1、DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 098面板堆石坝施工期面板应力演化与防裂措施研究周猛辉(江西赣禹工程建设有限公司，江西 南昌 330000)摘要施工期面板应力演化与防裂措施研究，对面板堆石坝防范面板开裂具有超前防治意义。依托工程背景，进行施工期面板温度应力变化规律及因素影响分析、湿度及干缩应力分析、面板防裂措施分析。研究显示:(1)沿厚度的面板拉应力分布规律为表面 中心，在表面形成最大拉应力，沿高程，最大拉应力多发生在中高程面板附近;(2)整体状态下，板厚越小，温度对应就越低，板厚能够适当降低面板拉应力，但是降低幅度并不大;(3)厚度比较大低高程表面的湿度降低变
2、动较慢，中心湿度的降幅也比较小，厚度比较小的面板的中高高程板面，其湿度降低较快，中心湿度的降幅也比较大，最大干缩应力发生在中上高程面板。研究可为同类面板坝工程加强面板开裂防治应用提供技术参考。关键词面板坝;施工期;温度;湿度;干缩;应力演化;防裂措施中图分类号TV641 4+3文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0284 03收稿日期2022 08 03作者简介周猛辉(1993 )，男，江西抚州人，工程师，主要从事水利水电施工方面工作。0引言混凝土面板堆石坝是一种应用频率较高的坝型，具有稳定性好、抗渗、抗滑、施工便利经济适用等优势。混凝土面板具有防止渗漏和传递水压力的作用，
3、一旦开裂，可能逐渐发育成贯穿性裂缝，引发严重渗漏，从而影响工程使用安全。面板开裂机理复杂，诱发因素较多。工程经验显示，大部分面板开裂都与面板早期浇注质量脱不了干系，因此防范混凝土面板开裂，加强施工期面板应力演化与防裂措施研究更具有超前防治意义。这里以案例面板坝工程为依托，开展混凝土面板施工期温度应力、湿度干缩应力以及相关面板防裂措施开展分析研究，以为同类工程应用提供技术参考。1案例工程某水利工程的一处面板堆石坝工程，坝顶宽度 10 m，长度 354 67 m，最大坝高 150 m。上游坡比 1:1 4，下游坡比1:1 3，防浪墙高 4 7 m，高程 2 722 20 m，下游坝坡设计有上坝道路
4、，宽度 10 m，8 层布置。面板采取二级配混凝土，一期施工安排在 5 6 月份。浇筑采取混凝土 6 m3搅拌车拌，运送至浇筑平台，一次滑模成型，最大施工长度 121 1 m。2主要计算参数及模型2 1主要计算参数施工期在 5 6 月，浇注温度 10，不采取措施面板表面的散热系数 51 5 kJ/m2h。面板混凝土的热学参数、坝身材料的热学功效参数、面板体积形变参数具体见表 1 表 3 所示。2 2有限元模型采取常规典型混凝土面板堆石坝断面，做网络划分，共计单元 83 880 个，节点 95 355 个。模型侧面实施法向约束，地基实施全约束。库水接触加载边界散热，大气接触，加载类边界散热。侧面
5、和底部取绝热。有限元模型与边界施加见图 1 所示。图 1有限元模型与边界施加表 1面板混凝土的热学参数设计标号比热/kJ/kg容重/kg/m3导热系数/kJ/mh导温系数 10 3m2/h线膨胀系数/10 6/C30W10F4000 9002 4008 660 03 800 08 400表 2坝身材料的热学功效参数材料导热系数/Kj/mh容重/kg/m3弹塑模量/MPa线膨胀系数/10 6/泊松比垫层料4 502 2505 00010 30过渡料4 502 1705 00010 30堆石料4 502 1505 00010 30基岩4 502 72015 00010 303温度应力分析3 1温度
