基于大型水庫重力壩壩體的抗凍耐久性研究

尉紅星

(新民市水利服務中心，遼寧 新民 110300)

凍融循環會嚴重影響混凝土的力學性能，使其產生微裂縫，加速有害離子的侵入及內部鋼筋的銹蝕，大大減少水工結構的使用年限，甚至威脅者水庫大壩的安全運行[1-2]。葠窩水庫建于我國北方嚴寒地區，晝夜溫差大且冬季氣溫較低，冬季混凝土重力壩極易產生凍融破壞，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部的毛細水發生凍結，體積膨脹并產生凍脹應力甚至形成滲流通道的一種現象，凍融損傷受溫度的影響較大[3]。混凝土凍融損傷易發區主要集中于我國的華北、西北及東北地區，特別是水工混凝土澆筑施工時要引起高度的重視。

目前，常用的凍融損傷監測方法有X射線法、超聲波測速發和共振頻率法等，其中X射線法比較適用于局部監測，超聲波檢測法能夠比較客觀的評價凍融裂化程度，而共振頻率法在實際工程中的應用最為廣泛[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質，實際應用時尚存在一些不足。因此，研究凍融損傷監測方法有利于及時發現、處理安全隱患，為實時監測混凝土凍融損傷情況提供技術支持。

1.2 凍融損傷研究方法

一般地，外部荷載的循環作用是引起混凝土破壞的關鍵因素，而毛細水結冰膨脹則是造成凍融損傷的主要原因[6]。依據相關研究，可利用下式計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為經多次凍融循環和初始的混凝土彈性模量；γn、γ0為經多次凍融循環和初始的混凝土泊松比；N為凍融次數；p、q、k、n為試驗參數。

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

(a)壓縮應力應變關系 (b)拉伸應力應變關系圖1 混凝土凍融損傷應變關系

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。葠窩水庫的建成運行發揮著重要的防洪抗旱、泥沙攔蓄、徑流調節等功能。

2.2 壩體裂縫情況

在1971年8月施工期，大壩壩體首次發現裂縫，當年即查處210條裂縫。1971-2006年10次裂縫普查發現，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重。總體上，大壩裂縫主要分類四類。①一類裂縫：自基礎向上開裂的縱向裂縫，最為嚴重的23#壩段兩條縱向裂縫已將大壩分成三塊，對大壩的安全穩定造成嚴重影響。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，引起寬墩滲漏并嚴重影響閘墩的安全。③三類裂縫：水平施工縫開裂，經鉆孔壓水及孔內電視檢測，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，此類裂縫雖然對大壩穩定不構成直接威脅，但會引起滲漏，對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冰，如圖2所示。

圖2 葠窩水庫壩體水平裂縫漏水結冰

以上裂縫對大壩的安全性、抗滲性、耐久性、整體性和外觀造成嚴重影響，使整個壩體的安全度下降，大壩使用壽命大大縮短。實踐經驗和理論研究表迷你，

理論研究和實踐經驗均表明，混凝土壩凍融損傷是導致壩體裂縫的主要因素，其他荷載作用所引起的應力與凍融損傷相比相對較小，即凍融損傷起著控制作用，壩體材料及結構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 凍融作用機理

總體上，可以將混凝土的凍融過程劃分成4個階段：第一階段為無損傷狀態，即宏觀上未受到凍融侵蝕；第二階段出現較多侵蝕空洞，混凝土受凍融循環作用開始出現空洞；第三階段嚴重影響結構強度，前期形成的空洞逐漸變大并連接成片，結構內部的鋼筋及骨料開始暴露，細骨料逐漸脫落并導致結構強度的下降；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次數的逐漸增大，骨料受凍融作用出現大范圍的掉落，大大降低了結構的整體強度進而危機其安全使用，該階段造成的損傷已無法挽回[8]。

2.4 抗凍耐久性分析

對于混凝土重力壩而言，并非所有的部位都會出現凍融損傷，溫度達到0℃以下和壩體內部達到充水飽和是壩體發生凍融破壞的2個必要條件。因此，必須把控以上兩點才能實現壩體凍融損傷的有效監測，以及凍融區的精準測算，為壩體裂縫的及時管控提供指導。目前，比較常用的確定凍融區的方法是有限元法，涉及的參數有庫內水溫、氣溫、上下游水位等，經有限元軟件模擬計算合理確定凍融區域。一般地，飽水區域極易出現凍融損傷，特別是溫度低于0℃時水結冰產生體積膨脹，所以可將凍融易發區設定為溫度低于0℃的飽水區。

實踐表明，混凝土重力壩存在的潛在破壞主要有深層滑動面或沿基建面滑動、傾覆破壞、壩重拉裂、壩址受壓破壞等。借鑒相關理論成果，壩體的失穩與位移密切相關，所以將壩體中心點的位移作為壩體受凍融循環破壞的判別依據具有較好的效果。結合實際監測資料，受水載荷一側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出下降趨勢，該階段混凝土發生局部破壞，并達到塑性階段。隨著混凝土破壞程度的加大及凍融循環次數的增加，豎向位移持續增大，壩頂開始傾倒，此時已嚴重影響到結構安全。壩址一般以受壓為主，故結構整體性能受壩址局部損傷的影響較低。總體而言，凍融循環次數和凍融損傷的程度直接決定著壩體結構安全，凍融循環次數越大產生的影響和損傷就越大，對壩體耐久性的影響也越嚴重。不同凍融循環次數下，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的增加而明顯增大，并且位移變化隨凍融系數的增加基本呈對數增長。

2.5 對策建議

1)預防措施。針對凍融破壞問題，水庫運行管理單位應采取合理的預防和控制措施，最大程度的降低凍融危害，有效減少凍融次數。例如，可將適量的外加劑摻入混凝土中，在保證結構強度的同時還可有效預防凍融破壞；合理調整水灰比，有效減少水化熱和內部空洞的形成，提高混凝土的密實度、抗凍性及整體強度；做好養護，冬季施工時可以摻入適量的防凍劑或早強劑，預防早期混凝土受凍破壞。

2)加固整治。壩體表面混凝土出現輕微破壞時，可利用水泥修補砂漿處理；水流區域壩體受凍融損傷時可用預縮砂漿修補，既可提高壩體結構的整體強度又能改善混凝土的抗疲勞性能。

3 結 論

文章綜合分析了遼陽境內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變關系，揭示了壩體結構受不同凍融循環次數的影響機理。結果發現，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的增加而明顯增大，并且位移變化隨凍融系數的增加基本呈對數增長。然后結合實踐經驗提出相應的預防措施，旨在為水工結構的穩定安全運行提供保障。