基于大型水庫重力壩壩體的抗凍耐久性研究

尉紅星

(新民市水利服務(wù)中心，遼寧 新民 110300)

凍融循環(huán)會(huì)嚴(yán)重影響混凝土的力學(xué)性能，使其產(chǎn)生微裂縫，加速有害離子的侵入及內(nèi)部鋼筋的銹蝕，大大減少水工結(jié)構(gòu)的使用年限，甚至威脅者水庫大壩的安全運(yùn)行[1-2]。葠窩水庫建于我國北方嚴(yán)寒地區(qū)，晝夜溫差大且冬季氣溫較低，冬季混凝土重力壩極易產(chǎn)生凍融破壞，所以研究其壩體抗凍耐久性具有重要意義。

1 研究方法

1.1 凍融損傷分析

凍融損傷是指潮濕或浸水條件下混凝土內(nèi)部的毛細(xì)水發(fā)生凍結(jié)，體積膨脹并產(chǎn)生凍脹應(yīng)力甚至形成滲流通道的一種現(xiàn)象，凍融損傷受溫度的影響較大[3]?；炷羶鋈趽p傷易發(fā)區(qū)主要集中于我國的華北、西北及東北地區(qū)，特別是水工混凝土澆筑施工時(shí)要引起高度的重視。

目前，常用的凍融損傷監(jiān)測方法有X射線法、超聲波測速發(fā)和共振頻率法等，其中X射線法比較適用于局部監(jiān)測，超聲波檢測法能夠比較客觀的評(píng)價(jià)凍融裂化程度，而共振頻率法在實(shí)際工程中的應(yīng)用最為廣泛[4-5]。這些方法操作簡便，并且均為無損檢測，但難以客觀反映混凝土的實(shí)質(zhì)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)尚存在一些不足。因此，研究凍融損傷監(jiān)測方法有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理安全隱患，為實(shí)時(shí)監(jiān)測混凝土凍融損傷情況提供技術(shù)支持。

1.2 凍融損傷研究方法

一般地，外部荷載的循環(huán)作用是引起混凝土破壞的關(guān)鍵因素，而毛細(xì)水結(jié)冰膨脹則是造成凍融損傷的主要原因[6]。依據(jù)相關(guān)研究，可利用下式計(jì)算凍融作用下混凝土的泊松比和彈性模量，即：

En=E0-(1-pN)k

(1)

(2)

式中：En、E0為經(jīng)多次凍融循環(huán)和初始的混凝土彈性模量；γn、γ0為經(jīng)多次凍融循環(huán)和初始的混凝土泊松比；N為凍融次數(shù)；p、q、k、n為試驗(yàn)參數(shù)。

文章利用上述公式計(jì)算和評(píng)估混凝土的凍融損傷程度，并考慮水滲透壓力、凍融載荷、溫度變化等因素對(duì)凍融損傷的影響，具體見圖1。其中，ε1、εft代表凍融循環(huán)作用下的拉(壓)應(yīng)變和極限拉(壓)應(yīng)變；σ1、σft為凍融循環(huán)作用下的拉(壓)應(yīng)力和極限拉(壓)應(yīng)力。

(a)壓縮應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 (b)拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖1 混凝土凍融損傷應(yīng)變關(guān)系

2 重力壩壩體抗凍耐久性

2.1 工程概況

葠窩水庫是一座集防洪、灌溉、供水、發(fā)電、旅游等功能于一體的大型水利樞紐工程，該水庫位于遼陽、本溪兩市之間，壩址距遼陽市39km，建于太子河干流中游遼陽市弓長嶺區(qū)南沙村東，屬混凝土重力壩，壩高50.3m，最大庫容7.91×108m3，控制流域6175km2。葠窩水庫的建成運(yùn)行發(fā)揮著重要的防洪抗旱、泥沙攔蓄、徑流調(diào)節(jié)等功能。

