混凝土裂缝控制理论下的水利工程施工技术

王永华

(聊城市东昌府区水务局，山东 聊城 252000)

水是人类生产生活中必不可少的资源之一，但其自然存在的状态并不完全符合人类的需要。因此为保证水资源能够为人类所用，修建水利工程是重要举措。水利工程可以控制和调配自然界的地表水和地下水，防止洪涝灾害，达到除害兴利目的，满足人们生产生活需要[1]。施工是水利工程修建过程中重要的一个阶段，在这一阶段中，用到的施工技术有地基处理技术、施工导流与截流技术、水坠坝施工技术、混凝土坝施工技术。其中最后一项是水利工程施工中关键技术之一。但在混凝土大坝修筑过程中，经常因各种原因导致坝体出现一些裂缝，对整个水利工程的修建质量造成严重影响，缩短工程使用寿命，影响人们正常用水活动，增加水患灾害风险。因此为避免或减少裂缝产生，改进传统混凝土坝施工技术必不可少[2]。混凝土裂缝控制理论下的水利工程施工技术以温差裂缝控制为主要研究内容，分为两步：一是确定混凝土内部与外部环境之间的温差，是整个技术中最难也是最复杂的一步，因此在文中重点介绍；二是根据确定的温差，按照温差标准，判断是否会产生裂缝，如果产生裂缝，应如何应对。为验证混凝土裂缝控制理论下的水利工程施工技术的有效性，进行对比实验。结果表明：混凝土裂缝控制理论下的水利工程施工技术与传统水利工程施工技术相比，裂缝控制效果更好。

1 混凝土坝裂缝产生的原因

(1)混凝土坝原料配置不合理或在搅拌过程中粗料厚度过大但振捣工作不充分、不均匀，造成沉降裂缝。

(2)混凝土在成坝变硬过程中，混凝土发生体积形变，而这股力量会与混凝土自身约束力相互抗衡造成收缩裂缝的产生[3]。

(3)在混凝土成形变硬过程中，混凝土会一直维持塑性收缩状态，这时混凝土中较小、较轻粒子会逐渐向上移动，较大、较重粒子会逐渐向下移动。这种移动过程在受到外部钢筋或钢板结构约束时，产生塑性裂缝[4]。

(4)混凝土自身温度与外部环境温度很难达成一致，会有一定的误差，造成混凝土内部与外表热胀冷缩程度不同，产生一定的拉应力，在坝体表面产生裂缝。这种裂缝就是温度裂缝。

(5)未按照严格施工标准施工而造成的裂缝。

前三种是混凝土自身因素造成的裂缝，后两种是由于外部客观因素造成的裂缝。

2 确定混凝土内外部温差

水利工程属于大型工程建设，施工时间一般都比较紧张，任务重，因此不可避免地会在温差比较大的季节进行施工，如冬季，夏季，使得混凝土受气温影响，产生温度裂缝[5]。这类裂缝是所有裂缝类型中最常见的一种，严重降低工程质量。因此本文就以温度裂缝为主要研究对象，对温度裂缝控制进行研究，优化水利工程施工技术，提高混凝土坝施工质量。

在水利工程混凝土坝施工中，为防止表面裂缝的产生，必须控制混凝土内部与外部环境之间的温差，这就需要进行各种温度的计算。

2.1 计算混凝土浇筑温度

混凝土浇筑温度是指混凝土经过平仓振捣后，在覆盖上层混凝土前，测量在距离混凝土面下10cm深处的温度[6]。

计算公式如下：

A=B+(C+B)·(D1+D2+…+Dn)

(1)

式中，A—混凝土浇筑温度；B—混凝土搅拌过程中的温度；C—混凝土浇筑时的室外环境温度；(D1+D2+…+Dn)—温度损失系数。

2.2 计算绝热温升

“绝热升温”是指处在绝对封闭条件下，即周围无任何散热条件时，混凝土中水泥在化热过程中产生的热量。

用数学公式表示为：

(2)

