论文部分内容阅读
[摘 要]水利工程混凝土结构出现危害性裂缝后，必须进行修补以防渗漏。当结构出现贯穿性裂缝后，靠修补很难恢复结构的整体性，只是不得已而采取的补救措施。所以，在设计或施工阶段就应该着手安排在原受力结构表面设置一层柔性防护层，使之成为受力结构与防渗结构相结合的新型结构，实现水工混凝土结构裂缝的危害得以控制。
[关键词]高混凝土坝 混凝土结构 裂缝 防治
中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）32-0082-01
1 国内外混凝土坝发展现状
国外混凝土坝研究的主要进展。由于综合国力和整体科技水平的差距，从国际上看，欧美、日本各国的水利水电开发程度本世纪已经达到很高的水平，在高坝设计与施工方面曾取得很大的进展。在发达国家，高坝大库的兴建已不多见，混凝土坝已不再是他们的重点研究方向。美国、瑞士和日本等国家近年来开展了对大坝抗震安全评价的研究。
目前，发展中国家的坝工建设正方兴未艾，这些国家所取得的成就和经验教训值得我国重视，国际上已提出碾压混凝土坝可以建到任何高度的设想，巴基斯坦待建的Basha坝向300m级特高碾压混凝土坝提出的挑战也值得我国关注。
2 混凝土坝产生裂缝的危害
2.1 裂缝影响结构的整体性。
当结构出现贯穿性裂缝以后，要恢复结构的整体性是很困难的。裂缝开展得很宽将预示着结构临近破坏，并且可能伴随着混凝土剥落。剪切裂缝多产生于靠近支座或大的集中荷载附近，早期的温度裂缝直接影响到钢筋混凝土构件的完整性。当裂缝影响了剪应力的传递时，它会影响到结构的安全。大多数裂缝并不会危及结构的安全，但随着时间的推移它们可能发展，并引起严重的后果。
2.2 裂缝会影响结构的耐久性。
所有现行的标准和规范都把限制裂缝的宽度作为一项耐久性指标。横向裂缝通常是指垂直于受拉钢筋方向的裂缝，一般由外荷载引起。为了结构耐久性的要求和结构的美观，规范中对裂缝宽度均作了限制。在较宽的裂缝处，如果有水和氧气侵入，钢筋首先发生个别点的侵蚀，继而逐渐形成“环蚀”；同时向缝两侧扩展，形成锈蚀面。这种钢筋局部断面削弱发展比普通性锈蚀要快，特别是预应力混凝土结构，局部锈蚀具有很高的危害性。因为单根钢丝断颀小，高应力及高强钢材的变形性能较差，很可能发生突然断裂。因钢筋全面锈蚀引起混凝土结构的顺筋向开裂对结构的危害性更大，是目前影响结构耐久性的主要危险，具有一定厚度且密实的保护层，对防止混凝土顺筋向开裂至关重要。钢筋表面生锈时，其体积要膨胀，在膨胀压力作用下混凝土保护层会因挤压而剥落，如果没有了保护层，钢筋更容易锈蚀，这对耐久性很不利的。
3 混凝土坝温控防裂办法
混凝土坝的开裂是非常普遍的现象，一直以来有“无坝不裂”的说法。造成这种说法的根本原因之一，是人们只重视早期表面保护而忽视后期表面保护。近年来，我国学者全面总结了混凝土坝的设计、施工和科研的经验和成果，提出了“全面温控，长期保温，结束无坝不裂的历史”的构想，反映了我国在混凝土坝防裂限裂的应用基础理论研究和工程技术上的长足进步。
3.1从20世纪50年代开始，我国的学者和水利工作者开始对混凝土坝温控防裂进行研究，全面系统地开拓和发展了现代水工混凝土建筑物施工温控理论方法和技术。近期鉴定通过的混凝土高坝施工温度控制决策支持系统，集中体现了我国在混凝土坝温控防裂仿真计算的理论、方法、软件方面的世界领先水平以及水工结构与现代计算机技术的高层次的交叉与融合。该系统实用性强，可根据混凝土高坝实际施工进度、浇筑工艺和温控措施及接缝灌浆等真实情况，利用实际数据进行实时仿真分析，及时反映全坝实际温度场和应力场状况，预测未来温度与应力的变化，掌握其变化规律，为现场施工温控决策提供技术支持可在同一可视化仿真分析平台上对现场的混凝土热学参数、各项温控指标和措施进行反演分析计算同时也可应用于混凝土高坝的设计和运行管理。
