快速浇筑情况下随机因素对混凝土坝开裂影响分析.pdf

水 力 发 电 第 3 9 卷第 7 期 2 0 1 3年7月 懊 逮 藐 筑 情 况 下 随 讥 因 素 对 混 凝 土 坝 开 裂 景 乏 晌 分 析 王海波 ，王仁坤 ，宋 猛 ( 中国水 电顾 问集 团成都勘测设计研 究院 ，四川 成都 6 1 0 0 7 2 ) 摘 要 ：混凝土坝厚浇筑层 、短间歇期 、均匀连续快速施 工方法 的应用对加快混凝土坝建设进度 、施工节资意义重 大 ，但 采用 快速施工方法 引起 的混凝土坝仓面裂缝问题值 得重视。以某在建混凝土重力坝为例 ，分析与探讨 了低温 浇筑及长间歇、气温骤 降等随机 因素下 ，快速浇筑混凝土坝仓面的应力 特性 和裂缝机理 ，对早龄期混凝 土坝仓 面开 裂风险进行 了深入分析研究 ，提 出以温度的空 间梯度和时间梯度作为混凝土开裂风险的判别指标更为合理。 关键词 ：混凝土坝 ；快速浇筑 ；随机因素 ；开裂 I n fl u e n c e An y s i s o f Ra n d o m F a c t o r s o n Co n c r e t e Da m Cr a c k i n g u n d e r Ra p i d Co n s t r u c t i o n WANG Ha i b o ， W ANG Re n k u n ， S O NG Me 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 ) Ab s t r a c t T h e r a p i d c o n s t r u c t i o n me t h o d o f t h i c k- l a y e r p o u r i n g a n d s h o r t e r i n t e r v a l c a n s i g n i fi c a n t l y s p e d u p c o n c r e t e d a m c o n s t ruc t i o n a n d s a v e c o n s t ruc t i o n c o s t s , b u t t h e p r o b l e ms o f c o n c r e t e s u r f a c e c r a c k i n g c a u s e d b y t h i s me t h o d s h o u l d b e p a i d e n o u g h a t t e n t i o n T a k i n g a c o n c r e t e g r a v i t y d a m u n d e r c o n s t ruc t i o n a s c a s e s t u d y ,t h e s t r e s s c h a r a c t e r i s t i c a n d c r a c k i n g me c h a n i s m o f c o n c r e t e s u r f a c e a n d t h e c r a c k i n g r i s k a t e a r l y a g e u n d e r t h e c o n d i t i o n s o f c o n c r e t e p o u ri n g w i t h a l o w t e mp e r a t u r e a n d l o n g i n t e r v a l a r e a n a l y z e d Th i s s t u d y s h o w t h a t t a k i n g s p a t i a l a n d t i me g r a d i e n t s o f t e mp e r a t u r e a s d i s c ri mi n a t i o n i n d e x o f c o n c r e t e c r a c k i n g r i s k i s mo r e r e a s o n a b l e Ke y W o r d s ： c o n c r e t e d a m； r a p i d c o n c r e t e p o u rin g ； r a n d o m f a c t o r ； c r a c k i n g 中图分类号 ： T V 3 1 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 0 3 0 0 3 0 引言 在 水 电工 程 建 设 中 ，随 着 施 工 技 术 水 平 的 提 高 、 混 凝 土 浇 筑 能 力 的 提 升 ， 混 凝 土 坝 建 设 速 度 越 来 越 快 ，在 提 前 蓄水 发 电尽 快 发挥 经 济社 会 效 益 的迫 切 要 求下 ，突破传 统 3 0 1T I 层厚 常态 混凝 土浇 筑 技术 ， 加 大 混凝 土 浇 筑 层 厚( 浇 筑 层 厚度 由 3 0 m 增 加 至 4 5 m 或 6 0 I n，甚 至更 厚 )、短 间歇 期( 浇 筑 层 间 歇 期 缩 短至 7 d以内 )的快 速 浇筑 方 法 是 混凝 土浇 筑 研究 的新方 向 1 - 3 。