干燥氣候條件對河岸堤防裂縫擴展及穩定性的影響

馬寶玉

(新疆塔城地區烏蘇市水利管理站,新疆 塔城 833000)

0 引 言

大壩是我國水利建設中的重要組成部分,具有防洪、發電、灌溉、供水和航運等功能,一旦大壩發生破裂、潰壩等情況,會給下游及周邊地區造成嚴重的危害和巨大的損失。

改性混凝土水壩雖然可以提高壩體穩定性,且在澆筑速度方面沒有嚴格的工藝限制,但因其降低水泥用量,且粉煤灰占比略大,對混凝土的水化反應具有一定延遲效果[1-3]。改性混凝土建造的水庫,混凝土徐變能力不足,降低了混凝土極限拉伸值,導致抗裂能力相比市面上常見的混凝土略有下降。在施工過程中,改性混凝土骨料用水量較少,沒有采用加冰降溫等處理方式,導致自然散熱速度緩慢[4-6]。

林鵬等通過分析地熱水泥碾壓混凝土的溫控防裂難度,將適應性智能通水應用到混凝土壩中,保障水壩安全,實驗結果顯示,采用適應性智能通水后,最高溫度符合率達100%,能夠較好滿足干熱河谷環境下適應性溫控防裂要求,大幅簡化了施工工藝,提高了效率[7-8]。在嚴寒地區的混凝土壩中,平均溫度普遍較低且溫差過大,水庫壩體的溫度穩定性較低,導致混凝土基礎溫差較大,易出現裂縫等問題。混凝土表面因干燥氣候條件的影響缺失水分,導致干縮裂縫等情況[9-10]。為有效避免混凝土裂縫出現影響大壩結構整體性與安全性,必須重視混凝土溫度控制技術的有效應用,從而保證大壩大體積混凝土施工質量,維護水利工程項目運行穩定與安全。

1 寒冷干燥地區河堤混凝土穩定性優化設計

1.1 工程概況

壩體裂縫是影響水庫、大壩安全最廣泛的病害之一。碾壓混凝土與常態混凝土屬于脆硬性材料,雖然具有較高強度的抗壓強度,但抗拉能力卻不足抗壓強度的20%。當溫度應力變化過于明顯時,便會導致河岸堤防出現裂縫,裂縫修補困難且效果不佳,溫度裂縫會破壞結構的整體性、抗滲性,導致混凝土耐久性下降,危害大壩安全。對于體積較大的混凝土結構,裂縫問題非常嚴重[11-13]。

針對河岸堤防裂縫的擴展以及穩定性,選擇新疆維吾爾地區北疆腹地的烏蘇市周邊不同小型水庫共18座,研究混凝土裂縫穩定性以及優化混凝土。烏蘇市位于準噶爾盆地西南緣,地理位置E 83°21′-E85°03′,N41°31′-N45°18′,西與博爾塔拉蒙古自治州為鄰,南至婆羅科努山分水嶺與伊犁相接,東以八音溝為界與烏蘇市隔河相望,北至克拉瑪依市、塔城地區托里縣。烏蘇市水庫所在工程區位于北天山中段婆羅科努山北麓山前微傾平原區,古爾班通古特沙漠南緣,海拔高程 1 400～2 000m,地勢由南向北傾斜,坡降 14‰～27‰。平原區由沖洪積扇聯接組成,表面具有大面積砂層覆蓋。

目前,烏蘇市水庫存在的主要問題有:水庫上游壩坡混凝土護坡部分存在裂縫的情況;現狀水庫大壩面板間水平縫裂開,縫寬約 3～5cm;放水涵洞存在裂縫;防浪墻存在裂縫、骨料外露現象,路沿石傾倒等。

1.2 混凝土變形與裂縫分析

河堤與壩體基本組成材料為混凝土,混凝土的體積形態受到結構內部溫度變化的影響,當溫度變化不均時可能導致結構位移場改變。當體積形態受到不同程度干擾后,就會出現拉應力與壓應力;當兩種應力超出混凝土承受的極限值時,就會導致壩體裂縫的出現。因此,首先分析干燥氣候條件下河岸堤防的混凝土溫度場的變化[14-16]。混凝土溫度應力變化主要受到水化影響,水泥水化熱速率與環境溫度成正比,計算公式如下:

(1)