3.2我国近几十年来减水剂和粉煤灰的应用，使得坝工混凝土的绝热温升已有所降低采用氧化镁含量为3.5%～5%中热硅酸盐水泥，使混凝土自生体积变形为膨胀变形，以补偿温降收缩变形，提高了混凝土抗裂性混凝土掺钢纤维与面板堆石坝混凝土面板混凝土掺合成纤维，均提高混凝土抗裂性提出考虑因素全面、物理意义明确的水工混凝土材料抗裂指数计算公式采用自动化拌和楼和大型平仓振捣机混凝土施工质量亦有较大改进预冷骨料、水管冷却等技术已趋成熟，基础温差的控制基本符合设计要求，防止了基础贯穿裂缝发生。
3.3温控防裂上的一个新措施是在混凝土大坝表面采用外贴保温板和喷涂泡沫保温材料的方法进行坝面的保温，已用于三峡的三期工程、汾河二库、石门子和龙首碾压混凝土拱坝等工程。三峡三期工程在上下游表面采取3～5m厚聚苯乙烯板长期保护，并实行了全面严格的温度控制，浇筑了500万立方米混凝土，未发现裂缝。研究成果和工程实践表明了永久保温措施在运行期的重要作用，其绝非仅在施工期才需要。永久保温和保温防渗板已有研制。另外一个新的混凝土防裂措施是利用微膨胀混凝土的膨胀特性抵消混凝土温度收缩带来的拉应力，起到防止混凝土开裂的效果，减少温控措施，从而加快了施工速度。
3.4研究表明措坝设计中采用的设计荷载、计算条件、基岩地质构造及材料特性与实际情况存在差别，抗裂安全系数取值偏低，对碾压混凝土温控的认识有偏差，这些是混凝土拱坝竣工后出现各种事故的根本原因。在结构和温控设计中使用有限元仿真分析使计算结果尽可能接近真实状态，在做好基础温差等常规温度控制的基础上，重视运行期保温对上下游坝面依工程的重要性和坝型及部位的不同进行分区保温，施工区可选择长期或短期保温，运行期可选择永久保温防掺，有望使混凝土拱坝不再开裂。
4 混凝土坝防裂科学建议
4.1加强水工混凝土结构与材料学科的自主性创新性的基础理论研究。在混凝土材料破壞机理和本构关系的研究中，注重试验基础，在计算方法的研究中注重有利于方法向软件化的发展。
4.2抓住多个世界级混凝土大坝在我国兴建机遇，针对工程关键技术问题，加大具有自主知识实用型应用技术的研发。
4.3对特高坝建设经验不多，现有规范和标准不能完全满足近期发展的需要，有必要针对特高坝的建设审核其适用性。
4.4在高层次上实现水工结构和混凝土材料学科与其他学科的交叉、融合，在有选择地合理引进现代计算机网络、先进的勘测、试验和监测技术的同时，鼓励自主研发，逐步实现水工结构和建设管理相结合的智能化、可视化和网络信息化，具备超大型科学计算的能力。
4.5结合国家主管部门和建设单位的需求和经验，充分调动科研院所的应用创新和高等院校在基础理论研究上的各自优势，针对具体工程加速科研步伐，实现学科在整体上达到世界先进水平的目标。
4.6开发新品种混凝土掺和料，并开展多元掺和料混凝土试验研究研发新品种多功能复合外加剂，并加强外加剂分子设计理论及应用技术研究。
4.7加强混凝土耐久性微观机理与量化研究，开展多因素复杂环境侵蚀条件下混凝土抗侵蚀仿真研究混凝土老化状态诊断技术、混凝土耐久性定量评估方法与结构寿命的预报研究，以及混凝土耐久性专家系统的研究。
4.8开展聚梭酸高效减水剂、减缩剂、轻烧氧化镁膨胀剂复合掺混凝土抗裂性试验研究进一步开展掺钢纤维与合成纤维混凝土抗裂性能试验研究；开展病坝、老混凝土坝安全评估、检测技术、评判准则、补强加固技术等研究与应用；进一步开展高抗冲磨材料、水下修补材料与结构补强加固材料的研发与应用；加强水工混凝土建筑物用高分子材料研发与应用工作；加快研究成果纳入规范及推广应用的进程。
