混凝土裂縫控制理論下的水利工程施工技術

王永華

(聊城市東昌府區水務局，山東 聊城 252000)

水是人類生產生活中必不可少的資源之一，但其自然存在的狀態并不完全符合人類的需要。因此為保證水資源能夠為人類所用，修建水利工程是重要舉措。水利工程可以控制和調配自然界的地表水和地下水，防止洪澇災害，達到除害興利目的，滿足人們生產生活需要[1]。施工是水利工程修建過程中重要的一個階段，在這一階段中，用到的施工技術有地基處理技術、施工導流與截流技術、水墜壩施工技術、混凝土壩施工技術。其中最后一項是水利工程施工中關鍵技術之一。但在混凝土大壩修筑過程中，經常因各種原因導致壩體出現一些裂縫，對整個水利工程的修建質量造成嚴重影響，縮短工程使用壽命，影響人們正常用水活動，增加水患災害風險。因此為避免或減少裂縫產生，改進傳統混凝土壩施工技術必不可少[2]?；炷亮芽p控制理論下的水利工程施工技術以溫差裂縫控制為主要研究內容，分為兩步：一是確定混凝土內部與外部環境之間的溫差，是整個技術中最難也是最復雜的一步，因此在文中重點介紹；二是根據確定的溫差，按照溫差標準，判斷是否會產生裂縫，如果產生裂縫，應如何應對。為驗證混凝土裂縫控制理論下的水利工程施工技術的有效性，進行對比實驗。結果表明：混凝土裂縫控制理論下的水利工程施工技術與傳統水利工程施工技術相比，裂縫控制效果更好。

1 混凝土壩裂縫產生的原因

(1)混凝土壩原料配置不合理或在攪拌過程中粗料厚度過大但振搗工作不充分、不均勻，造成沉降裂縫。

(2)混凝土在成壩變硬過程中，混凝土發生體積形變，而這股力量會與混凝土自身約束力相互抗衡造成收縮裂縫的產生[3]。

(3)在混凝土成形變硬過程中，混凝土會一直維持塑性收縮狀態，這時混凝土中較小、較輕粒子會逐漸向上移動，較大、較重粒子會逐漸向下移動。這種移動過程在受到外部鋼筋或鋼板結構約束時，產生塑性裂縫[4]。

(4)混凝土自身溫度與外部環境溫度很難達成一致，會有一定的誤差，造成混凝土內部與外表熱脹冷縮程度不同，產生一定的拉應力，在壩體表面產生裂縫。這種裂縫就是溫度裂縫。

(5)未按照嚴格施工標準施工而造成的裂縫。

前三種是混凝土自身因素造成的裂縫，后兩種是由于外部客觀因素造成的裂縫。

2 確定混凝土內外部溫差

水利工程屬于大型工程建設，施工時間一般都比較緊張，任務重，因此不可避免地會在溫差比較大的季節進行施工，如冬季，夏季，使得混凝土受氣溫影響，產生溫度裂縫[5]。這類裂縫是所有裂縫類型中最常見的一種，嚴重降低工程質量。因此本文就以溫度裂縫為主要研究對象，對溫度裂縫控制進行研究，優化水利工程施工技術，提高混凝土壩施工質量。

在水利工程混凝土壩施工中，為防止表面裂縫的產生，必須控制混凝土內部與外部環境之間的溫差，這就需要進行各種溫度的計算。

2.1 計算混凝土澆筑溫度

混凝土澆筑溫度是指混凝土經過平倉振搗后，在覆蓋上層混凝土前，測量在距離混凝土面下10cm深處的溫度[6]。

計算公式如下：

A=B+(C+B)·(D1+D2+…+Dn)

(1)

式中，A—混凝土澆筑溫度；B—混凝土攪拌過程中的溫度；C—混凝土澆筑時的室外環境溫度；(D1+D2+…+Dn)—溫度損失系數。

2.2 計算絕熱溫升

“絕熱升溫”是指處在絕對封閉條件下，即周圍無任何散熱條件時，混凝土中水泥在化熱過程中產生的熱量。

用數學公式表示為：

(2)