6、应力变化规律分析3 1 1时程温变关系分析图 2 是面板浇注初期断面 A 面板代表点的温度曲线，曲线显示，节点温度在浇注后迅速升高，在 12 24 h 时程间，自初始升至最大温度，内部点升温慢，表面点升温快。升温期间，最大温度于面板中心区域发生，温度呈现 T 表面 T 底面 T 中心规律，其中心最大温度 20 17 。4822023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3表 3面板砼体积形变参数龄期/d605040352821141075321基准砼料 34 32 30 5 29 26 2 23 3 19 8 19 2 18 15 9
7、 11 2 8 5 4 4加膨胀剂砼料10 68 98 07 87 77 46 33 1 0 1 1 8 1 2 0 50 4图 2断面 A 面板代表点的温度曲线研究还分析了断面 B 的面板代表点的温度变化规律，该代表点历时 12 18 h 获得最大温度，面板中心的最大温度19 06 ，最大温升值和升温速率跟板厚成正比。A 断面厚度比较大，水化热比较大;获得最大温度以后，面板温度便开始发生降低趋势，其间随环境温度，波动约 16 d，最终与环境温度保持趋势一致，达成这一趋势所需时间，具有表面点需时稍快于中心点需时，期间各点的温度，基本均保持低于环境温度。研究还分析了中心和表面不同高程点的温度时变
8、状态，结果显示，最大温度与板厚关联明显，比较厚度的面板，低高程点最大表面温度 17 52 ，较小厚度的面板，中高程点最大表面温度 17 2 ，板厚和最大温度间，呈现正相关规律，此缘于水化热的影响，越厚的面板，水化热量就要越大，达成最大温度以后，板温整体呈现降低趋势，也经历一段随环境温度波动。降温至与环境温度保持趋势一致，大厚度需时比小厚度板需时略长。板厚与温度梯度的关系为板厚越大，则对应的温度梯度就越大。3 1 2温度应力变化规律分析完成浇注后，因为水化热的影响，板内压力逐步加大，最终可以达成 0 62 MPa 的板内压力。面板降温后，应力状态也伴随改变。首先降温的是板面，然后降温区域向板中心
9、发展，后者的降温速度明显低于板面。板面收缩形变受板中心约束影响，表面受拉，板内承压。伴随温降发展，面板收缩形变，又要受到垫层约束影响，沿厚度的面板拉应力分布规律为表面 中心，在表面形成最大拉应力，最大值 9 5 d 可达0 83 MPa。图 3板面应力沿高程分布曲线3 5 d 龄期即开始获得接近混凝土允许抗拉强度，其中最为接近的是板面，导致面板裂隙的温度应力实质为拉力，并且板面的温度拉应力影响最大，因此导致板面裂开的可能性为最大。引发面板水平开裂的主要是坡向应力，工程经验中，面板裂隙也多为坝轴向水平裂隙，二者相符。图 3 曲线显示，沿高程，最大拉应力多发生在中高程面板附近，现实工程考察，也是底
10、部和顶部裂隙较少，坝身中高程区域的面板裂隙居多，两者分布规律相符合。3 2温度应力因素影响分析3 2 1面板厚度影响分析表 4 统计数据显示，整体状态下，板厚越小，温度对应就越低。在升温初期，较大厚度的板面最大温度 17 64 ，较小厚度的板的表面温度最大 16 96 。厚度越大，则其整体温度就越高，中心与表面的温度梯度也就越大。板厚对温度关联影响相对较小。板厚比较大的表面最大拉应力 0 779 MPa，较小板厚的表面最大拉应力 0 799 MPa。板厚比较大时，中心点拉应力最大值为 0 782 MPa，板厚比较小时，中心点的拉应力最大值是 0 96 MPa。板厚能够适当降低面板拉应力，但是降
11、低幅度并不大，对于面板抗裂而言，加大板厚的贡献度并不大。表 4板厚与最高温度、拉应力最大值的关联性数据统计点号最大拉应力/MPa最高温度/底面厚度为 0 7 m底面厚度为 0 6 m底面厚度为 0 5 m底面厚度为 0 7 m底面厚度为 0 6 m底面厚度为 0 5 m10 7790 7890 79917 6417 5216 9620 7820 8320 96320 6020 1718 7130 7330 8230 91220 2319 8518 8040 7400 780 8317 2417 2016 6150 7650 8150 92819 1919 0617 7260 7380 8080
