堆石坝面板混凝土冬季施工期防裂措施研究

　　[摘 要] 以青杉水库面板混凝土冬季施工为例，提出 3 种面板混凝土裂缝防控施工方案。数值分析结果表明，在 6℃ ～ 10℃的浇筑温度下，掺入微膨胀剂 + 厚 8 cm 聚苯乙烯泡沫塑料保温板进行保温，能够显著降低面板混凝土的早期开裂风险; 在此施工环境下，不建议对面板混凝土进行配筋，同时还应尽量减少与垫层的约束，在混凝土养护期间应严格执行保温、保湿措施，直至水库蓄水。

　　[关键词] 面板混凝土; 微膨胀剂; 聚苯乙烯泡沫塑料保温板; 防裂措施; 配筋; 垫层约束

　　1 工程概况

　　重庆市云阳县青杉水库工程是一座以农业灌溉、场镇和农村供水为主，兼有发电等综合效益的中型水利工程，设计灌溉面积3 057. 333 hm2，总库容1 084 ×104 m3，正常蓄水位 746. 00 m，为混凝土面板堆石坝，坝顶长度 137 m，最大坝高63 m。面板混凝土设计强度等级 C25，抗渗等级 W10，抗冻等级 F100，承受最大水力梯度 126，水胶比为 0. 4，砂率为 34%。面板混凝土采用二级配骨料，面板采用单层双向配筋，布置在面板截面中部，各向平均含筋率为 0. 35%。

　　2 计算参数与模型

　　2. 1 气象、水文、地质数据

　　1) 气象。库区多年平均降雨量1 350 mm，多年 平 均 蒸 发 量 1 323. 6 mm，多 年 平 均 气 温18. 7℃，极 端 最 低 气 温 - 4℃，极 端 最 高 气 温41. 7℃，多年平均风速 1. 5 m /s，多年平均最大风速 9. 9 m /s，平均相对湿度 74% 。

　　2) 水文。库区坝址以上流域面积43. 9 km2，多年平均径流量3 473 × 104 m3，多年平均输沙量3. 07 × 104 t。水库校核洪水位 747. 55 m( 校核工况 P = 0. 1% ) ，对应洪峰流量为 786 m3 /s，对应库容1 084 × 104 m3，设计洪水位 746 m( 设计工况P = 2% ) ，对应洪峰流量为 510 m3 /s，对应库容997 × 104 m3，正常蓄水位 746 m，死水位 714 m，消能防冲设计洪水重现期 30 年，相应洪峰流量462 m3 /s。

　　3) 地质。库区坝址处主要以微风化岩屑石英、弱风化砂岩夹粉砂岩、胶结结构面、无充填结构面、充填结构面等岩体为主。

　　2. 2 材料参数面板混凝土设计

　　标号为 C25W10F100，容重为2 400 kg /m3，比热值为0. 9 kJ/( kg·℃) ，导温系数为3. 8 ×10 -3 m2 /h，导热系数为 8. 66 kJ/( m·h·℃) ，线膨 胀 系 数 为 8. 4 × 10 - 6 /℃，泊 松 比 取 值 为0. 16，绝热温升表达式为 θ = 37( 1 - e - 0. 4τ0. 9) ，弹模与龄期的关系式为 E = 36. 8( 1 - e - 0. 32τ0. 9) ，混凝土的湿度扩散系数取值为 5 × 10 - 6 m2 /h，表面湿度交换系数取值为 2 × 10 - 4 m /h，收缩系数取值为 2 × 10 - 4，试验得到的面板混凝土自生体积变形规律。

　　2. 3 有限元模型

　　根据青杉水库堆石坝面板混凝土结构设计情况，模型考虑了大坝基岩、堆石结构、垫层以及面板混凝土等结构，将面板中间河床最深块面板作为研究对象建立有限元模型[1]。模型坝基基岩采用全约束，侧向采用法向约束，模型面板混凝土与气温接触部分加载第三类散热边界，与水接触部分加载第一类散热边界，面板沿厚度方向划分为 3 层，面板与垫层之间设置无厚度的缝单元; 沿河流下游方向为 X 正方向，沿坝体左岸为Y 正方向，沿大坝轴线垂直方向为 Z 正方向; 有限元模型采用 8 节点 6 面体单元，将模型划分为包括127 344个单元、141 947个节点的网络模型。

