馬寶玉

(新疆塔城地區(qū)烏蘇市水利管理站,新疆 塔城 833000)

0 引 言

大壩是我國(guó)水利建設(shè)中的重要組成部分,具有防洪、發(fā)電、灌溉、供水和航運(yùn)等功能,一旦大壩發(fā)生破裂、潰壩等情況,會(huì)給下游及周邊地區(qū)造成嚴(yán)重的危害和巨大的損失。

改性混凝土水壩雖然可以提高壩體穩(wěn)定性,且在澆筑速度方面沒有嚴(yán)格的工藝限制,但因其降低水泥用量,且粉煤灰占比略大,對(duì)混凝土的水化反應(yīng)具有一定延遲效果[1-3]。改性混凝土建造的水庫,混凝土徐變能力不足,降低了混凝土極限拉伸值,導(dǎo)致抗裂能力相比市面上常見的混凝土略有下降。在施工過程中,改性混凝土骨料用水量較少,沒有采用加冰降溫等處理方式,導(dǎo)致自然散熱速度緩慢[4-6]。

林鵬等通過分析地?zé)崴嗄雺夯炷恋臏乜胤懒央y度,將適應(yīng)性智能通水應(yīng)用到混凝土壩中,保障水壩安全,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,采用適應(yīng)性智能通水后,最高溫度符合率達(dá)100%,能夠較好滿足干熱河谷環(huán)境下適應(yīng)性溫控防裂要求,大幅簡(jiǎn)化了施工工藝,提高了效率[7-8]。在嚴(yán)寒地區(qū)的混凝土壩中,平均溫度普遍較低且溫差過大,水庫壩體的溫度穩(wěn)定性較低,導(dǎo)致混凝土基礎(chǔ)溫差較大,易出現(xiàn)裂縫等問題?；炷帘砻嬉蚋稍餁夂驐l件的影響缺失水分,導(dǎo)致干縮裂縫等情況[9-10]。為有效避免混凝土裂縫出現(xiàn)影響大壩結(jié)構(gòu)整體性與安全性,必須重視混凝土溫度控制技術(shù)的有效應(yīng)用,從而保證大壩大體積混凝土施工質(zhì)量,維護(hù)水利工程項(xiàng)目運(yùn)行穩(wěn)定與安全。

1 寒冷干燥地區(qū)河堤混凝土穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

壩體裂縫是影響水庫、大壩安全最廣泛的病害之一。碾壓混凝土與常態(tài)混凝土屬于脆硬性材料,雖然具有較高強(qiáng)度的抗壓強(qiáng)度,但抗拉能力卻不足抗壓強(qiáng)度的20%。當(dāng)溫度應(yīng)力變化過于明顯時(shí),便會(huì)導(dǎo)致河岸堤防出現(xiàn)裂縫,裂縫修補(bǔ)困難且效果不佳,溫度裂縫會(huì)破壞結(jié)構(gòu)的整體性、抗?jié)B性,導(dǎo)致混凝土耐久性下降,危害大壩安全。對(duì)于體積較大的混凝土結(jié)構(gòu),裂縫問題非常嚴(yán)重[11-13]。

針對(duì)河岸堤防裂縫的擴(kuò)展以及穩(wěn)定性,選擇新疆維吾爾地區(qū)北疆腹地的烏蘇市周邊不同小型水庫共18座,研究混凝土裂縫穩(wěn)定性以及優(yōu)化混凝土。烏蘇市位于準(zhǔn)噶爾盆地西南緣,地理位置E 83°21′-E85°03′,N41°31′-N45°18′,西與博爾塔拉蒙古自治州為鄰,南至婆羅科努山分水嶺與伊犁相接,東以八音溝為界與烏蘇市隔河相望,北至克拉瑪依市、塔城地區(qū)托里縣。烏蘇市水庫所在工程區(qū)位于北天山中段婆羅科努山北麓山前微傾平原區(qū),古爾班通古特沙漠南緣,海拔高程 1 400～2 000m,地勢(shì)由南向北傾斜,坡降 14‰～27‰。平原區(qū)由沖洪積扇聯(lián)接組成,表面具有大面積砂層覆蓋。

