干燥气候条件对河岸堤防裂缝扩展及稳定性的影响

马宝玉

(新疆塔城地区乌苏市水利管理站,新疆 塔城 833000)

0 引 言

大坝是我国水利建设中的重要组成部分,具有防洪、发电、灌溉、供水和航运等功能,一旦大坝发生破裂、溃坝等情况,会给下游及周边地区造成严重的危害和巨大的损失。

改性混凝土水坝虽然可以提高坝体稳定性,且在浇筑速度方面没有严格的工艺限制,但因其降低水泥用量,且粉煤灰占比略大,对混凝土的水化反应具有一定延迟效果[1-3]。改性混凝土建造的水库,混凝土徐变能力不足,降低了混凝土极限拉伸值,导致抗裂能力相比市面上常见的混凝土略有下降。在施工过程中,改性混凝土骨料用水量较少,没有采用加冰降温等处理方式,导致自然散热速度缓慢[4-6]。

林鹏等通过分析地热水泥碾压混凝土的温控防裂难度,将适应性智能通水应用到混凝土坝中,保障水坝安全,实验结果显示,采用适应性智能通水后,最高温度符合率达100%,能够较好满足干热河谷环境下适应性温控防裂要求,大幅简化了施工工艺,提高了效率[7-8]。在严寒地区的混凝土坝中,平均温度普遍较低且温差过大,水库坝体的温度稳定性较低,导致混凝土基础温差较大,易出现裂缝等问题。混凝土表面因干燥气候条件的影响缺失水分,导致干缩裂缝等情况[9-10]。为有效避免混凝土裂缝出现影响大坝结构整体性与安全性,必须重视混凝土温度控制技术的有效应用,从而保证大坝大体积混凝土施工质量,维护水利工程项目运行稳定与安全。

1 寒冷干燥地区河堤混凝土稳定性优化设计

1.1 工程概况

坝体裂缝是影响水库、大坝安全最广泛的病害之一。碾压混凝土与常态混凝土属于脆硬性材料,虽然具有较高强度的抗压强度,但抗拉能力却不足抗压强度的20%。当温度应力变化过于明显时,便会导致河岸堤防出现裂缝,裂缝修补困难且效果不佳,温度裂缝会破坏结构的整体性、抗渗性,导致混凝土耐久性下降,危害大坝安全。对于体积较大的混凝土结构,裂缝问题非常严重[11-13]。

针对河岸堤防裂缝的扩展以及稳定性,选择新疆维吾尔地区北疆腹地的乌苏市周边不同小型水库共18座,研究混凝土裂缝稳定性以及优化混凝土。乌苏市位于准噶尔盆地西南缘,地理位置E 83°21′-E85°03′,N41°31′-N45°18′,西与博尔塔拉蒙古自治州为邻,南至婆罗科努山分水岭与伊犁相接,东以八音沟为界与乌苏市隔河相望,北至克拉玛依市、塔城地区托里县。乌苏市水库所在工程区位于北天山中段婆罗科努山北麓山前微倾平原区,古尔班通古特沙漠南缘,海拔高程 1 400～2 000m,地势由南向北倾斜,坡降 14‰～27‰。平原区由冲洪积扇联接组成,表面具有大面积砂层覆盖。

目前,乌苏市水库存在的主要问题有:水库上游坝坡混凝土护坡部分存在裂缝的情况;现状水库大坝面板间水平缝裂开,缝宽约 3～5cm;放水涵洞存在裂缝;防浪墙存在裂缝、骨料外露现象,路沿石倾倒等。

1.2 混凝土变形与裂缝分析

河堤与坝体基本组成材料为混凝土,混凝土的体积形态受到结构内部温度变化的影响,当温度变化不均时可能导致结构位移场改变。当体积形态受到不同程度干扰后,就会出现拉应力与压应力;当两种应力超出混凝土承受的极限值时,就会导致坝体裂缝的出现。因此,首先分析干燥气候条件下河岸堤防的混凝土温度场的变化[14-16]。混凝土温度应力变化主要受到水化影响,水泥水化热速率与环境温度成正比,计算公式如下:

(1)