[关键词]高混凝土坝 混凝土结构 裂缝 防治
中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）32-0082-01
1 国内外混凝土坝发展现状
国外混凝土坝研究的主要进展。由于综合国力和整体科技水平的差距，从国际上看，欧美、日本各国的水利水电开发程度本世纪已经达到很高的水平，在高坝设计与施工方面曾取得很大的进展。在发达国家，高坝大库的兴建已不多见，混凝土坝已不再是他们的重点研究方向。美国、瑞士和日本等国家近年来开展了对大坝抗震安全评价的研究。
目前，发展中国家的坝工建设正方兴未艾，这些国家所取得的成就和经验教训值得我国重视，国际上已提出碾压混凝土坝可以建到任何高度的设想，巴基斯坦待建的Basha坝向300m级特高碾压混凝土坝提出的挑战也值得我国关注。
2 混凝土坝产生裂缝的危害
2.1 裂缝影响结构的整体性。
当结构出现贯穿性裂缝以后，要恢复结构的整体性是很困难的。裂缝开展得很宽将预示着结构临近破坏，并且可能伴随着混凝土剥落。剪切裂缝多产生于靠近支座或大的集中荷载附近，早期的温度裂缝直接影响到钢筋混凝土构件的完整性。当裂缝影响了剪应力的传递时，它会影响到结构的安全。大多数裂缝并不会危及结构的安全，但随着时间的推移它们可能发展，并引起严重的后果。
2.2 裂缝会影响结构的耐久性。
所有现行的标准和规范都把限制裂缝的宽度作为一项耐久性指标。横向裂缝通常是指垂直于受拉钢筋方向的裂缝，一般由外荷载引起。为了结构耐久性的要求和结构的美观，规范中对裂缝宽度均作了限制。在较宽的裂缝处，如果有水和氧气侵入，钢筋首先发生个别点的侵蚀，继而逐渐形成“环蚀”；同时向缝两侧扩展，形成锈蚀面。这种钢筋局部断面削弱发展比普通性锈蚀要快，特别是预应力混凝土结构，局部锈蚀具有很高的危害性。因为单根钢丝断颀小，高应力及高强钢材的变形性能较差，很可能发生突然断裂。因钢筋全面锈蚀引起混凝土结构的顺筋向开裂对结构的危害性更大，是目前影响结构耐久性的主要危险，具有一定厚度且密实的保护层，对防止混凝土顺筋向开裂至关重要。钢筋表面生锈时，其体积要膨胀，在膨胀压力作用下混凝土保护层会因挤压而剥落，如果没有了保护层，钢筋更容易锈蚀，这对耐久性很不利的。
3 混凝土坝温控防裂办法
混凝土坝的开裂是非常普遍的现象，一直以来有“无坝不裂”的说法。造成这种说法的根本原因之一，是人们只重视早期表面保护而忽视后期表面保护。近年来，我国学者全面总结了混凝土坝的设计、施工和科研的经验和成果，提出了“全面温控，长期保温，结束无坝不裂的历史”的构想，反映了我国在混凝土坝防裂限裂的应用基础理论研究和工程技术上的长足进步。
3.1从20世纪50年代开始，我国的学者和水利工作者开始对混凝土坝温控防裂进行研究，全面系统地开拓和发展了现代水工混凝土建筑物施工温控理论方法和技术。近期鉴定通过的混凝土高坝施工温度控制决策支持系统，集中体现了我国在混凝土坝温控防裂仿真计算的理论、方法、软件方面的世界领先水平以及水工结构与现代计算机技术的高层次的交叉与融合。该系统实用性强，可根据混凝土高坝实际施工进度、浇筑工艺和温控措施及接缝灌浆等真实情况，利用实际数据进行实时仿真分析，及时反映全坝实际温度场和应力场状况，预测未来温度与应力的变化，掌握其变化规律，为现场施工温控决策提供技术支持可在同一可视化仿真分析平台上对现场的混凝土热学参数、各项温控指标和措施进行反演分析计算同时也可应用于混凝土高坝的设计和运行管理。