目前,烏蘇市水庫存在的主要問題有:水庫上游壩坡混凝土護(hù)坡部分存在裂縫的情況;現(xiàn)狀水庫大壩面板間水平縫裂開,縫寬約 3～5cm;放水涵洞存在裂縫;防浪墻存在裂縫、骨料外露現(xiàn)象,路沿石傾倒等。

1.2 混凝土變形與裂縫分析

河堤與壩體基本組成材料為混凝土,混凝土的體積形態(tài)受到結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度變化的影響,當(dāng)溫度變化不均時(shí)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)改變。當(dāng)體積形態(tài)受到不同程度干擾后,就會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力與壓應(yīng)力;當(dāng)兩種應(yīng)力超出混凝土承受的極限值時(shí),就會(huì)導(dǎo)致壩體裂縫的出現(xiàn)。因此,首先分析干燥氣候條件下河岸堤防的混凝土溫度場(chǎng)的變化[14-16]?；炷翜囟葢?yīng)力變化主要受到水化影響,水泥水化熱速率與環(huán)境溫度成正比,計(jì)算公式如下:

(1)

式中:Q(τ)為水泥水化熱;τ為水泥齡期;Q0為最終水化熱;n為水泥水化一半時(shí)水泥齡期。

混凝土的絕熱溫升計(jì)算公式可利用式(1)推算:

(2)

式中:W為水泥使用量;c為混凝土比熱;F為不同材料混合用量;k為折減系數(shù)。

混凝土的溫度應(yīng)力類型見圖1。

圖1 溫度應(yīng)力類型

混凝土的溫度應(yīng)力大致可分為自生應(yīng)力與約束應(yīng)力兩種。在圖1(a)中,混凝土外部為全固定結(jié)構(gòu),不會(huì)遭受任何約束作用,自生應(yīng)力會(huì)給混凝土澆筑的大壩表面帶來拉應(yīng)力,大壩內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力。在圖1(b)中,當(dāng)混凝土的部分結(jié)構(gòu)受到外部約束時(shí),內(nèi)部會(huì)受到溫度變化的影響,導(dǎo)致體積形變受到約束產(chǎn)生應(yīng)力,即約束應(yīng)力。在河堤結(jié)構(gòu)中,一般都會(huì)存在自生應(yīng)力與約束應(yīng)力相互疊加的情況,這也是河堤與水庫裂縫產(chǎn)生的主要原因。

1.3 基于有限元分析的寒冷地區(qū)路堤混凝土防裂設(shè)計(jì)

在針對(duì)寒冷地區(qū)的路堤與水庫混凝土進(jìn)行防裂設(shè)計(jì)過程中,選擇烏蘇市克特吾勒水庫等中小型混凝土水庫為例。水庫以供水為主,具有防洪與畜牧業(yè)草場(chǎng)供水等作用。特吾勒水庫壩址位于特吾勒河出山口上游約 4km 處,距烏蘇市約 62km、距烏蘇市馬吉克牧場(chǎng)場(chǎng)部 7.2km。擋水壩剖面圖見圖2。

圖2 擋水壩剖面圖

特吾勒水庫總庫容623×104m3,興利庫容530×104m3,死庫容20×104m3。大壩壩型為瀝青混凝土心墻壩,最大壩高65.01m,大壩全長(zhǎng)180m,壩頂高程1 581.51m。大壩、放水隧洞和溢洪道工程抗震設(shè)防類別為丁類。該地區(qū)多年平均氣溫為7.8℃,屬嚴(yán)寒地區(qū)。由于氣溫年變動(dòng)幅度大,日幅度變化明顯,因此氣溫計(jì)算公式與上游庫不同深度下水溫計(jì)算公式如下:

式中:t為時(shí)間;s0為初相位至氣溫最高日天數(shù);y為水溫;τ為水溫變化天數(shù);ω為溫度變化周期;τ0為氣溫變化過程初始相位。

混凝土溫度應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)選擇安全系數(shù)法為標(biāo)準(zhǔn),以極限拉伸值控制混凝土應(yīng)力。為簡(jiǎn)化計(jì)算,選擇擋水壩的一半壩段進(jìn)行研究。大壩溫度應(yīng)力場(chǎng)為一種自平衡力系,影響范圍主要體現(xiàn)在溫差過大的部位。大壩有限元模型示意圖見圖3。

