 拉应力) ， 越靠近建 基面， 拉应力越大， 最大值达到 4 MP a ， 出现在建基面附近的下 游侧 ， 这些部位的拉应力均超过 了碾压混凝土的允许拉裂应 力， 易产生贯穿性裂缝 ； 在高程 1 1 9 6 51 2 0 6 5 m、 上、 下游表 面至内部 1 5 m深部位的拉应力也超过了混凝土允许拉裂应 力， 易产生裂缝。在冷却水管通水后， 各断面的拉应力普遍减 小 ， 不会 出现整个断面应力超标 现象 ， 也不会 出现贯穿性 裂缝。 因此， 及时通水冷却可以大大降低混凝土内部温度， 从而在很 大程度上降低混凝土拉应力 ， 有效控制裂缝的产生。 在其他条件都相同的情况下， 通水流量达到一定值后 ， 继 续增大通水流量可降低混凝土最大温度和温度应力， 但效果不 明显。如工况二坝体最高温度为 3 3 4， 拱冠梁处相应的最 大主应力为 3 9 MP a ； 工况三( 将水管的通水流量由2 0 L ra i n 增大到 2 5 L mi n ) 坝体最高温度为3 3， 拱冠梁处相应的最大 主应力为 3 8 8 MP a 。因此， 当通水流量达到一定值后 ， 再加大 通水流量不能显著降低混凝土温度。 4 防裂措施 上述计算结果表明， 混凝土浇筑后及时采取通水冷却措 施， 可以有效降低混凝土的温度 ， 从而减小拉应力， 避免结构产 生贯穿性裂缝 ， 因此建议后期施工中要对混凝土进行通水冷 却。但是 ， 单靠通水冷却无法避免混凝土出现表面裂缝， 因此 还要采取其他温控措施 。 ( 1 ) 降低混凝土出机口及人仓温度。若混凝土出机口和现 场浇筑温度过大， 将直接导致后期混凝土温度过高。而从计算 结果可以看出， 实际浇筑情况下坝体确实产生了较大的温度。 因此， 在实际施工中， 应尽可能采取适当的措施降低出机口及 入仓温度。考虑到混凝土在高温季节浇筑， 可以对混凝土加冷 水拌和 ， 尽量在早晨或晚上施工， 条件允许的话还应该对骨料 进行预冷处理 。 ( 2 ) 对仓面进行保温及喷雾处理。由于此工程坝址所处位 置受阳光直射， 且日照强度很大， 新浇筑混凝土可能会出现热 量倒灌现象 ， 因此对混凝土仓面应采取保温措施。夏季浇筑 昆 凝土时， 为减少阳光直射强度 ， 可以对仓面进行喷雾降温。 ( 3 ) 加快混凝土散热。下层混凝土产生温度会受到上层新 浇混凝土温度的影响， 而浇筑层之间间歇时间越短， 混凝土内 部温度 下降越慢 。因此 ， 在以后的施工 中可 以适 当延 长浇筑层 之间的间歇时间， 加强散热。在高温季节应采取厚块浇筑 ， 防 止因气温过高而出现热量倒灌现象。 ( 下 转第 1 4 5页) 人 民 黄 河2 0 1 2 年第 7 期 3 结语 围井试验法的本质是抽检法， 由于造价较高， 布置数量有 限， 不可能全面反映整个 防渗工程的质量状况， 因此在运用时 应尽可能选取渗漏严重或典型的地质地段， 并与其他检验方法 相结合 ， 进行综合评定。如采用浅层开挖直接观察防渗墙的外 观和成墙效果， 施工前后观测浸润线变化等， 综合评价防渗墙 的施工质量和防渗效果 。由于高压喷射灌浆属于隐蔽工程， 防渗墙的防渗性能又直接决定着工程质量， 因此采用既科学又 切合实际的方法来检测其防渗质量具有重要意义。 