式中:Q(τ)为水泥水化热;τ为水泥龄期;Q0为最终水化热;n为水泥水化一半时水泥龄期。

混凝土的绝热温升计算公式可利用式(1)推算:

(2)

式中:W为水泥使用量;c为混凝土比热;F为不同材料混合用量;k为折减系数。

混凝土的温度应力类型见图1。

图1 温度应力类型

混凝土的温度应力大致可分为自生应力与约束应力两种。在图1(a)中,混凝土外部为全固定结构,不会遭受任何约束作用,自生应力会给混凝土浇筑的大坝表面带来拉应力,大坝内部产生压应力。在图1(b)中,当混凝土的部分结构受到外部约束时,内部会受到温度变化的影响,导致体积形变受到约束产生应力,即约束应力。在河堤结构中,一般都会存在自生应力与约束应力相互叠加的情况,这也是河堤与水库裂缝产生的主要原因。

1.3 基于有限元分析的寒冷地区路堤混凝土防裂设计

在针对寒冷地区的路堤与水库混凝土进行防裂设计过程中,选择乌苏市克特吾勒水库等中小型混凝土水库为例。水库以供水为主,具有防洪与畜牧业草场供水等作用。特吾勒水库坝址位于特吾勒河出山口上游约 4km 处,距乌苏市约 62km、距乌苏市马吉克牧场场部 7.2km。挡水坝剖面图见图2。

图2 挡水坝剖面图

特吾勒水库总库容623×104m3,兴利库容530×104m3,死库容20×104m3。大坝坝型为沥青混凝土心墙坝,最大坝高65.01m,大坝全长180m,坝顶高程1 581.51m。大坝、放水隧洞和溢洪道工程抗震设防类别为丁类。该地区多年平均气温为7.8℃,属严寒地区。由于气温年变动幅度大,日幅度变化明显,因此气温计算公式与上游库不同深度下水温计算公式如下:

式中:t为时间;s0为初相位至气温最高日天数;y为水温;τ为水温变化天数;ω为温度变化周期;τ0为气温变化过程初始相位。

混凝土温度应力控制标准选择安全系数法为标准,以极限拉伸值控制混凝土应力。为简化计算,选择挡水坝的一半坝段进行研究。大坝温度应力场为一种自平衡力系,影响范围主要体现在温差过大的部位。大坝有限元模型示意图见图3。

图3 有限元模型示意图

利用ANSYS对大坝进行建模并分析,混凝土坝的浇筑过程为分层分块的动态过程。因此,网格划分时,沿坝高与坝轴线方向每一米划分一层单元。在确定仿真模型后,根据施工进度对特吾勒水库进行维修与修缮,并选取不同温控防裂方案,即表面流水、表面保温以及混凝土掺入氧化镁3种不同温控防裂措施。

2 河岸堤防温度控制策略分析

针对河岸堤防的坝体裂缝稳定性分析,依据环境温度、混凝土表面温度和混凝土内部温度结果,对养护制度和养护策略进行及时调整。不同温度控制策略见表1。

表1 温度控制策略对比

温度控制策略一共分为3种,分别为表面保温策略、表面流水策略以及掺入氧化镁共同控制策略。将3种控制策略以8种方式进行对比,其中保温时间选择在夏季的8月份与即将入秋的9月份。坝中线温度场计算结果见图4。

图4 坝中线温度场计算对比结果

在坝中线温度包络线中可以看出,不同方式处理下的包络值重合程度较高。基础垫层混凝土受到外界气温变化的影响,导致浇筑温度升高,且坝体内部温度难以散发,此时温度包络线与坝高呈现正比。在表面流水措施下的坝体修复部分,可以略微降低温度峰值。在B策略与F策略中,只进行表面保温的修复部分混凝土温度最高超过50℃,最低达到39℃。而不但进行表面流水措施,还将表面保温时间提前一个月后,温度有明显下降,温度峰值减少3℃。

图5为下游面不同防裂温度控制策略对比。结合不同策略保温下,A策略与D策略的温度包络值明显变高。A策略下,当坝高不断提高时,最大温度超过30℃,且当坝高超过30m后,温度平均达到28.6℃;D策略针对下游面层修补部分的降温处理中,增加表面流水策略显著有效。