2.2 壩體裂縫情況

在1971年8月施工期，大壩壩體首次發(fā)現(xiàn)裂縫，當(dāng)年即查處210條裂縫。1971-2006年10次裂縫普查發(fā)現(xiàn)，從1971年的210條增加至2006年的1005條，大壩裂縫逐年增加且滲水、裂縫寬度、長度等問題也趨于嚴(yán)重?？傮w上，大壩裂縫主要分類四類。①一類裂縫：自基礎(chǔ)向上開裂的縱向裂縫，最為嚴(yán)重的23#壩段兩條縱向裂縫已將大壩分成三塊，對(duì)大壩的安全穩(wěn)定造成嚴(yán)重影響。②二類裂縫：閘墩和邊墩上的貫穿性裂縫，閘墩裂縫多自堰面向上延伸且主要集中于牛腿上游和弧門面板下游，引起寬墩滲漏并嚴(yán)重影響閘墩的安全。③三類裂縫：水平施工縫開裂，經(jīng)鉆孔壓水及孔內(nèi)電視檢測，23#-25#壩段分別在高程89m、94.5m 及100m附近水平裂縫已經(jīng)貫通大壩上、下游面，70m、80m高程水平裂縫尚未貫通大壩。由于貫通大壩上、下游面水平裂縫的存在，引起電站及左岸擋水壩段下游面冬季滲水嚴(yán)重。④四類裂縫：自上游壩面開裂，貫通到橫向廊道和閘門井的橫向裂縫，此類裂縫雖然對(duì)大壩穩(wěn)定不構(gòu)成直接威脅，但會(huì)引起滲漏，對(duì)大壩整體性及耐久性均有不利影響。葠窩水庫壩體水平裂縫漏水結(jié)冰，如圖2所示。

圖2 葠窩水庫壩體水平裂縫漏水結(jié)冰

以上裂縫對(duì)大壩的安全性、抗?jié)B性、耐久性、整體性和外觀造成嚴(yán)重影響，使整個(gè)壩體的安全度下降，大壩使用壽命大大縮短。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論研究表迷你，

理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)均表明，混凝土壩凍融損傷是導(dǎo)致壩體裂縫的主要因素，其他荷載作用所引起的應(yīng)力與凍融損傷相比相對(duì)較小，即凍融損傷起著控制作用，壩體材料及結(jié)構(gòu)型式也起著重要作用[7]。因此，研究葠窩水庫混凝土重力壩抗凍防裂措施，對(duì)保證工程的安全性與耐久性具有重要意義。

2.3 凍融作用機(jī)理

總體上，可以將混凝土的凍融過程劃分成4個(gè)階段：第一階段為無損傷狀態(tài)，即宏觀上未受到凍融侵蝕；第二階段出現(xiàn)較多侵蝕空洞，混凝土受凍融循環(huán)作用開始出現(xiàn)空洞；第三階段嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，前期形成的空洞逐漸變大并連接成片，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋及骨料開始暴露，細(xì)骨料逐漸脫落并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的下降；第四階段為損傷不可挽回階段，隨著凍融程度的不斷加深及凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增大，骨料受凍融作用出現(xiàn)大范圍的掉落，大大降低了結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度進(jìn)而危機(jī)其安全使用，該階段造成的損傷已無法挽回[8]。

2.4 抗凍耐久性分析

對(duì)于混凝土重力壩而言，并非所有的部位都會(huì)出現(xiàn)凍融損傷，溫度達(dá)到0℃以下和壩體內(nèi)部達(dá)到充水飽和是壩體發(fā)生凍融破壞的2個(gè)必要條件。因此，必須把控以上兩點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)壩體凍融損傷的有效監(jiān)測，以及凍融區(qū)的精準(zhǔn)測算，為壩體裂縫的及時(shí)管控提供指導(dǎo)。目前，比較常用的確定凍融區(qū)的方法是有限元法，涉及的參數(shù)有庫內(nèi)水溫、氣溫、上下游水位等，經(jīng)有限元軟件模擬計(jì)算合理確定凍融區(qū)域。一般地，飽水區(qū)域極易出現(xiàn)凍融損傷，特別是溫度低于0℃時(shí)水結(jié)冰產(chǎn)生體積膨脹，所以可將凍融易發(fā)區(qū)設(shè)定為溫度低于0℃的飽水區(qū)。

