碾压混凝土拱坝的温度控制与接缝设计

摘要：随着社会的发展与进步，重视碾压混凝土拱坝的温度控制与接缝设计对于现实生活中具有重要的意义。本文主要介绍碾压混凝土拱坝的温度控制与接缝设计的有关内容。

关键词混凝土；碾压；拱坝；温度；控制；接缝；设计；

中图分类号： TU37文献标识码：A 文章编号：

引言

目前我国是世界上修建拱坝最多的国家,已建和在建的坝高90m以上的拱坝有14座。已建成的最高重力拱坝龙羊峡大坝,坝高178m;最高双曲拱坝二滩大坝,坝高240m;最高空腹重力拱坝凤滩坝,坝高112.5m;沙牌大坝是世界上最高的碾压混凝土拱坝。但混凝土作为一种脆性材料,抗拉性能极低,使得混凝土结构的水利工程极易出现拉应力裂缝。裂缝的存在和扩展会导致渗漏、混凝土的碳化、持久性降低等,甚至危害水利工程建筑的正常运转,缩短建筑物的使用寿命。尤其像混凝土拱坝这种体积较大而坝身又较薄的混凝土结构,裂缝的影响更为严重。为保证坝体安全和正常工作,做好裂缝的分析和防护工作是极其必要。

一、裂缝形成的原因

1.1 混凝土本身性能混凝土为脆性材料，抗压但不抗拉，抗拉强度只有抗压强度的十分之一左右。抗拉变形能力很小，短期加载时的极限拉伸变形只有（0.6～1.0）×10-4，约相当于温度降低6～10℃的变形；长期加载时的极限拉伸变形只有（1.2～2.0）×10-4。而拱坝通常是不配钢筋的，或只在表面配置少量钢筋，与结构的巨大断面相比，含钢率是极低的，若出现了拉应力，只能依靠混凝土本身来承担。正因为如此，在许多水工结构的设计中，通常要求不出现拉应力或只出现很小的拉应力（如重力坝）。但拱坝的结构受力特点决定其不可避免的存在拉应力，而且往往较大，引起混凝土的不利变形。

1.2 温度应力影响大体积混凝土自浇筑开始，由于水泥水化热作用，混凝土内部5～8 天升到最高温度，尤其是低温季节内外温差较大，会在表面产生较大的温度压力。温度应力对水工中的大体积混凝土结构来说一直是很重要的。当变形受到约束时，温度变化所引起的应力常可能超过外部荷载引起的应力。有时，仅温度变化就可能形成贯穿性裂缝，进而导致渗漏、结构整体性下降、承载力和混凝土的耐久性降低等不利影响。拱坝为高度超静定结构，且一般比较单薄，对外界气温和水温变化比较敏感，坝内温度变化也比较大。除了坝顶为自由界面外，其它三方面又都受到基岩的约束，温度变形受到的外界约束比较大。因此在拱坝内可能出现较大的温度压力。温度应力也成为拱坝的主要应力之一，是引起拉应力和拱坝裂缝的重原因。坝块浇筑层间歇时间不当。为减小温度应力，坝体混凝土浇筑一般均为薄层浇筑。此时混凝土表面散热快，若浇筑一块后长期停歇，混凝土由于逐步降温开始出现拉应力，再遇上气温骤变，在表面保温不良的情况下，很容易出现裂缝。但层间间歇也不宜过短，过短混凝土水化热不能及时散失，也会引起很大的温度应力。

二、温度控制

实际工程中拱坝坝体裂缝大都是施工期温度拉应力引起的。防止这些裂缝，主要依靠施工期的温度控制。①改进施工工艺，降低混凝土的内部温升，减少基础温差、内外温差。严格控制混凝土温度是减少拉应力、防止裂缝的最重要措施。常采取的方法包括：坝体分区使用水泥，减少单位水泥用量；通过冷却拌和水、加冰拌和、预冷骨料等方法降低混凝土浇筑温度（粗略的说，混凝土的浇筑温度降低1℃，拉应力约可减少0.1MPa），采用加大混凝土浇筑强度、仓面保温等方法减少浇筑过程的温度回升；在混凝土内埋设水管，通低温水以降低混凝土温度；薄层浇筑，均匀上升，加速混凝土热量散失，降低混凝土内部温升。②加强混凝土的养生保护和坝面保温，抵制温度湿度造成的不利影响。施工中的大坝混凝土，容易发生早期裂缝，其原因虽然各不相同，但大多是由于水化热温升、环境温度和湿度变化，产生较大的温度应力和干缩应力所致。为此，要加强新浇混凝土的养生保护，抵制环境温、湿度造成的不利影响。坝面保温是防止表面裂缝的最有效措施，在很多工程中得到证实。表面保温材料主要有聚苯乙烯泡沫塑料板、保温被、聚乙烯气垫薄膜、聚乙烯泡沫塑料板、草袋和砂层保温、喷涂保温层等。

