高溫差地區(qū)混凝土面板施工期裂縫分布規(guī)律初探

羅 帥 王建幫 楊兵強(qiáng)

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 前 言

近些年來，一些高面板堆石壩工程相繼出現(xiàn)了河床段面板擠壓破壞現(xiàn)象，面板擠壓破壞按其表現(xiàn)形式可分為沿垂直縫的擠壓破壞、橫向水平擠壓破壞和斜向擠壓破壞。擠壓破壞的主要原因是堆石體的變形，除此之外還有河谷形狀、壩高、面板厚度、面板縱縫設(shè)計(jì)、混凝土受力狀態(tài)、面板鋼筋布置、面板運(yùn)行環(huán)境、地震等其他因素。面板垂直縫擠壓破壞一般發(fā)生在河床中部壩頂，從面板的頂部一直向下延伸。面板水平擠壓破壞常出現(xiàn)在中下部面板及面板分期分界線部位，一般不易被發(fā)現(xiàn)。斜向擠壓破壞主要是由于堆石變形導(dǎo)致面板發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，因底部受到約束，面板應(yīng)力發(fā)生改變所導(dǎo)致的。

2 混凝土面板早期溫度應(yīng)力分布特性

根據(jù)阿爾塔什壩體堆石、擠壓邊墻及混凝土面板相關(guān)材料參數(shù)，選擇標(biāo)準(zhǔn)截面兩側(cè)各一半面板以及堆石體建立有限元計(jì)算模型。混凝土面板分三期進(jìn)行澆筑：?第一期，2018年3月1日—5月31日澆筑1715m高程以下面板；?第二期，2019年3月1日—5月31日澆筑1776m高程以下面板；?第三期，2020年3月1日—5月31日澆筑1821.8m高程以下面板?；炷量沽寻踩劝聪率接?jì)算：

(1)

式中：t為混凝土齡期，d；k(t)為混凝土抗裂安全度；fc(t)為齡期為t的混凝土抗拉強(qiáng)度，MPa；σ1(t)齡期為t時(shí)的混凝土第一主應(yīng)力，MPa。

根據(jù)面板堆石壩結(jié)構(gòu)及施工特點(diǎn)，設(shè)置仿真計(jì)算工況如下：

假定Ⅰ序面板3月1日澆筑，Ⅱ序面板3月10日澆筑，考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件影響，結(jié)合以往工程案例，面板澆筑溫度假定為澆筑日平均氣溫加3℃，考慮面板自重荷載，面板與擠壓邊墻間采用乳化瀝青填料，面板與趾板、兩序面板之間采用相同處理方式?？紤]晝夜溫差及日照輻射對(duì)面板溫度場(chǎng)的影響，面板表面不采用任何溫控防裂措施。

2.1 溫度、應(yīng)力分布特性

圖1和圖2為澆筑次日凌晨(0.5天)混凝土面板溫度和第一主應(yīng)力分布情況。由于散熱均勻，頂面溫度場(chǎng)分布均勻，第一主應(yīng)力沿坡向分布基本均勻。

圖1 0.5天溫度場(chǎng)分布

圖2 0.5天第一主應(yīng)力分布

圖3和圖4為澆筑次日凌晨(0.5天)A截面溫度和第一主應(yīng)力分布及面板變形情況，因頂面散熱、底部接觸傳熱同時(shí)存在，氣溫最低時(shí)，面板溫度基本呈現(xiàn)出中部>底部>頂部現(xiàn)象。面板頂面降溫收縮變形引起壩軸線方向的翹曲變形，面板頂面受拉內(nèi)部受壓，應(yīng)力呈現(xiàn)出頂部>底部>中部現(xiàn)象。應(yīng)力分布與溫度分布相反，說明外部約束作用(底部擠壓邊墻約束)較小，應(yīng)力主要為厚度方向非線性溫度變形引起的翹曲應(yīng)力。

圖3 0.5天A截面溫度分布

圖4 0.5天A截面第一主應(yīng)力分布

圖5和圖6為澆筑3.5天后A截面溫度和第一主應(yīng)力分布及面板變形情況。3.5天面板軸向翹曲變形增大，表面拉應(yīng)力也有所增大，但溫度場(chǎng)、應(yīng)力分布規(guī)律與0.5天基本一致。

圖5 3.5天A截面溫度分布

圖6 3.5天A截面第一主應(yīng)力分布

圖7和圖8為澆筑第5.5天后A截面溫度和第一主應(yīng)力及面板變形情況，面板內(nèi)部溫度有所降低，頂面應(yīng)力與3.5天基本一致，但翹曲變形略有減小。