然 而 ，在 实 际工程 中 ，限制大 坝 快 速 上 升 的 因 素 有 很 多 ，混 凝 土 坝 快 速 浇 筑 方 法 不可 避 免会 受 到骨 料 供应 不 足 、混 凝 土浇 筑 手段 的 限制 和施 工 组 织等 影 响 而 出现层 面长 间歇 。实 践表 明 层 面 长 间 歇 对 混 凝 土 防 裂 较 为 不 利 。 如 若 层 面 长 间歇 期 间再 遭 遇寒 潮 冷击 等 恶 劣天 气 ，则 不 利影 响 会加 剧 。基 于 此 ，本 文研 究 并 分析 了快速 浇 筑 情 况 下 一 些 随 机 出 现 的 因 素 ， 如 低 温 浇 筑 及 层 间 长 问 歇 、气 温 骤 降 与 昼 夜 温 差 大 等 对 混 凝 土 坝 防 裂 的 不 利 影 响 ，尝 试 提 出 混 凝 土 早 龄 期 开 裂 J x L 险 的 判 别 指 标 。 1 混凝土早龄期开裂风险 混 凝 土 早 龄 期 时 的 开 裂 风 险 _4 _ I 一 般 采 用 下 式 来 描 述 叼 式 中 ，卵 为 开 裂 风 险 因 子 ；o - ( t ) 为t 时 刻 混 凝 土 受 到 的 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 9 0 3 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 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 ，主要从事 水工混凝土温控防裂研究 第 3 9卷第 7 期 王海波， 等： 快速浇筑情况下随机因素对混凝土坝开裂影响分析 拉应 力 ； Z( t ) 为 时刻混 凝 土 的抗拉 强 度 ； 为 临 界开 裂 风 险 ( ) 和厂 = ( ) 两 个 函数 综 合 考 虑 了混 凝 土 抗 拉 强 度 、弹性 模 量 、极 限 拉伸 、徐 变 变形 、 白生 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 因子 叼是一 个 全 面 的综合 评 价 指标 ，可 量化 评 价 混 凝 土抗 裂 性 能 。在 国 内 大 坝 温 控 计 算 中 ，钾也 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 7r l ， 开 裂 可 能 性 较 大 ；叼 0 7，不 大 可 能 开 裂 2 低温浇筑及层间长间歇 引 入 混 凝 土 开 裂 风 险 因 子 来 评 价 仓 面 混 凝 土 早 龄 期 的 开 裂 风 险 。 以 图 1所 示 某 混 凝 土 坝 段 为 分 析 研究 对 象 考 察 的浇 筑层 混 凝 土 浇筑 时 间 为 大坝 混 凝 土 浇 筑 的 第 7 2 d， 浇 筑 层 厚 3 0 I n。 对 比 两 种 工 况 ：工 况 1 。 浇 筑 温 度 为 2 8 ，层 间 间 歇 7 d后 上 层 覆 盖 新 混 凝 土 新 混 凝 土 的 浇 筑 温 度 同 为 2 8 。 工 况 2 。 浇 筑 温 度 为 2 8 o C， 长 间 歇 2 0 d后 再 浇 筑 上 层 新 混 凝 土 ，新 混 凝 土 的 浇 筑 温 度 为1 8 。 混凝 土 主要 热学 和力 学参 数见 表 1 。 图 1 混凝土坝体计 算模型 表 1 混凝土主要热学和 物理 力学参数 目 糯 导热系数导温系 比热 弹性模线涨 密度 绝热 “ ： Mk J 数 a c k J 量 系数 p 温升 ( n l h o C) - 1 n l h 一 ( k g - ) 一 G P a 1 0 一 k J m- 3 9 o C C2 0 1 1 78 00 0 5 3 0 9 6 2 5 0 0 6 6 2 4 5 0 0 2 8 0 图 2和 图 3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 及 早 龄 期 开 裂 风 险 因 子 。