式中，E—某時刻時混凝土的絕熱升溫；F—最高溫度值；H—每千克水泥遇水轉化的熱量，取值見表1；I—每立方米的混凝土中水泥含量；J—混凝土比熱；ρ—混凝土密度；G—常數，常取為2.5345。

表1 H取值

2.3 估算混凝土內部溫度

混凝土在根據設計好的建筑模型進行澆筑后，會產生一個澆筑溫度，隨后受水泥水化熱影響，混凝土內部溫度將逐漸上升，但又由于與周圍介質不斷進行熱交換，溫度時刻處在降低狀態下，因此混凝土內部溫度有一個由低到高，又由高到低的過程[7]。因此要想計算準確的混凝土內部溫度是不現實的，但可以進行大體估算，估算公式如下：

K=L+ζM

(3)

式中，K—某時刻內混凝土內部溫度；L—混凝土澆筑溫度；M—混凝土絕熱溫升；ζ—溫度降低系數。

2.4 估算混凝土表面溫度

計算公式為：

(4)

式中，N—某時刻內混凝土表面溫度；O—周圍外部環境溫度；P—混凝土澆筑成形后的厚度；R—混凝土單面散熱時的虛厚度。

2.5 溫差計算

計算公式為：

Δ=K-N

(5)

式中，Δ—混凝土內部與外部的溫差。根據大體積混凝土溫差標準：當溫差大于±25℃，混凝土會出現溫度裂縫。

3 溫度裂縫控制措施

對混凝土的內外溫度進行實時監測；根據溫差確定保溫養護時間；保持混凝土表面濕潤；采用保溫性能良好的材料用于混凝土的保溫養護，如塑料薄膜、草袋等；在混凝土壩工程拆模后，采取預防寒潮襲擊、突然降溫和劇裂干燥等措施防止溫差過大出現裂縫[8]。

4 對比實驗

為驗證新型混凝土裂縫控制理論下的水利工程施工技術的有效性，與傳統水利工程施工技術進行了對比實驗。

在南方某地區要建立一個水電站工程攔河混凝土大壩，該壩高280m，拱頂弧長698.00m，拱冠底部厚70.0m，壩體混凝土為685.6×104m3，工程規模和工程量十分巨大[9]。以該水電站大壩12號壩段混凝土為研究對象，對水利工程施工技術中的混凝土溫度裂縫控制效果進行詳細探究。

該壩體混凝土參數見表2。

表2 混凝土各成分用量參數

此外，混凝土壩在澆筑期問，最高氣溫28.8 ℃，最低氣溫15.1℃，晝夜溫差在5～11℃之間[10]。

利用公式(5)計算混凝土壩內部與外部環境的溫差為28℃，大于標準溫差25℃，說明該壩體極有可能出現溫度裂縫。

其次，分別利用新型混凝土裂縫控制理論下的水利工程施工技術中的第二步和傳統水利工程施工技術對混凝土溫度裂縫進行預防和控制。控制結果如圖1所示[11]。

圖1 溫度裂縫控制效果

從圖1中可知，混凝土壩工程拆模后，發現利用混凝土裂縫控制理論下的水利工程施工技術對混凝土壩的溫度裂縫進行控制之后，混凝土壩體表面沒有出現任何裂縫；而利用傳統水利工程施工技術對混凝土壩的溫度裂縫進行控制之后，混凝土壩體表面出現一條大的、肉眼可見的裂縫。由此可見，前者技術要優于后者技術，前者技術對混凝土裂縫控制效果更好，達到預期效果[12-13]。

5 結語

綜上所述，水利工程的修建是人類工程中最重要的舉措之一，例如三峽大壩的修建不僅調節了上下游水資源平衡，產生的電力也極大地方便了人們的生活。但是水利工程的修建并不容易，尤其是混凝土壩的建設施工。混凝土壩極易受到溫度影響，出現溫度裂縫，影響工程質量。因此文章對溫度裂縫控制技術進行了研究。經驗證明該方法的控制效果極好，為水利工程施工中裂縫問題的解決提供了重要的指導意義。但是本研究也存在一些不足之處，溫度取值受一些潛在因素的影響，取值可能存在一定誤差，對研究產生了一定的影響。