圖7 5.5天A截面溫度分布

圖8 5.5天A截面第一主應(yīng)力分布

2.2 溫度和應(yīng)力沿厚度方向分布特性

圖9和圖10為距趾板48.0m截面A處溫度和第一主應(yīng)力歷程。受日照輻射、晝夜溫差影響，頂面點(diǎn)(T5)溫度應(yīng)力呈現(xiàn)周期性變化，在澆筑次日凌晨第一主應(yīng)力達(dá)1.2MPa，抗裂安全度0.72，澆筑后10天內(nèi)面板頂面峰值主應(yīng)力均超過相應(yīng)的軸拉強(qiáng)度；底部(T1)溫度變化平緩，由于頂面散熱及底部接觸傳熱的影響，底部T1點(diǎn)峰值溫度為21℃左右，但第一主應(yīng)力較小，約為0.5MPa；內(nèi)部點(diǎn)T3、T4受表面周期性變溫的影響，溫度有一定的波動(dòng)，但最大第一主應(yīng)力在0.8MPa以內(nèi)。

圖9 截面A特征點(diǎn)溫度歷程

圖10 截面A特征點(diǎn)應(yīng)力歷程

面板底部峰值溫度出現(xiàn)之前，典型時(shí)刻截面A處溫度和第一主應(yīng)力沿厚度方向分布見圖11?；炷撩姘鍦囟瘸尸F(xiàn)中間高、兩側(cè)低，且頂面溫度低于下底面溫度。與之相應(yīng)的應(yīng)力分布見圖12。典型時(shí)刻溫度和第一主應(yīng)力沿厚度分布基本相反，說明外部約束較小。0.5～2.5天，面板溫度呈現(xiàn)整體上升趨勢(shì)，但溫度應(yīng)力基本未發(fā)生較大變化，說明在底部約束較小情況下，面板整體變溫對(duì)面板溫度應(yīng)力的影響較小，防裂關(guān)鍵是面板沿厚度方向的內(nèi)外溫差控制。

圖11 截面A處溫度沿厚度分布

圖12 截面A處溫度應(yīng)力沿厚度分布

2.3 應(yīng)力沿坡向分布特性

面板坡向各特征點(diǎn)的坡向應(yīng)力見圖13。各點(diǎn)應(yīng)力規(guī)律基本一致，由于面板自重及水化熱升溫膨脹，越靠近趾板，坡向壓應(yīng)力水平越高。齡期10天澆筑Ⅱ序面板(A型接縫)，兩序面板間為乳化瀝青，順坡向約束小，因此Ⅱ序面板對(duì)Ⅰ序面板順坡向峰值應(yīng)力影響小。

圖13 B截面部分特征點(diǎn)坡向應(yīng)力歷程

2.4 壩軸向應(yīng)力分布特性

面板沿坡向各特征點(diǎn)(T6～T12)軸向應(yīng)力歷程見圖14，由于計(jì)算考慮了面板與趾板之間的接觸作用，趾板對(duì)面板的約束較小，沿坡向各特征點(diǎn)軸向應(yīng)力的差異較小。齡期10天后Ⅱ序面板澆筑后，各特征點(diǎn)軸向應(yīng)力明顯減小，說明相鄰面板澆筑對(duì)面板軸向應(yīng)力特性影響較大。典型時(shí)刻面板軸向應(yīng)力分布見圖15，距離趾板較近部位受趾板影響明顯，距離趾板較遠(yuǎn)位置，軸向應(yīng)力分布基本一致。軸向應(yīng)力隨齡期的增長(zhǎng)和彈性模量的增大逐漸增大。

圖14 B截面部分特征點(diǎn)軸向應(yīng)力歷程

圖15 B截面特征點(diǎn)軸向應(yīng)力分布

3 裂縫分布規(guī)律分析

3.1 按面板澆筑時(shí)段溫度分析

二期面板完成5～63號(hào)倉(cāng)位混凝土澆筑，其中偶數(shù)單元為Ⅰ序板，奇數(shù)單元為Ⅱ序板，自2019年3月1日開始澆筑，5月25日澆筑完成。二期混凝土面板分別在4月30日、5月10日、5月22日、5月31日、6月22日、7月2日、7月12日、7月22日及11月8日，共計(jì)進(jìn)行了9次裂縫普查，裂縫與溫度關(guān)系見圖16。