3.2我国近几十年来减水剂和粉煤灰的应用，使得坝工混凝土的绝热温升已有所降低采用氧化镁含量为3.5%～5%中热硅酸盐水泥，使混凝土自生体积变形为膨胀变形，以补偿温降收缩变形，提高了混凝土抗裂性混凝土掺钢纤维与面板堆石坝混凝土面板混凝土掺合成纤维，均提高混凝土抗裂性提出考虑因素全面、物理意义明确的水工混凝土材料抗裂指数计算公式采用自动化拌和楼和大型平仓振捣机混凝土施工质量亦有较大改进预冷骨料、水管冷却等技术已趋成熟，基础温差的控制基本符合设计要求，防止了基础贯穿裂缝发生。
3.3温控防裂上的一个新措施是在混凝土大坝表面采用外贴保温板和喷涂泡沫保温材料的方法进行坝面的保温，已用于三峡的三期工程、汾河二库、石门子和龙首碾压混凝土拱坝等工程。三峡三期工程在上下游表面采取3～5m厚聚苯乙烯板长期保护，并实行了全面严格的温度控制，浇筑了500万立方米混凝土，未发现裂缝。研究成果和工程实践表明了永久保温措施在运行期的重要作用，其绝非仅在施工期才需要。永久保温和保温防渗板已有研制。另外一个新的混凝土防裂措施是利用微膨胀混凝土的膨胀特性抵消混凝土温度收缩带来的拉应力，起到防止混凝土开裂的效果，减少温控措施，从而加快了施工速度。
3.4研究表明措坝设计中采用的设计荷载、计算条件、基岩地质构造及材料特性与实际情况存在差别，抗裂安全系数取值偏低，对碾压混凝土温控的认识有偏差，这些是混凝土拱坝竣工后出现各种事故的根本原因。在结构和温控设计中使用有限元仿真分析使计算结果尽可能接近真实状态，在做好基础温差等常规温度控制的基础上，重视运行期保温对上下游坝面依工程的重要性和坝型及部位的不同进行分区保温，施工区可选择长期或短期保温，运行期可选择永久保温防掺，有望使混凝土拱坝不再开裂。
4 混凝土坝防裂科学建议
4.1加强水工混凝土结构与材料学科的自主性创新性的基础理论研究。在混凝土材料破壞机理和本构关系的研究中，注重试验基础，在计算方法的研究中注重有利于方法向软件化的发展。
4.2抓住多个世界级混凝土大坝在我国兴建机遇，针对工程关键技术问题，加大具有自主知识实用型应用技术的研发。
4.3对特高坝建设经验不多，现有规范和标准不能完全满足近期发展的需要，有必要针对特高坝的建设审核其适用性。
4.4在高层次上实现水工结构和混凝土材料学科与其他学科的交叉、融合，在有选择地合理引进现代计算机网络、先进的勘测、试验和监测技术的同时，鼓励自主研发，逐步实现水工结构和建设管理相结合的智能化、可视化和网络信息化，具备超大型科学计算的能力。
4.5结合国家主管部门和建设单位的需求和经验，充分调动科研院所的应用创新和高等院校在基础理论研究上的各自优势，针对具体工程加速科研步伐，实现学科在整体上达到世界先进水平的目标。
4.6开发新品种混凝土掺和料，并开展多元掺和料混凝土试验研究研发新品种多功能复合外加剂，并加强外加剂分子设计理论及应用技术研究。
4.7加强混凝土耐久性微观机理与量化研究，开展多因素复杂环境侵蚀条件下混凝土抗侵蚀仿真研究混凝土老化状态诊断技术、混凝土耐久性定量评估方法与结构寿命的预报研究，以及混凝土耐久性专家系统的研究。
4.8开展聚梭酸高效减水剂、减缩剂、轻烧氧化镁膨胀剂复合掺混凝土抗裂性试验研究进一步开展掺钢纤维与合成纤维混凝土抗裂性能试验研究；开展病坝、老混凝土坝安全评估、检测技术、评判准则、补强加固技术等研究与应用；进一步开展高抗冲磨材料、水下修补材料与结构补强加固材料的研发与应用；加强水工混凝土建筑物用高分子材料研发与应用工作；加快研究成果纳入规范及推广应用的进程。