堆石坝面板混凝土冬季施工期防裂措施研究

张松斌

(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院有限公司，重庆 401120)

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1 084×104m3，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%。坝体分区堆石设计指标见表1。

表1 坝体分区堆石设计指标

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3 473×104m3，多年平均输沙量3.07×104t。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1 084×104m3，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997×104m3，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。青杉水库坝址消力池天然水位流量关系见图1。

图1 消力池天然水位流量关系

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3.8×10-3m2/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5×10-6m2/h，表面湿度交换系数取值为2×10-4m/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见图2。将坝体材料划分为垫层料、过渡料、堆石料和基岩，不同坝体材料的热学参数取值见表2。

图2 面板混凝土自生体积变形规律

表2 坝体材料热学参数取值

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，见图3。

图3 坝体有限元模型

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，结果见图4。从图4中可知，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。

图4 不同施工方案下的模拟结果

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。

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。