水電站廠房大體積混凝土溫度應力分析與防裂措施

付皓杰

摘要：水電站廠房下部為大跨度厚壁空腔混凝土結構，形狀復雜，體積龐大，受自身及周圍介質溫濕度變化的影響，以及基巖的約束作用，不同部位經常出現較大的溫度應力，導致混凝土產生裂縫。若混凝土裂縫得不到有效控制，將破壞廠房下部結構整體性，縮短其使用壽命，甚至改變結構受力狀態，從而影響建筑物安全。基于此，本文詳細探討了水電站廠房大體積混凝土溫度應力及其防裂措施。

關鍵詞：水電站廠房;大體積混凝土;溫度應力;防裂措施

由于大體積混凝土具有體積大、混凝土數量大、工程條件復雜、施工工藝要求高等特點，設計及施工中除滿足強度、剛度、完整性、耐久性要求外，還必須控制溫度變形裂縫，以保證結構的完整性及建筑物的安全。因此，控制溫度應力與溫度變形裂縫的擴展是大體積混凝土設計及施工中的一個重要課題。

一、大體積混凝土概述

大體積混凝土是指混凝土結構物實體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土，稱之為大體積混凝土。

二、水電站廠房大體積混凝土溫度應力計算原理

1、非穩定溫度計算原理。在針對混凝土進行計算時，對計算區域內任意一點處進行確定，非穩定溫度場在確定過程中，需能滿足熱傳導方程需求，這樣才能保證非穩定溫度計算的準確性和有效性。

2、水管冷卻問題處理。通過相關文獻資料中的內容顯示，可將冷卻水管當作負熱源，在此基礎上，對其自身水管冷卻效果進行考量和分析。同時，根據實際情況的不同，能得出混凝土等效熱傳導方程，這樣有利于對水管冷卻問題進行妥善處理。

3、應力場計算原理。混凝土在復雜應力環境下，其自身應變增量包括彈性應變增量、徐變應變增強、溫度應變增強等，在計算應力場時，要將這些因素一并融合其中，這樣才能保證對應力場計算的有效性。

三、水電站廠房大體積混凝土溫度應力計算模型和參數

1、計算模型。將某水電站廠房標準機組段下部混凝土結構作為分析對象。通過對該機組下部結構分析可知，其自身上下游方向長85.4m、寬30m，高33.3m。在實際操作中，通過有限元計算方式進行分析，由此得知，其自身地基在上下游和深度方向各延伸一倍混凝土結構高度。同時，其自身總共設置18個澆筑層，約束區層的厚度大概在1至2m，非約束區層厚度在2至3m左右，每一層內又可根據實際情況具體要求，劃分為2至6個澆筑塊。

2、邊界條件。在針對溫度場技術計算時，與其自身相關計算模型中的地基底面及四周側面都會取為絕熱邊界，在機組段上的上下游面積，極其它臨空面大多數情況下都會將其設置為固體散熱邊界。另外，根據實際情況，以及該地區平均風速及覆蓋保溫材料的表面放熱系數，可對其進行準確判斷。同時，在計算應力場時，其自身地基底面及四周側面應取為法向約束狀態，這樣能促使其它臨空面處于自由邊界狀態。

四、水電站廠房大體積混凝土裂縫問題

1、水泥水化熱。大體積混凝土內部熱量主要從水泥水化中產生，由于大體積混凝土截面厚度大，因此水化熱聚集在結構內不易釋放出來，將會引起急驟升溫。混凝土單位體積內的水泥用量和品種是引起水化熱絕熱溫升的重要因素，隨著混凝土齡期按指數關系增長，最終絕熱溫升時間一般在10d左右，但由于結構自然散熱原因，實際上混凝土內部的最高溫度大多發生在混凝土澆筑后的3～5d左右。

2、混凝土收縮。混凝土在空氣中硬結時體積減小的現象稱為混凝土收縮。混凝土在不受外力情況下的這種自發變形，受外力約束時（支撐條件、鋼筋等），將在混凝土中產生拉應力，使混凝土開裂。引起混凝土裂縫主要有塑性收縮、干燥收縮、溫度收縮等三種。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固結硬過程中產生的體積變化，后期主要是在混凝土內部自由水分蒸發引起的干縮變形。