12、 91518 6418 5317 583 2 2绝热温升的影响分析绝热温升的关联性影响数据统计结果见表 5 所示，数据表明:(1)面板最大温度受绝热温升影响，因为砼面板普通大体体积浇筑混凝土有所不同，在升温初期，面板中心点最大温度分别是 20 71 、20 17 和 19 63 ，绝热温升最大值提升 1 ，则面板的最大温度对应提升 0 27 。(2)提升砼材料的绝热温升，使砼面板的整体应力有所提升，绝热温升最大值每提升 1 ，则面板拉应力最大提升约 0 01 MPa。数值变化并不大，都可以允许忽略不计，其分布与变化状态，基本同于其他工况。3 2 3浇注温度的关联影响分析(1)基于 3 个不同的
13、浇注温度绘制板面一个目标点的温度历时曲线，借以分析浇注温度的影响状态。浇注温度 6、8 和 10 时，在升温初期，表面最大温度分别为 16 2、16 8 和 17 42，意味浇注温度提升 2，最大温度对应提升 0 6 左右。温降过程中，板面最低温度均在 8 9 左右。(2)基于 3 个不同的浇注温度绘制板面一个目标点的应力历时曲线，借以分析浇注温度与面板应力的关联性影响。浇注温度分别取 6、8、10 时，坝坡向最大应力值分别是0 6 Mpa、0 7 Mpa、0 8 Mpa，最大温度相差 1 ，最大应力值相差 0 05 MPa。582第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月表 5绝热温升
14、的关联性影响数据统计点号温升温升温升温升温升温升41 2 39 2 37 2 41 2 39 2 37 2 10 8040 7890 77617 8217 5217 2220 8540 8320 81720 7120 1719 6330 8460 8230 80520 4619 8519 2440 7930 7800 76117 4817 2016 9150 8320 8150 79319 5519 0618 5760 8280 8080 78319 0618 5318 004湿度及干缩应力分析分析显示，板面节点湿度呈现逐渐降低的变动趋势，并且降低速率具有先快后慢特点，A 断面和 B 断面的测
15、点湿度始终低于中心点的湿度，板面最终湿度在 60%，降幅 40%。板中心的湿度也呈现降低趋势，只是变动速率不像表面那样剧烈变动，沿板厚方向混凝土湿度降幅逐渐降低，A 断面板中心其湿度 92%，约 8%的降幅，B 断面板中心其湿度 89%，约 8%的降幅，断面面板中心的湿度为 11%。厚度比较大低高程表面的湿度降低变动较慢，中心湿度的降幅也比较小，厚度比较小的面板的中高高程板面，其湿度降低较快，中心湿度的降幅也比较大。浇注后，表面目标点和中心点应力性质都为拉应力，是由于砼表面水分消散流失，发生干缩。但内部水分迁移消散速率缓慢。面板的内外湿度呈现不均匀分布，内部收缩形变比较小，外部收缩形变比较大。
16、面干缩受内部结构状态约束，因而形成比较大拉应力。中上高程面板发生最大干缩应力值。板面湿度 43%、60%、77%，降幅在 57%、40%、23%，表面最大干缩应力值1 1 MPa、0 82 MPa、0 46 MPa。环境湿度过高情况下，面板的干缩应力和湿度降幅均有所降低，环境湿度每加 10%，板面湿度则对应提升 8 50%，应力降低 18%，。施加保湿措施后，板面湿度降幅有所降低，板面最终湿度为 92%、81%，降湿幅度 为 8%、19%，表 面 最 大 干 缩 应 力 0 18 MPa、0 42MPa。板面干缩应力的降低幅度高于板内干缩应力的降低幅度，所以保湿对控制和降低板面干缩应力，其作用明显。5面板防裂措施分析5 1保温措施为降低寒潮和日温度差对面板防裂功效的影响，结合面板堆石坝常规工况和寒潮模拟计算结果，对面板常规工况与考虑寒潮 15 温度变幅度条件下的温度场、温度应力、板面保温功效的关联性进行比较分析。保温措施下温度和应力分析显示:(1)保温功效越好，获得最大温度的所用时间越长，该温度也越高。8 cm 保温、2 cm 保温和不保温的表面最大温度分别为 26 3 、22 98