式中，E—某时刻时混凝土的绝热升温；F—最高温度值；H—每千克水泥遇水转化的热量，取值见表1；I—每立方米的混凝土中水泥含量；J—混凝土比热；ρ—混凝土密度；G—常数，常取为2.5345。

表1 H取值

2.3 估算混凝土内部温度

混凝土在根据设计好的建筑模型进行浇筑后，会产生一个浇筑温度，随后受水泥水化热影响，混凝土内部温度将逐渐上升，但又由于与周围介质不断进行热交换，温度时刻处在降低状态下，因此混凝土内部温度有一个由低到高，又由高到低的过程[7]。因此要想计算准确的混凝土内部温度是不现实的，但可以进行大体估算，估算公式如下：

K=L+ζM

(3)

式中，K—某时刻内混凝土内部温度；L—混凝土浇筑温度；M—混凝土绝热温升；ζ—温度降低系数。

2.4 估算混凝土表面温度

计算公式为：

(4)

式中，N—某时刻内混凝土表面温度；O—周围外部环境温度；P—混凝土浇筑成形后的厚度；R—混凝土单面散热时的虚厚度。

2.5 温差计算

计算公式为：

Δ=K-N

(5)

式中，Δ—混凝土内部与外部的温差。根据大体积混凝土温差标准：当温差大于±25℃，混凝土会出现温度裂缝。

3 温度裂缝控制措施

对混凝土的内外温度进行实时监测；根据温差确定保温养护时间；保持混凝土表面湿润；采用保温性能良好的材料用于混凝土的保温养护，如塑料薄膜、草袋等；在混凝土坝工程拆模后，采取预防寒潮袭击、突然降温和剧裂干燥等措施防止温差过大出现裂缝[8]。

4 对比实验

为验证新型混凝土裂缝控制理论下的水利工程施工技术的有效性，与传统水利工程施工技术进行了对比实验。

在南方某地区要建立一个水电站工程拦河混凝土大坝，该坝高280m，拱顶弧长698.00m，拱冠底部厚70.0m，坝体混凝土为685.6×104m3，工程规模和工程量十分巨大[9]。以该水电站大坝12号坝段混凝土为研究对象，对水利工程施工技术中的混凝土温度裂缝控制效果进行详细探究。

该坝体混凝土参数见表2。

表2 混凝土各成分用量参数

此外，混凝土坝在浇筑期问，最高气温28.8 ℃，最低气温15.1℃，昼夜温差在5～11℃之间[10]。

利用公式(5)计算混凝土坝内部与外部环境的温差为28℃，大于标准温差25℃，说明该坝体极有可能出现温度裂缝。

其次，分别利用新型混凝土裂缝控制理论下的水利工程施工技术中的第二步和传统水利工程施工技术对混凝土温度裂缝进行预防和控制。控制结果如图1所示[11]。

图1 温度裂缝控制效果

从图1中可知，混凝土坝工程拆模后，发现利用混凝土裂缝控制理论下的水利工程施工技术对混凝土坝的温度裂缝进行控制之后，混凝土坝体表面没有出现任何裂缝；而利用传统水利工程施工技术对混凝土坝的温度裂缝进行控制之后，混凝土坝体表面出现一条大的、肉眼可见的裂缝。由此可见，前者技术要优于后者技术，前者技术对混凝土裂缝控制效果更好，达到预期效果[12-13]。

5 结语

综上所述，水利工程的修建是人类工程中最重要的举措之一，例如三峡大坝的修建不仅调节了上下游水资源平衡，产生的电力也极大地方便了人们的生活。但是水利工程的修建并不容易，尤其是混凝土坝的建设施工。混凝土坝极易受到温度影响，出现温度裂缝，影响工程质量。因此文章对温度裂缝控制技术进行了研究。经验证明该方法的控制效果极好，为水利工程施工中裂缝问题的解决提供了重要的指导意义。但是本研究也存在一些不足之处，温度取值受一些潜在因素的影响，取值可能存在一定误差，对研究产生了一定的影响。