3、外界氣溫變化。大體積混凝土施工階段，往往要受外界氣溫變化的影響。混凝土內部溫度由澆筑溫度、水泥水化熱絕熱溫升、結構散熱降溫等各種溫度的疊加。當外界氣溫越高，混凝土澆筑溫度也越高;外界溫度下降，尤其是驟降，會增加外層混凝土與混凝土內部的溫度梯度，產生溫差和溫差應力，當混凝土抗拉強度不足以抵抗該溫度應力時，便產生溫度裂縫。因此選擇低溫澆注，就會減少表層混凝土與外界氣溫的溫差，有助于防止大體積混凝土開裂現象。

五、水電站廠房大體積混凝土防裂措施

1、合理、科學的選擇原材料。影響一個工程質量的最根本因素是施工材料，所以需科學選擇整個工程中的材料，混凝土工程中涉及的材料包括：①水泥。水泥是組成混凝土構件的重要組成部分。隨著科技的發展，水泥種類越來越多，需科學選擇整個工程中的水泥，減少澆筑后水熱化影響。可采用在混凝土中摻入混合材料，降低混凝土水熱化現象。可研發出新材料，用新的材料替換水泥，做到既能提高構件強度，又能因水泥用量減少，使混凝土水熱化現象降低。②骨料。在混凝土中，必不可少的材料就是骨料，這些材料是為了約束混凝土中的砂、石等。具體施工時，需根據具體工程實際分析，在大體積混凝土構件中，最好使用大粒徑骨料，只有這樣才能保證整個工程質量，并且能有效減少裂縫現象。在具體施工時，必須按施工圖紙中規范要求進行施工，嚴格控制混凝土中各種材料的用量。③摻和料。在混凝土攪拌時添加摻和料，是為了降低混凝土水熱化現象，換句話說就是降低混凝土內部溫度。當前，在混凝土摻和最多的就是粉煤灰，粉煤灰能提高混凝土強度與質量，因而，需積極研發新的摻和料，不斷提高混凝土構件質量。

2、加強對混凝土施工過程的質量控制。①控制好大體積混凝土入模溫度。施工人員在施工結束后，混凝土構件易發生水熱化現象，這就要求施工人員在澆筑混凝土時，要控制好溫度，以確保混凝土澆筑時的溫度不會出現太大變化。而且很少會因高溫天氣導致混凝土水分大量蒸發。在專業施工過程中，應嚴格控制好施工溫度;②對水電站廠房大體積混凝土的構件做澆筑時，施工人員可選擇更加合理的澆筑方法進行澆筑。比如，選擇分層澆筑法，可確保混凝土構件，同時減少水熱化現象，以增強混凝土構件承受能力，提升質量;③施工人員在澆筑前，應做好各項澆筑前期準備工作，并制定合理、科學的澆筑計劃，在實際施工中，應嚴格依照計劃展開。此外，對比相關施工單位，所涉及到的各項技術問題，需做好各項教育工作，比如，施工單位為了更好的發展，應在社會快速發展指導下，不斷創新技術，只有控制好技術，方可提升混凝土構件質量;④水電站廠房大體積混凝土澆筑結束后，需對項目展開階段性的驗收，同時做好質量監測，也就是對混凝構件加強管理，做好科學防護。

3、加強對水電站廠房大體積混凝土的養護。水電站廠房大體積混凝土表面的保護、養護工作，需交由專職人員實行輪班巡查，以確保廠房保濕條件處于最優狀態，以免發生干縮變形情況。整個混凝土養護工作的目的是為使混凝土于適宜環境下漸漸凝結，這樣可保證混凝土內部結構變得更加穩定。而且養護工作應在確保混凝土內外部溫差較小，同時保證施工溫度不低于使用時的溫度，澆筑結束后20～28h內方可進行，溫度較高時需及早養護。整個養護過程中，施工人員可選擇1.5cm左右外包編織袋（或薄膜），而后加上防水薄膜，這樣可將水電站廠房保護起來，以免陽光直射，從而達到更好的保濕、避曬作用。

參考文獻：

[1]藺春雷.水電站廠房大體積混凝土裂縫問題與防裂措施研究[J].山西水利科技，2016（01）.

[2]丁兵勇.水電站廠房大體積混凝土溫度應力分析與防裂措施[J].南水北調與水利科技，2015（02）.

[3]林桂元.水電站廠房大體積混凝土溫度應力分析與防裂措施對策[J].建筑工程技術與設計，2017（09）.