　　3 施工防裂措施比选

　　3. 1 施工防裂措施方案设计

　　面板混凝土开裂一般是由温度变形、干缩变形、材料性质、垫层约束等内外因素共同决定的，防止开裂一是要提高面板混凝土的抗拉能力，二是要降低面板混凝土的受拉应力[2 - 3]。通过对众多面板混凝土工程施工总结: 保温效果越好时，面板混凝土的早龄期开裂风险会显著降低，面板混凝土中掺入密集钢筋，会明显加大结构的刚度，从而导致结构在相同温度下承受的结构应力增大，同时减少面板混凝土垫层对面的约束作用，也可以在很大程度上降低混凝土开裂的可能性[4]。因此，为提高混凝土面板的安全性，减少面板的开裂程度，设计 3 种面板混凝土裂缝防控方案[5 - 7]。

　　方案一: 浇筑温度 6℃，采用厚 8 cm 的聚苯乙烯泡沫塑料保温板进行保温，面板不配筋，减少与垫层的约束，施工时采取两次浇筑成型方式。方案二: 浇筑温度 6℃，采用厚 8 cm 的聚苯乙烯泡沫塑料保温板进行保温，面板不配筋，减少与垫层的约束，但在混凝土搅拌过程中添加微膨胀剂，施工时采取一次浇筑成型方式。方案三: 浇筑温度为 10℃，采用厚 8 cm 的聚苯乙烯泡沫塑料保温板进行保温，面板不配筋，减少与垫层的约束，在混凝土搅拌过程中添加微膨胀剂，施工时采取一次浇筑成型方式。在模拟过程中，面板混凝土自身变形、线性膨胀系数以及绝热温升均采用 2. 2 小节混凝土试验值。

　　3. 2 模拟结果

　　根据计算可知，在施工阶段，面板混凝土开裂危险点集中于面板表面的中高程位置。因此，取面板表面中高程位置点作为模拟分析点。在 3 种施工方案情况下，面板混凝土坝坡向的应力值相差不大，具体排序为方案一 > 方案三 > 方案二。随着混凝土龄期的增长，混凝土坝坡向的应力在前 10d 呈负数，表明此时混凝土还承受压应力; 龄期超过 10 d后，混凝土内部水化热持续释放，造成内外部温度差增大，混凝土开始受拉，且随着龄期增长，应力不断增大，并在 30 d 左右达到稳定值。从整体上看，3 种施工方案的应力值均远小于允许抗拉强度值，即使叠加日寒潮和配筋以及浇筑温度升高至 10℃带来的应力增量，面板混凝土的安全系数仍能大于 1. 8，能够较好地避免早期裂缝的产生。3 种施工方案下的坝轴向应力变化走势有所区别。

　　在方案一下，由于没有向混凝土添加微膨胀剂，因此，混凝土一开始就受到拉应力，但在前10 d 的增量比较小，仅为 0. 15 MPa，10 ～ 30 d 是拉应力增长较快的时间段，龄期达到 60 d 后，混凝土的应力达到 1. 15 MPa; 方案二和方案三的坝轴向应力在前 10 d 基本呈负数，此时混凝土受压应力，10 ～ 14 d 后，混凝土坝轴向应力由压应力变为拉应力，但拉应力的增长幅度非常小，均小于 0. 2 MPa，此后拉应力基本呈稳定状态，这表明向混凝土中掺入微膨胀剂可以延缓和减轻混凝土的自 收 缩 变 形，从 而 降 低 混 凝 土 坝 轴 向 的受力。

　　3. 3 讨 论

　　从模拟结果来看，3 种施工方案下，均能很好地控制面板混凝土的早期开裂，坝坡向和坝轴向的应力均小于允许抗拉强度，方案二和方案三在添加微膨胀剂后，抑制开裂的效果更佳。因此，建议面板混凝土应采取如下施工方案: 施工期浇筑温度不宜高于 10℃，最好为 6℃ - 8℃，采用一次浇筑方式，浇筑时掺入微膨胀剂，避免自然入仓，在混凝土养护期间应严格执行保温保湿措施，直至水库蓄水，聚苯乙烯泡沫塑料保温板的厚度不宜低于 8 cm，可达到最佳的抑制面板混凝土施工期开裂的效果。

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　　4 结 语

　　基于有限元数值模拟，从保温措施、配筋措施以及垫层约束 3 个主要方面考虑，提出 3 种不同堆石坝面板混凝土冬季施工期防裂措施。结果表明，当采用一次浇筑方式时，混凝土的浇筑温度宜控制在 10℃以下，在浇筑时应采用掺入微膨胀剂 + 厚 8 cm 聚苯乙烯泡沫塑料保温板进行保温，不建议面板混凝土配筋; 同时还应该尽量减少与垫层的约束，可以达到最佳的抑制面板混凝土施工期开裂的效果。

　　[参考文献]

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　　[6] 金海，杨志祥，金建峰，等 . 闲林水库堆石坝趾板及面板混凝土防裂试验研究[J]. 浙江水利水电学院学报，2014，26( 1) : 25 - 28.

　　作者：张松斌

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