图5 下游面不同防裂温度控制策略对比

在图5(b)中,B策略下最大温度应力随着坝体升高达到最大的30.4℃,而F策略则明显降低温度应力,虽然最大温度相差无几,但当坝高在36～48m时,温度峰值降低约1℃。可以看出,下游面修补部分在进行修复过程时,外界气温较高且不易散热,因此表面流水降温效果明显。

总体而言,4种策略下的温度包络值均与外界气温成正比,温度峰值降低约1.2℃,将不同防裂温度控制策略综合应用后,可以显著降低河堤裂缝现象产生。

图6为坝中线不同控制策略下温度应力曲线图。由图6可知,A策略温度应力显著大于F策略。在A策略中,应力最大值达到2.6MPa,最大应力值位置处于坝高25m,平均应力值为2.23MPa。在F策略中,表面流水与表面温度共同控制下,可以有效减少温度应力值,并且加入氧化镁后,温度应力显著降低。最大应力值2.1MPa,最大应力值出现在坝高26m处,平均应力值约1.64MPa。

图6 坝中线下温度应力曲线

同时,在温度控制策略中,掺入氧化镁可以有效降低水坝基础强约束区的温度应力值。表面保温策略则从内部减少坝体拉应力 ,可以有效阻止内部裂缝的产生。在不同浇筑层面中,第一主应力值均有减少,在不同浇筑层的结合面处的主应力显著降低,并且F策略的结合处拉应力减少约68%。

综合来看,表面流水保温策略对混合混凝土浇筑面的温度应力减少作用明显,表面保温处理策略则对坝体内部的最大应力值相关性不足。

图7为初始裂缝对掺入氧化镁的混凝土拉伸应力与位移曲线的影响。

图7 拉伸应力-位移曲线

当混凝土没有初始裂缝时,在位移初期呈线性关系,混凝土处于弹性阶段,没有发生破坏;当拉伸作用力过大时,部分混凝土达到破坏阈值,出现断裂的情况,之后混凝土的弹性模量不断降低,曲线呈非线性关系;当荷载达到巅峰后,混凝土已几乎丧失全部承载力。当混凝土有初始裂缝时,在不同的拉伸荷载作用下,位移曲线整体偏低,表明初始裂缝对混凝土的力学性能影响巨大,会大大降低混凝土荷载力。

3 干燥气候条件对河岸堤防裂缝稳定性建议

3.1 合理蓄水与完善水库坝体保温措施

在寒冷干燥地区建设水坝,由于外界温度变化明显,昼夜温差幅度较大,当水坝蓄水时,夏季水库水可以有效降温,冬季则可以有效保温。因此,合理蓄水能够保证坝体上游面温度达到稳定,防止裂缝产生。而完善水库坝体表面保温措施,则可以有效减少混凝土内外温差,降低因寒冷导致的温度应力差距。

3.2 完善流水措施与提高建造材料强度

针对水库下游面温度差距过大问题,应积极完善表面流水保温策略,可以显著降低坝体内部不同层次结合处的温度应力峰值。而在混凝土中掺入氧化镁,则可以有效改善混凝土受力强度,抵消因为温差过大而导致混凝土产生过大的拉升应力,还可以大大简化坝体温度防裂措施。对于建筑工程而言,新技术能够有效提高建筑的管理效率,提高施工质量,对于施工单位自身的经济发展也会产生积极有效的促进作用。

4 结 论

随着碾压混凝土坝与常态混凝土坝广泛应用,裂缝问题带来的坝体安全性也逐渐凸显,裂缝会导致坝体的抗渗透性、耐久性与完整性下降。因此,为研究干燥气候下寒冷地区河岸堤坝裂缝影响与稳定性,通过有限元仿真并选择不同温控防裂措施,减少坝体裂缝数量,提高稳定性。结果显示,在浇筑层表面流水可以降低混凝土最高温度2℃左右,在坝中位置对混凝土掺入氧化镁后,可以有效减少温度应力值,最大应力值为2.1MPa,最大应力值出现在坝高26m处,平均应力值约1.64MPa。