圖16 裂縫與溫度統(tǒng)計(jì)曲線

從上述統(tǒng)計(jì)及圖16中可以看出，面板裂縫發(fā)生與澆筑時(shí)段內(nèi)的最高溫度、平均溫度存在正相關(guān)關(guān)系，3月份最高氣溫、平均溫度均較低，此時(shí)段內(nèi)澆筑的面板混凝土裂縫數(shù)量占比最??；4月份溫度上升，當(dāng)溫度達(dá)到最高時(shí)，裂縫占比也達(dá)到峰值；而在5月1—10日期間平均氣溫、最高溫度均出現(xiàn)下降，伴隨溫度下降裂縫占比明顯下降，5月11—20日期間伴隨溫度上升，裂縫占比也出現(xiàn)了明顯的上升，5月25日二期面板混凝土澆筑完成(5月21—25日期間澆筑面板較少，因此統(tǒng)計(jì)的面板裂縫占比也較小)。因此，由上述面板裂縫占比與氣溫相關(guān)性規(guī)律可以看出，溫度越高面板裂縫數(shù)量越多。

3.2 按面板澆筑序列分析

二期總計(jì)澆筑59塊面板，其中54塊面板發(fā)現(xiàn)有裂縫，對(duì)54塊面板按Ⅰ、Ⅱ序進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，繪制散點(diǎn)圖及趨勢(shì)線，見圖17。從圖17中可以看出，二期面板中Ⅱ序板裂縫數(shù)量明顯高于Ⅰ序板。分析其原因：一方面是由于Ⅱ序板普遍在4、5月份進(jìn)行澆筑，澆筑期間溫度較高，根據(jù)按面板澆筑時(shí)間的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，溫度越高產(chǎn)生的裂縫數(shù)量越多；另一方面，Ⅰ序面板僅受擠壓邊墻約束，Ⅱ序面板受Ⅰ序面板兩側(cè)約束，其所受溫度應(yīng)力無法有效釋放也將導(dǎo)致裂縫的發(fā)生。

圖17 每倉(cāng)面板裂縫占比散點(diǎn)圖

3.3 按裂縫發(fā)生高程分析

按歷次裂縫普查數(shù)據(jù)，按二期面板1715～1776m高程間隔5m進(jìn)行分段裂縫統(tǒng)計(jì)，繪制散點(diǎn)圖，見圖18。從圖18中可以看出，面板裂縫主要集中在中下部位置，這與約束條件下面板混凝土應(yīng)力分析結(jié)果“裂縫將位于面板中下部，且為水平裂縫，面板底部越平整，裂縫位置越接近趾板”的結(jié)論一致。

圖18 面板裂縫統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖

4 結(jié) 語

本文對(duì)阿爾塔什大壩工程面板混凝土早期溫度應(yīng)力以及不利條件對(duì)面板應(yīng)力影響等方面進(jìn)行初探，分析混凝土面板裂縫發(fā)生規(guī)律，找出影響面板混凝土施工的主要因素，為后續(xù)混凝土面板施工提供參考和借鑒。

a.沿面板厚度方向，面板頂面散熱作用及面板底部的接觸傳熱作用，導(dǎo)致面板溫度分布依次是中部>底部>頂部，對(duì)應(yīng)第一主應(yīng)力依次為頂部>中部>底部。采用乳化瀝青填料情況下，擠壓邊墻對(duì)面板約束較小，整體變溫對(duì)面板溫度應(yīng)力影響較小，溫度應(yīng)力主要由沿厚度方向的非線性溫度分布引起。

b.坡向應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，但由于自重作用，越靠近趾板，坡向壓應(yīng)力水平越高。澆筑早期，坡向受壓范圍較大，隨齡期增長(zhǎng)，坡向拉應(yīng)力區(qū)范圍逐漸增大；兩序面板間采用乳化瀝青填料情況下，面板順坡向約束較小，Ⅱ序板對(duì)Ⅰ序板坡向應(yīng)力影響較小。

c.面板軸向應(yīng)力在靠近趾板位置受趾板影響明顯，在距離趾板較遠(yuǎn)處，軸向應(yīng)力基本一致。隨齡期增長(zhǎng)，軸向應(yīng)力逐漸增大。Ⅱ序面板澆筑對(duì)Ⅰ序面板軸向應(yīng)力影響明顯。

d.Ⅱ序面板裂縫數(shù)量與澆筑間隔時(shí)間未發(fā)現(xiàn)有明顯的相關(guān)性規(guī)律，說明澆筑間隔時(shí)間不是影響面板裂縫的主要原因；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，面板裂縫主要集中發(fā)生在5、6月份，該時(shí)段內(nèi)氣溫較高、日照時(shí)間長(zhǎng)、溫差大，因此溫差大、氣溫高是導(dǎo)致面板裂縫的主要原因。