圖3 有限元模型示意圖

利用ANSYS對(duì)大壩進(jìn)行建模并分析,混凝土壩的澆筑過程為分層分塊的動(dòng)態(tài)過程。因此,網(wǎng)格劃分時(shí),沿壩高與壩軸線方向每一米劃分一層單元。在確定仿真模型后,根據(jù)施工進(jìn)度對(duì)特吾勒水庫進(jìn)行維修與修繕,并選取不同溫控防裂方案,即表面流水、表面保溫以及混凝土摻入氧化鎂3種不同溫控防裂措施。

2 河岸堤防溫度控制策略分析

針對(duì)河岸堤防的壩體裂縫穩(wěn)定性分析,依據(jù)環(huán)境溫度、混凝土表面溫度和混凝土內(nèi)部溫度結(jié)果,對(duì)養(yǎng)護(hù)制度和養(yǎng)護(hù)策略進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。不同溫度控制策略見表1。

表1 溫度控制策略對(duì)比

溫度控制策略一共分為3種,分別為表面保溫策略、表面流水策略以及摻入氧化鎂共同控制策略。將3種控制策略以8種方式進(jìn)行對(duì)比,其中保溫時(shí)間選擇在夏季的8月份與即將入秋的9月份。壩中線溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 壩中線溫度場(chǎng)計(jì)算對(duì)比結(jié)果

在壩中線溫度包絡(luò)線中可以看出,不同方式處理下的包絡(luò)值重合程度較高?；A(chǔ)墊層混凝土受到外界氣溫變化的影響,導(dǎo)致澆筑溫度升高,且壩體內(nèi)部溫度難以散發(fā),此時(shí)溫度包絡(luò)線與壩高呈現(xiàn)正比。在表面流水措施下的壩體修復(fù)部分,可以略微降低溫度峰值。在B策略與F策略中,只進(jìn)行表面保溫的修復(fù)部分混凝土溫度最高超過50℃,最低達(dá)到39℃。而不但進(jìn)行表面流水措施,還將表面保溫時(shí)間提前一個(gè)月后,溫度有明顯下降,溫度峰值減少3℃。

圖5為下游面不同防裂溫度控制策略對(duì)比。結(jié)合不同策略保溫下,A策略與D策略的溫度包絡(luò)值明顯變高。A策略下,當(dāng)壩高不斷提高時(shí),最大溫度超過30℃,且當(dāng)壩高超過30m后,溫度平均達(dá)到28.6℃;D策略針對(duì)下游面層修補(bǔ)部分的降溫處理中,增加表面流水策略顯著有效。

圖5 下游面不同防裂溫度控制策略對(duì)比

在圖5(b)中,B策略下最大溫度應(yīng)力隨著壩體升高達(dá)到最大的30.4℃,而F策略則明顯降低溫度應(yīng)力,雖然最大溫度相差無幾,但當(dāng)壩高在36～48m時(shí),溫度峰值降低約1℃?？梢钥闯?下游面修補(bǔ)部分在進(jìn)行修復(fù)過程時(shí),外界氣溫較高且不易散熱,因此表面流水降溫效果明顯。

總體而言,4種策略下的溫度包絡(luò)值均與外界氣溫成正比,溫度峰值降低約1.2℃,將不同防裂溫度控制策略綜合應(yīng)用后,可以顯著降低河堤裂縫現(xiàn)象產(chǎn)生。

圖6為壩中線不同控制策略下溫度應(yīng)力曲線圖。由圖6可知,A策略溫度應(yīng)力顯著大于F策略。在A策略中,應(yīng)力最大值達(dá)到2.6MPa,最大應(yīng)力值位置處于壩高25m,平均應(yīng)力值為2.23MPa。在F策略中,表面流水與表面溫度共同控制下,可以有效減少溫度應(yīng)力值,并且加入氧化鎂后,溫度應(yīng)力顯著降低。最大應(yīng)力值2.1MPa,最大應(yīng)力值出現(xiàn)在壩高26m處,平均應(yīng)力值約1.64MPa。