从 图 2、3可 知 ： ( 1 )长 间歇 期 间仓 面混 凝 土 温度 持 续下 降 而 浇筑 块 内部温 度 不 断 上升 ，仓 面早 期 内外 温差 和 表 层混 凝 土 干燥 收 缩致 使 混凝 土 拉 应 力 达到 1 1 3 MP a ( 图 2 b ) ，早 龄期 开 裂风 险 因子 超 过 0 7，开 裂 可 能 性 较 大 赠 14 一 翌 、 一 J 一 1 2 E2 一 工况1一 0 时间 d 图 3低 温 浇 筑 、层 间 长 间歇 时 仓面 开 裂风 险 ( 2 ) 层 间 间 歇 2 0 d后 大 坝 仓 面 混 凝 土 温 度 在 3 3 9 o C左 右( 图 2 a ) ， 1 8 的 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 在 短 时 间 内降至 新 老混 凝 土 的平 均值 2 8 1 o C，瞬间 温差 作 用 下 的 仓 面 混 凝 土 瞬 时 降 温 幅 度 为 5 8 c c仓 面 混 凝 土 瞬 间 出现 较 大 的温 度 梯度 。实 际上 ，如若 层 面 间歇 时 间 只 有 7 d，则 此 时 大 坝 仓 面 混 凝 土 温 度 会 更 高( 3 7 2 o C) ，瞬 间的低 温混 凝 土浇 筑引起 的仓 面 老 混 凝 土 的 降温 幅 度会 更 大 ，而冷 击 应力 的大 小 与 降 温 引 起 的 温 度 梯 度 变 化 成 正 比 。 如 此 大 的 降 温 幅 度 足 以 引 起 仓 面 混 凝 土 的 开 裂 。 另 外 ，下 部 混 凝 土 受 上 部 低 温浇 筑 影 响会 产 生 拉应 力 ，而上 部 混凝 土 水 化 热 温 升 时 也 会 在 下 部 混 凝 土 引 起 拉 应 力 这 样 产 生 的温度 应力 会有 相 当一部 分残 留在 混凝 土 内部 。 当坝 体 内部 残 留拉应 力 与 后期 温 降 引起 的拉应 力 迭 加 则 加 大 引起 裂 缝 的可 能 或使 已有 的 小裂 缝 扩展 形 成 宏 观 危 害 性 裂 缝 。 混 凝 土 坝快 速 浇筑 条 件 下 常 因混 凝 土 浇筑 强 度 不 能 满足 要 求 或其 他 原 因 ，出现层 面长 间 歇 ，算 例 研 究表 明 ，仓 面长 间歇 对混 凝 土 防裂 极 为不 利 ： 同 时 ，浇筑 温 度并 非 越 低 对混 凝 土 防裂 越 有利 工 程 实践 中应 对 上述 两 种 不利 情 况 给予 足 够 的重 视 。高 2 0 1 3钲 7月 l f ， 水 力 发 电 2 0 1 3年 7月 泰 普水 电站 帷幕 灌 浆为 例 ，该 工 程 大坝 帷 幕灌 浆 于 1 9 7 8年 1 9 8 2年 施工 ，灌 浆孔 钻 进 主要 采用 潜 孔 钻 机 ，灌浆 泵 主要 采 用液 力变 矩泵 ，灌浆 浆 液 采用 稳 定 性 浆液 ，灌浆 方 法采 用 自下而 上 纯压 式 灌浆 ，这 些 设 备 工 效 都 很 高 ，施 _T质 量 可 达 到 欧 洲 的标 准 。 与 之 相 比 ， 我 国 孔 口封 闭 灌 浆 法 的 一 般 工 效 仅 为 伊 泰 普 工 程 的 1 4或 更 低 ，而 且 施 工 劳 动强 度 大 重 复 劳 动多 ，浆液 浪 费多 ，单位 丁 程 量 能耗 大 ，技 术 含 量 低 ， 随 意 性 大( 作 弊 的 机 会 多 ) ，监 理 难 度 大 ， 十 分 有 必 要 逐 步 淘 汰 。 该 法 的 最 大 优 点 是 灌 浆 质 量 的保 证 率较 高 ，只 要认 真 施 工 帷幕 防渗 标 准达 到 1 L u不 困难 ，但 由 于上述 的多 方面 原 因 这 一 优点 也 正 在 丧 失 灌 浆技 术 的全 面升 级是 一 个 大题 目涉 及 我 国 相 关设 计 和施 工 规 范 的重 要修 改 。但 笔 者认 为这 总 是 一个 方 向。做 到 了这 一 点 ，也 许 灌浆 施 工 的种 种 乱 象可 以大 大减少 或根 除 。 6 结语 ( 1 ) 当 前 灌 浆 工 程 施 工 中 出 现 了 许 多 乱 象 ，主 要 有 ：灌 浆 资料 严 重 大 面积 失真 、灌浆 记 录 仪等 监 控 设施 形 同虚设 、T程 量 和 _丁程 费 计算 不 合 理 、灌 浆 质 量及 工 程投 资 失控 。分析 其 直 接原 因是 承包 商 失信 、监 理 失察 、业 主压 价 ，其 根 本原 因则 是计 量 制 度 不 合 理 ( 2)水 电行 业灌 浆 工 程量 计 量 主要 采用 的灰 量 计 量 法 具 有 计 量 指 标 模 糊 、鼓 励 浪 费 、容 易 作 弊 、 价 格波 动范 围大 的严重 缺陷 ，必须 改进 或废止 。 ( 3)灌 浆 丁 程 量 计 量 建 议 研 究 采 用 进 尺 计 量 法 、 ( 上 接 第 3 2页 )体上 游迎 水 面有 防 渗要 求 ，不 容许 出 现 裂 缝 ，上 游 面 的 温 控 防 裂 措 施 应 较 下 游 面 严 格 。 4 结语 综 上 分 析 研 究 发 现 ， 温 度 梯 度 是 引 起 混 凝 土 开 裂 的主 要原 因 ，其 可 作 为混 凝 土开 裂 风 险 的判别 指 标 。 低 温 浇 筑 引 起 仓 面 混 凝 土 温 度 的 空 间 梯 度 瞬 问 增大 是其 致 裂 主 因 ；气温 骤 降 引起 表层 混 凝 土温 度 的 时间 和空 间梯度 增 大 是其 致裂 主 因 。传 统 的以 内外 温 差 作 为判 别混 凝 土 开 裂 的指 标 是 不 全 面 的 。 笔 者认 为 以温 度 的空 间 梯度 和 时 间梯 度作 为 混凝 土 开 裂风 险 的判 别指 标 较 传统 的以 内外 温差 作 为 判 别 指 标更 为 全 面 、合 理 。浇 筑层 仓 面 和坝 体表 面 的 防裂 应从 减 小 表层 混凝 土 的降温 幅 度 、温 度梯 度 等 综合 计量 法 、工料 分 离计 量 法 ，或 者对 灰 量计 量 法 改进 ，增加 单位进 尺 的基价 。 ( 4)要 剥 离 灌 浆 记 录 仪 的“ 贸 易 结 算 计 量 器 具 ” 功 能 ，使 记 录 仪 记 录 的数 据 只作 为技 术 分 析 资 料 不 作 为 工 程 结 算 的 依 据 ，从 而 使 记 录 仪 摆 脱 利 益 的 干扰 ，如实地 记 录灌浆信 息 。 ( 5)消 除灌浆 乱象 还要加 强管 理 ，优选 承包 商 禁止 或规 范 工 程分 包 ，加 强 水泥 材 料管 理 ，强化 第 三方 检查 ，聘请 咨 询 专 家 团 ，建 立 参建 各 方 和谐 的 _丁 作 关 系 。 ( 6)从 长远 看 ，灌 浆行 业 的 发展 要靠 技 术 和 理 念创 新 ，进 一 步提 高 施 _ =T = 机 械化 程 度 ，减 轻 劳动 强 度 ，改善 劳 动 条 件 ，提 高技 术 含量 和劳 动 生 产 率 吸 引 和 留住 优 秀 人 才 ，实 现 技 术 升 级 ( 7 ) 灌 浆 工 程 量 的 计 量 计 价 非 常 复 杂 和 困 难 ， 世 界 上 至 今 没 有 最 好 的 解 决 方 式 。 改 变 和 改 进 现 行 的 灰 量 计 量 法 ，一 定 会 对 改 观 我 国 当 前 的 灌 浆 工 程 市 场 乱 象 发 挥 重 大 作 用 ，但 探 索 和 创 新 应 当 是 长 期 的 。 参考文献 ： 1 夏可风 关于灌浆工程量计量方法的研讨 与建议 J 水力发 电， 2 0 0 6，3 2 ( 1 0 ) ： 5 6 5 9 2 G 隆巴迪 ，等，灌浆设计 和控制的 G I N法 J 张志 良， 译 水 力 发电 与坝工建设 1 9 9 3 ( 6 ) ：1 5 2 2 3 夏可风 ，主编 水利水电_I = 程施工手册 ：第 1卷 地 基与基础 工 程 M 北京 ：中国电力出版社 ，2 0 0 4 4 K E N We a v e r 大坝基础灌浆 M 中国水利水 电： 程 总公 司科技 办、中国水利水电基 础工程局科研所 ，泽 1 9 9 5 ( 责任 编辑王 琪 ) 着 手 。 参考文献 ： 1 强晟 ，朱 岳明 混凝 土坝厚层 短歇的快 速浇筑方 法及应 用 J 三峡大学学报： 自然科学版 2 0 1 0 ( 4 ) ： 3 8 4 1 2 张彬 ，李文 ，马福 军 锦屏一级 水 电站高拱 坝混凝土快速施 工 技术 J 四川 I 水力发电 ，2 0 l l ( 2 ) ： 5 - 7 3 韩炳兰 ，商永红 ，乐运 红 向家坝水 电站左 岸大坝混凝 土快速 施工 J 水力发电 ，2 0 1 0 ( 2 ) ： 3 8 4 0 4 A L T O U B A T S A， L A N C E D A C r e e p ，s h ri n k a g e a n d c r a c k i n g o f r e s t r a i n e d c o n c r e t e a t e a r l y a g e J A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l ，2 0 0 1 ， 9 8f 41 ：3 2 3 3 3 1 5 陈波 ，蔡跃波 ，丁建彤 大坝混凝 土抗裂性 综合评 价指标 J 混凝土，2 0 0 8 ( 1 O ) ： 5 - 7 ( 责任 编辑焦雪梅 )