三、接缝设计

如果不能在一个低温季节浇筑完全部混凝土，或者地处寒冷地区，坝体准稳定温度场很低，不设置横缝 ，在坝内就会出现很大的温差 ，从而产生很大的温度应力。在这种情况下，必须设置横缝。

(一) 碾压混凝土拱坝中设置横缝的原则

首先，应尽量利用低温季节浇筑下部混凝土，最大限度地在无缝条件下浇筑混凝土，即尽量增加无缝的坝高Ht（图1） Ht以上部分，由于温差较大，必须设置横缝。考虑到碾压混凝土中水泥用量较少，其温差小于常规混凝土，所以横缝间距可以比常规棍凝土拱坝大一些，根据坝体长度的不同，可考虑设置1―3条横缝，如图1。对于横缝缝端下部的混凝土则应布置一些钢筋，以防止坝体降温时被拉开。

图1碾压混凝土拱坝的横缝

(二)接缝封闭前的坝体冷却

在接缝封闭以前，坝体必须冷却到规定的温度.例如，使封拱时坝体平均温度不高于运行期年平均温度。当坝体较薄时，可依靠天然冷却。否则，应进行水管冷却。

1.天然冷却

混凝土平板厚度为L,初温均匀分布，其值为T，外面气温为常数Ta.，经时间t的天然争令却后，其平均温度为

混凝土平板厚度为 L， 初温为零，外界气温按余弦函数变化如下：

其中4为气温年变幅，p=I2(月)，为变化周期．通常一月中旬( t=0.5月)时气温最低，如图2所示，设是按日历年初计算的时间 ，则

图2气温变化

根据叠加原理厚度为L的混凝土板，初温为T 浇筑的日历时间为t(月)，年平均气温T，气温年变幅为A经时间t (月) 后，其平均温度可计算如下：

2、水管冷却

过去人们认为在碾压混凝土中不能埋设冷却水管，因此对碾压混凝土拱坝在接缝灌浆前的人工冷却感到缺乏办法。在我国水口电站施工中，首次在碾压混凝土中埋设冷却水管获得成功，这对于碾压混凝土拱坝的人工冷却具有重要意义。

对于在碾压混凝土中埋设冷却水管，人们最担心的问题是在碾压过程中，由于水管变形过大，接头可能脱开，从而使水泥浆漏进管内，引起堵塞。水口的经验是，把冷却水管铺设在己经硬化的混凝土上面，以限制竖向变形;又把蛇形管焊成短形网格，以限制水平方向的变形‘采取这些措施后，在碾压混凝土中铺设的水管，都未发生堵塞现象.因此，对于设有横缝的碾压混凝土拱坝，可进行天然冷却计算，如计算结果表明单靠天然冷却不能达到规定的温度，在设计时则可考虑采用水管冷却。

(三)横缝构造

对于碾压混凝土拱坝的横缝，一般可采用以下两种结构:

1．预制宽缝

用两个预制混凝土块形成一宽缝，净宽8O～ 120cm，宽缝 内设 2～ 3排止水 、预制块与碾压混凝土接触面上也应设置键槽，并埋设锚固钢筋．在坝体冷却至设计规定温度后， 用常规混凝土填满宽缝。

2．预制灌浆缝

把一个灌浆区的全部灌浆设备都埋设在一个预制混凝土块内，其中包括止浆片、进浆管、回浆管、升浆管.出浆盒、排气槽、排气管等，所有千管都从下游坝面进出.为防止坝体收缩时，预制块与左侧坝体混凝土被拉开，应使一部分预制混凝土和钢筋伸入左侧碾压混凝土中.在施工中，与预制块接触处应有一定厚度的常态混凝土，并用振捣器捣实，以保证与预制馄凝土之间的良好接触。

(四)横缝与诱导缝的区别

横缝完全切断了坝体棍凝土，坝体降温后，缝一定会张开，缝的作用是明确的.缝内设置了键槽和灌浆设备，并且是在坝体冷却到规定温度后进行灌浆，这以后才允许蓄水，其结构是可靠的.缺点是减小了浇筑仓面，给施工带来一些不便。

诱导缝只切断了局部混凝土，拱坝应力状态较复杂，如果在其他方向的拉应力大得多，有可能诱导缝面不裂开而在其他方向裂开。此外，当坝体稍厚时，要在蓄水以后，坝体才冷却到最低温度。在水压力和温度的共同作用下，拱的轴向力通常是压力(坝顶部可能例外)，所以不可能全断面拉开，一般是一面受拉，另一面受压.诱导缝的作用只是在拉开的部分进行灌浆，并不能像横缝那样把坝体的温度应力解除掉.所以，诱导缝不能充分发挥接缝的作用。它的优点是不减小浇筑仓面，施工时方便一些。

结束语

从本文的分析结果可以看出，在比较温暖的地区，由于坝体稳定温度较高，如果在一个低温季节可以浇筑完整个坝体，那么有可能不设置横缝，而碾压混凝土拱坝的拉应力仍在允许范围以内.在这种情况下，可不设置横缝，但可设置诱导缝，以作为额外保险措施。

参考文献

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