式中:Q(τ)為水泥水化熱;τ為水泥齡期;Q0為最終水化熱;n為水泥水化一半時水泥齡期。

混凝土的絕熱溫升計算公式可利用式(1)推算:

(2)

式中:W為水泥使用量;c為混凝土比熱;F為不同材料混合用量;k為折減系數。

混凝土的溫度應力類型見圖1。

圖1 溫度應力類型

混凝土的溫度應力大致可分為自生應力與約束應力兩種。在圖1(a)中,混凝土外部為全固定結構,不會遭受任何約束作用,自生應力會給混凝土澆筑的大壩表面帶來拉應力,大壩內部產生壓應力。在圖1(b)中,當混凝土的部分結構受到外部約束時,內部會受到溫度變化的影響,導致體積形變受到約束產生應力,即約束應力。在河堤結構中,一般都會存在自生應力與約束應力相互疊加的情況,這也是河堤與水庫裂縫產生的主要原因。

1.3 基于有限元分析的寒冷地區路堤混凝土防裂設計

在針對寒冷地區的路堤與水庫混凝土進行防裂設計過程中,選擇烏蘇市克特吾勒水庫等中小型混凝土水庫為例。水庫以供水為主,具有防洪與畜牧業草場供水等作用。特吾勒水庫壩址位于特吾勒河出山口上游約 4km 處,距烏蘇市約 62km、距烏蘇市馬吉克牧場場部 7.2km。擋水壩剖面圖見圖2。

圖2 擋水壩剖面圖

特吾勒水庫總庫容623×104m3,興利庫容530×104m3,死庫容20×104m3。大壩壩型為瀝青混凝土心墻壩,最大壩高65.01m,大壩全長180m,壩頂高程1 581.51m。大壩、放水隧洞和溢洪道工程抗震設防類別為丁類。該地區多年平均氣溫為7.8℃,屬嚴寒地區。由于氣溫年變動幅度大,日幅度變化明顯,因此氣溫計算公式與上游庫不同深度下水溫計算公式如下:

式中:t為時間;s0為初相位至氣溫最高日天數;y為水溫;τ為水溫變化天數;ω為溫度變化周期;τ0為氣溫變化過程初始相位。

混凝土溫度應力控制標準選擇安全系數法為標準,以極限拉伸值控制混凝土應力。為簡化計算,選擇擋水壩的一半壩段進行研究。大壩溫度應力場為一種自平衡力系,影響范圍主要體現在溫差過大的部位。大壩有限元模型示意圖見圖3。

圖3 有限元模型示意圖

利用ANSYS對大壩進行建模并分析,混凝土壩的澆筑過程為分層分塊的動態過程。因此,網格劃分時,沿壩高與壩軸線方向每一米劃分一層單元。在確定仿真模型后,根據施工進度對特吾勒水庫進行維修與修繕,并選取不同溫控防裂方案,即表面流水、表面保溫以及混凝土摻入氧化鎂3種不同溫控防裂措施。

2 河岸堤防溫度控制策略分析

針對河岸堤防的壩體裂縫穩定性分析,依據環境溫度、混凝土表面溫度和混凝土內部溫度結果,對養護制度和養護策略進行及時調整。不同溫度控制策略見表1。

表1 溫度控制策略對比

溫度控制策略一共分為3種,分別為表面保溫策略、表面流水策略以及摻入氧化鎂共同控制策略。將3種控制策略以8種方式進行對比,其中保溫時間選擇在夏季的8月份與即將入秋的9月份。壩中線溫度場計算結果見圖4。

圖4 壩中線溫度場計算對比結果

在壩中線溫度包絡線中可以看出,不同方式處理下的包絡值重合程度較高。基礎墊層混凝土受到外界氣溫變化的影響,導致澆筑溫度升高,且壩體內部溫度難以散發,此時溫度包絡線與壩高呈現正比。在表面流水措施下的壩體修復部分,可以略微降低溫度峰值。在B策略與F策略中,只進行表面保溫的修復部分混凝土溫度最高超過50℃,最低達到39℃。而不但進行表面流水措施,還將表面保溫時間提前一個月后,溫度有明顯下降,溫度峰值減少3℃。

圖5為下游面不同防裂溫度控制策略對比。結合不同策略保溫下,A策略與D策略的溫度包絡值明顯變高。A策略下,當壩高不斷提高時,最大溫度超過30℃,且當壩高超過30m后,溫度平均達到28.6℃;D策略針對下游面層修補部分的降溫處理中,增加表面流水策略顯著有效。