参考文献 ： 1 张启岳 土坝加固技术 M 北京： 中国水利水电出版社， 1 9 9 8 2 朱日军 高压喷射灌浆技术在水利防渗工程中的应用 J 2 0 0 5( 3 )： 2 83 1 3 李兴刚 高压喷射灌浆技术在某防渗墙施工中的应用 J 3 2( 1 2 ) ： 2 1 72 1 9 广 西水利水 电 人 民黄河， 2 0 1 0 4 马家岩 水库大坝高压帷幕灌浆试验研究 J 人民黄河， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 8 ) ： 9 1 9 3 5 肖重华， 刘龙虎， 刘恒福， 等 高压喷射灌浆防渗技术在水库大坝基础处理 中的应用 J 水文地质工程地质 ， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 1 2 6 1 2 8 6 中国水利水电基础工程局， 山东省水利科学研究院， 水利部建设与管理总 站 D L T 5 2 0 0 -2 0 0 4水电水利工程高压喷射灌浆技术规范 s 北京： 中国 电力出版社 ， 2 0 0 5 7 孙杜生 高压喷射灌浆防渗质量检测方法探讨 J 施工技术， 2 0 0 8 (5 ) ： 5 55 6 【 责任编辑吕艳梅】 ( 上接第 1 3 9页) 3 结论 抗滑桩弹性模量增大， 使得水平推力有所增大， 但不明显， 同时 ， 一般混凝 土的弹性模量 为 2 0 3 5 G P a ， 在 这个变 化范 围 内， 桩后土压力合力和桩身土压力分布都没有显著变化； 滑床 土弹性模量增大， 可以有效抑制桩的变形， 使桩后土压力合力 增大， 土压力分布趋于均匀， 计算时应予以考虑； 滑体土弹性模 量的增大对桩后土压力合力影响不大， 但对桩身土压力的分布 影响较大， 设计抗滑桩时应予以考虑； 随着滑带土弹性模量的 增大， 桩后土压力合力逐渐减小， 且土压力分布趋于均匀。 参考文献 ： 2 3 4 林峰， 黄润秋 边坡稳定性极限平衡条分法的探讨 J 地质灾害与环境保 护 ， 1 9 9 7 ， 8 ( 4 ) ： l 0 1 2 郑颖人， 赵尚毅， 宋雅坤 有限元强度折减法研究进展 J 后勤工程学院学 报 ， 2 0 0 5( 3 )： 15 张鲁渝， 郑颖人， 时卫民 边坡稳定分析中关于不平衡推力法的讨论 J 岩 石力学与工程学报， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 1 ) ： 1 7 7 1 8 2 郑颖人， 陈祖煜， 王恭先， 等 边坡与滑坡工程治理 M 北京： 人民交通出 版社 ， 2 O l O 【 责任编辑吕艳梅】 ( 上接第 1 4 2页) 5 结语 从各工况的计算结果可知， 造成某坝体碾压混凝土产生温 度裂缝的主要原因是混凝土施工过程中没有及时采取通水冷 却降温措施 ， 导致坝体混凝土温升过大， 产生的拉应力超过 了 混凝土的抗拉强度， 致使拱冠粱处出现大范围的贯穿性裂缝。 在坝体埋设冷却水管并及时通水降温可以有效控制贯穿性温 度裂缝的产生， 并且采取增大通水流量、 仓面保温等措施可进 一 步降低混凝土温度和温度应力 ， 缩小裂缝的范围和深度。 参考文献 ： 1 陈显 大体积混凝土裂缝成因分析及其防治措施探讨 J 水利科技， 2 0 0 6 ( 3 )： 3 83 9 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 3 朱伯芳， 蔡建波 混凝土坝水管冷却效果的有限元分析 J 水利学报， 1 9 8 5 ( 4 )： 2 73 6 4 曹为民， 吴健， 闪黎 水闸闸墩温度场及应力场仿真分析 J 河海大学学 报 ： 自然科学版 。 2 0 0 2 ， 3 0 ( 5 ) ： 4 8 5 2 5 朱振泱， 强晟， 王海波， 等 冬季浇筑碾压混凝土坝温控防裂研究 J 水电 能源科学 ， 2 0 1 1 ， 2 9 ( 1 ) ： 4 5 4 7 6 神来宾 闸墩混凝土温度裂缝及预防措施 J 人 民黄河 ， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 8 ) ： 6 2 6 4 【 责任编辑张华岩】 1 4 5