圖6 壩中線下溫度應(yīng)力曲線

同時(shí),在溫度控制策略中,摻入氧化鎂可以有效降低水壩基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)的溫度應(yīng)力值。表面保溫策略則從內(nèi)部減少壩體拉應(yīng)力 ,可以有效阻止內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生。在不同澆筑層面中,第一主應(yīng)力值均有減少,在不同澆筑層的結(jié)合面處的主應(yīng)力顯著降低,并且F策略的結(jié)合處拉應(yīng)力減少約68%。

綜合來看,表面流水保溫策略對(duì)混合混凝土澆筑面的溫度應(yīng)力減少作用明顯,表面保溫處理策略則對(duì)壩體內(nèi)部的最大應(yīng)力值相關(guān)性不足。

圖7為初始裂縫對(duì)摻入氧化鎂的混凝土拉伸應(yīng)力與位移曲線的影響。

圖7 拉伸應(yīng)力-位移曲線

當(dāng)混凝土沒有初始裂縫時(shí),在位移初期呈線性關(guān)系,混凝土處于彈性階段,沒有發(fā)生破壞;當(dāng)拉伸作用力過大時(shí),部分混凝土達(dá)到破壞閾值,出現(xiàn)斷裂的情況,之后混凝土的彈性模量不斷降低,曲線呈非線性關(guān)系;當(dāng)荷載達(dá)到巔峰后,混凝土已幾乎喪失全部承載力。當(dāng)混凝土有初始裂縫時(shí),在不同的拉伸荷載作用下,位移曲線整體偏低,表明初始裂縫對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響巨大,會(huì)大大降低混凝土荷載力。

3 干燥氣候條件對(duì)河岸堤防裂縫穩(wěn)定性建議

3.1 合理蓄水與完善水庫壩體保溫措施

在寒冷干燥地區(qū)建設(shè)水壩,由于外界溫度變化明顯,晝夜溫差幅度較大,當(dāng)水壩蓄水時(shí),夏季水庫水可以有效降溫,冬季則可以有效保溫。因此,合理蓄水能夠保證壩體上游面溫度達(dá)到穩(wěn)定,防止裂縫產(chǎn)生。而完善水庫壩體表面保溫措施,則可以有效減少混凝土內(nèi)外溫差,降低因寒冷導(dǎo)致的溫度應(yīng)力差距。

3.2 完善流水措施與提高建造材料強(qiáng)度

針對(duì)水庫下游面溫度差距過大問題,應(yīng)積極完善表面流水保溫策略,可以顯著降低壩體內(nèi)部不同層次結(jié)合處的溫度應(yīng)力峰值。而在混凝土中摻入氧化鎂,則可以有效改善混凝土受力強(qiáng)度,抵消因?yàn)闇夭钸^大而導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生過大的拉升應(yīng)力,還可以大大簡(jiǎn)化壩體溫度防裂措施。對(duì)于建筑工程而言,新技術(shù)能夠有效提高建筑的管理效率,提高施工質(zhì)量,對(duì)于施工單位自身的經(jīng)濟(jì)發(fā)展也會(huì)產(chǎn)生積極有效的促進(jìn)作用。

4 結(jié) 論

隨著碾壓混凝土壩與常態(tài)混凝土壩廣泛應(yīng)用,裂縫問題帶來的壩體安全性也逐漸凸顯,裂縫會(huì)導(dǎo)致壩體的抗?jié)B透性、耐久性與完整性下降。因此,為研究干燥氣候下寒冷地區(qū)河岸堤壩裂縫影響與穩(wěn)定性,通過有限元仿真并選擇不同溫控防裂措施,減少壩體裂縫數(shù)量,提高穩(wěn)定性。結(jié)果顯示,在澆筑層表面流水可以降低混凝土最高溫度2℃左右,在壩中位置對(duì)混凝土摻入氧化鎂后,可以有效減少溫度應(yīng)力值,最大應(yīng)力值為2.1MPa,最大應(yīng)力值出現(xiàn)在壩高26m處,平均應(yīng)力值約1.64MPa。