實(shí)踐表明，混凝土重力壩存在的潛在破壞主要有深層滑動(dòng)面或沿基建面滑動(dòng)、傾覆破壞、壩重拉裂、壩址受壓破壞等。借鑒相關(guān)理論成果，壩體的失穩(wěn)與位移密切相關(guān)，所以將壩體中心點(diǎn)的位移作為壩體受凍融循環(huán)破壞的判別依據(jù)具有較好的效果。結(jié)合實(shí)際監(jiān)測資料，受水載荷一側(cè)的葠窩水庫壩體豎向位移增加明顯，混凝土彈性模量也呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，該階段混凝土發(fā)生局部破壞，并達(dá)到塑性階段。隨著混凝土破壞程度的加大及凍融循環(huán)次數(shù)的增加，豎向位移持續(xù)增大，壩頂開始傾倒，此時(shí)已嚴(yán)重影響到結(jié)構(gòu)安全。壩址一般以受壓為主，故結(jié)構(gòu)整體性能受壩址局部損傷的影響較低?？傮w而言，凍融循環(huán)次數(shù)和凍融損傷的程度直接決定著壩體結(jié)構(gòu)安全，凍融循環(huán)次數(shù)越大產(chǎn)生的影響和損傷就越大，對(duì)壩體耐久性的影響也越嚴(yán)重。不同凍融循環(huán)次數(shù)下，葠窩水庫混凝土重力壩的豎向和水平位移變化見表1、圖3。

表1 壩體豎向和水平位移變化

圖3 重力壩豎向和水平位移變化曲線

由表1可知，壩體位移受凍融作用的影響較大，豎向位移和水平位移均隨著凍融次數(shù)的增加而明顯增大，并且位移變化隨凍融系數(shù)的增加基本呈對(duì)數(shù)增長。

2.5 對(duì)策建議

1)預(yù)防措施。針對(duì)凍融破壞問題，水庫運(yùn)行管理單位應(yīng)采取合理的預(yù)防和控制措施，最大程度的降低凍融危害，有效減少凍融次數(shù)。例如，可將適量的外加劑摻入混凝土中，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)還可有效預(yù)防凍融破壞；合理調(diào)整水灰比，有效減少水化熱和內(nèi)部空洞的形成，提高混凝土的密實(shí)度、抗凍性及整體強(qiáng)度；做好養(yǎng)護(hù)，冬季施工時(shí)可以摻入適量的防凍劑或早強(qiáng)劑，預(yù)防早期混凝土受凍破壞。

2)加固整治。壩體表面混凝土出現(xiàn)輕微破壞時(shí)，可利用水泥修補(bǔ)砂漿處理；水流區(qū)域壩體受凍融損傷時(shí)可用預(yù)縮砂漿修補(bǔ)，既可提高壩體結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度又能改善混凝土的抗疲勞性能。

3 結(jié) 論

文章綜合分析了遼陽境內(nèi)的葠窩水庫混凝土重力壩抗凍耐久性，通過探討凍融作用下混凝土的受力情況及其應(yīng)變關(guān)系，揭示了壩體結(jié)構(gòu)受不同凍融循環(huán)次數(shù)的影響機(jī)理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壩體位移受凍融作用的影響較大，豎向位移和水平位移均隨著凍融次數(shù)的增加而明顯增大，并且位移變化隨凍融系數(shù)的增加基本呈對(duì)數(shù)增長。然后結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出相應(yīng)的預(yù)防措施，旨在為水工結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全運(yùn)行提供保障。