圖5 下游面不同防裂溫度控制策略對比

在圖5(b)中,B策略下最大溫度應力隨著壩體升高達到最大的30.4℃,而F策略則明顯降低溫度應力,雖然最大溫度相差無幾,但當壩高在36～48m時,溫度峰值降低約1℃。可以看出,下游面修補部分在進行修復過程時,外界氣溫較高且不易散熱,因此表面流水降溫效果明顯。

總體而言,4種策略下的溫度包絡值均與外界氣溫成正比,溫度峰值降低約1.2℃,將不同防裂溫度控制策略綜合應用后,可以顯著降低河堤裂縫現象產生。

圖6為壩中線不同控制策略下溫度應力曲線圖。由圖6可知,A策略溫度應力顯著大于F策略。在A策略中,應力最大值達到2.6MPa,最大應力值位置處于壩高25m,平均應力值為2.23MPa。在F策略中,表面流水與表面溫度共同控制下,可以有效減少溫度應力值,并且加入氧化鎂后,溫度應力顯著降低。最大應力值2.1MPa,最大應力值出現在壩高26m處,平均應力值約1.64MPa。

圖6 壩中線下溫度應力曲線

同時,在溫度控制策略中,摻入氧化鎂可以有效降低水壩基礎強約束區的溫度應力值。表面保溫策略則從內部減少壩體拉應力 ,可以有效阻止內部裂縫的產生。在不同澆筑層面中,第一主應力值均有減少,在不同澆筑層的結合面處的主應力顯著降低,并且F策略的結合處拉應力減少約68%。

綜合來看,表面流水保溫策略對混合混凝土澆筑面的溫度應力減少作用明顯,表面保溫處理策略則對壩體內部的最大應力值相關性不足。

圖7為初始裂縫對摻入氧化鎂的混凝土拉伸應力與位移曲線的影響。

圖7 拉伸應力-位移曲線

當混凝土沒有初始裂縫時,在位移初期呈線性關系,混凝土處于彈性階段,沒有發生破壞;當拉伸作用力過大時,部分混凝土達到破壞閾值,出現斷裂的情況,之后混凝土的彈性模量不斷降低,曲線呈非線性關系;當荷載達到巔峰后,混凝土已幾乎喪失全部承載力。當混凝土有初始裂縫時,在不同的拉伸荷載作用下,位移曲線整體偏低,表明初始裂縫對混凝土的力學性能影響巨大,會大大降低混凝土荷載力。

3 干燥氣候條件對河岸堤防裂縫穩定性建議

3.1 合理蓄水與完善水庫壩體保溫措施

在寒冷干燥地區建設水壩,由于外界溫度變化明顯,晝夜溫差幅度較大,當水壩蓄水時,夏季水庫水可以有效降溫,冬季則可以有效保溫。因此,合理蓄水能夠保證壩體上游面溫度達到穩定,防止裂縫產生。而完善水庫壩體表面保溫措施,則可以有效減少混凝土內外溫差,降低因寒冷導致的溫度應力差距。

3.2 完善流水措施與提高建造材料強度

針對水庫下游面溫度差距過大問題,應積極完善表面流水保溫策略,可以顯著降低壩體內部不同層次結合處的溫度應力峰值。而在混凝土中摻入氧化鎂,則可以有效改善混凝土受力強度,抵消因為溫差過大而導致混凝土產生過大的拉升應力,還可以大大簡化壩體溫度防裂措施。對于建筑工程而言,新技術能夠有效提高建筑的管理效率,提高施工質量,對于施工單位自身的經濟發展也會產生積極有效的促進作用。

4 結 論

隨著碾壓混凝土壩與常態混凝土壩廣泛應用,裂縫問題帶來的壩體安全性也逐漸凸顯,裂縫會導致壩體的抗滲透性、耐久性與完整性下降。因此,為研究干燥氣候下寒冷地區河岸堤壩裂縫影響與穩定性,通過有限元仿真并選擇不同溫控防裂措施,減少壩體裂縫數量,提高穩定性。結果顯示,在澆筑層表面流水可以降低混凝土最高溫度2℃左右,在壩中位置對混凝土摻入氧化鎂后,可以有效減少溫度應力值,最大應力值為2.1MPa,最大應力值出現在壩高26m處,平均應力值約1.64MPa。