混凝土拱坝裂缝分析论文

2022-05-08

今天小编为大家推荐《混凝土拱坝裂缝分析论文(精选3篇)》,欢迎大家借鉴与参考,希望对大家有所帮助!摘要:混凝土裂缝是建筑工程中较为普遍存在的问题,根据大型建筑物(大坝、厂房等)施工实际情况,就其形成原因与控制谈一些看法。

混凝土拱坝裂缝分析论文 篇1:

建筑工程中混凝土结构裂缝控制探讨

摘 要: 由于种种原因,在建筑工程中混凝土结构会出现裂缝,导致施工困难或者出现危险,如何控制裂缝的出现成为混凝土结构使用的必须考虑的问题。主要就从混凝土结构出现裂缝的原因出发,讨论了控制裂缝的措施。

关键词:混凝土结构;裂缝控制;建筑工程

1 裂缝产生的原因分析

1.1 混凝土本身因素

(1)混凝土在抵抗物理、化学作用下产生变形的能力。体积稳定性不好的混凝土容易开裂,使混凝土的抗渗性等物理、化学性能降低,溶液性的物质渗透到混凝土中,从而造成混凝土的耐久性能下降。(2)在没有负载的情况下,混凝土往往由于收缩变形(自收缩、干燥收缩、塑性收缩、温度收缩、化学减缩、碳化收缩、沉降收缩等)而导致开裂。 (3)混凝土中骨料界面处常由于水膜层或气孔的存在造成局部的结构疏松,形成孔隙与水化品体的富集与定向排列。

1.2 结构设计方面因素

我们在进行结构计算的时候,总是先对结构物的受力体系作一些假定,而很多结构物的实际工作状态与常规的计算模型有一定的出入,使得内力计算的结果与实际不符,这些假定的常规计算模型之外的内力往往会引起结构裂缝。

1.3 施工方面因素

(1)违章施工、不当施工造成混凝土裂缝。(2)不正确的振捣方式会造成混凝土分层离析、表面浮浆而使混凝土面层开裂,或造成混凝土砂浆大量向低处流淌致使混凝土产生不均匀沉降收缩而在结构厚薄交界处出现裂缝。(3)现场养护不当是造成混凝土收缩开裂最主要的原因。

1.4 环境气候因素

混凝土结构施工期间,外界气温的变化情况对防止大体积混凝土开裂有重大影响。

2 建筑工程中混凝土结构裂缝控制

2.1 混凝土材料方面

在材料方面控制混凝土的开裂,主要从减小混凝土的收缩,降低水化热,增强混凝土抗拉强度等方面入手。

(1)由于水泥水化热而导致的温度应力是混凝土产生裂缝的主要原因。可通过采取适当的措施减少水泥用量来控制混凝土的温升,降低温度应力,减少混凝土開裂的可能性。再其次,在便于施工操作并保证振捣密实的前提下,混凝土应尽可能取较小的坍落度,减少用水量,并把离析、泌水现象降到最低程度。

(2)选择骨料时应优先选用热膨胀系数小、含泥量低的骨料,并强调骨料的连续级配。

(3)大体积混凝土的配合比设计要在满足设计与施工要求的强度、耐久性及和易性的条件下,尽量减少水泥用量。

2.2 结构设计方面

(1)设置分布钢筋的影响。大量的工程实践证明了适当的构造配筋能够控制温度收缩裂缝。根据实践经验,在混凝土结构中适当地配置细而密的构造钢筋,无论对于温度应力或收缩应力,都能提高结构的抗裂性能。

(2)地基处理。

减小地基对混凝土基础的阻力,可以减小温度应力,避免发生温度裂缝。当地基为软土层时,可以优先考虑采用砂垫层加固地基。当地基为坚硬的基岩或老混凝土基层时,可考虑在基础底部设置滑动层。

2.3 施工技术措施

(1)混凝土的浇筑与振捣。为了进一步提高混凝土质量,可采用二次投料的砂浆裹石或净浆裹石搅拌新工艺。这样可以有效地防止水分向石子与水泥砂浆界面的集中,使硬化后的界面过渡层的结构致密,粘结加强,从而使混凝土强度提高10%左右,也提高了混凝土的抗拉强度和极限拉伸值。

(2)控制混凝土的出机温度和浇筑温度。在施工中为了降低混凝土的出机温度,应采取有效的方法降低石子的温度。在气温较高时,为了防止太阳的直接辐射。可在砂、石子堆场搭设简易遮阳装置,必要时可向骨料喷射水雾或使用前用冷水冲洗骨料。

(3)混凝土的散热。为了有效降低大体积混凝土的内外温差,在大体积混凝土施工过程中常采用分块浇筑。另外使用冷却水,通过水管内部循环冷却水带走混凝土内部的部分热量,降低混凝土绝对温升最高值,减缓混凝土水化热峰值持续时间,减轻混凝土保温养护的压力和缩短养护时间,从而实现大体积混凝土裂缝的控制。

(4)加强混凝土的养护。早期保水养护不足对所有混凝土的强度发展和耐久性都有不利的影响。补给水分的方法有淋水,铺设湿砂层、湿麻袋或草袋等,最好再在表面盖一层塑料薄膜,这样水既可渗入,又能起到保湿的作用。施工中采取合理的技术措施也很重要,例如采用带模养护、推迟拆模时间等方法都对防止裂缝有很大的作用。

参考文献

[1]高辛.南方地区大体积混凝土裂缝成因及其施工措施[J].中外建筑,2008,(3).

[2]柳柳.高拱坝混凝土设计强度和耐久性研究[J].中国三峡建设,2007,(1).

作者:张铁钢 徐炳林

混凝土拱坝裂缝分析论文 篇2:

浅谈混凝土裂缝成因、预防

摘 要:混凝土裂缝是建筑工程中较为普遍存在的问题,根据大型建筑物(大坝、厂房等)施工实际情况,就其形成原因与控制谈一些看法。

关键词:混凝土;裂缝;原因;预防

1 裂缝产生的原因

1.1 设计原因

(1)大型建筑物多为大体积混凝土,设计方案无降温措施,混凝土浇筑后,在硬化过程中,水泥水化产生大量的水化热,(当水泥用量在350-550kg/m3,每立方米混凝土将释放出17500-27500kJ的热量,从而使混凝土内部温度升达60℃以上),而混凝土表面散热较快,这样就形成内外的较大温差,较大的温差造成内部与外部热胀冷缩的程度不同,进而产生温度裂缝。(2)设计结构中断面突变,导致应力集中所产生的构件裂缝。(3)设计中对构件施加预应力不当,造成构件的裂缝(偏心、应力过大等)。(4)设计中未充分考虑混凝土构件的收缩变形。

1.2 混凝土材料和配合比

配合比设计不当直接影响砼的抗拉强度,是造成砼开裂不可忽视的原因。配合比不当指水泥用量过大,水灰比大,含砂率不适当,骨料种类不佳,选用外加剂不当等,这几个因素是互相关联的。有关试验资料显示:用水量不变时。水泥用量每增加10%,混凝土收缩增加约5%;水泥用量不变时,用水量每增加10%,混凝土强度约降低20%,混凝土与钢筋的粘结力降低10%。有些地方发现不少厂房混凝土浇捣的楼板出现裂缝,总结的原因有如下方面:(1)粗细集料含泥量过大,造成混凝土收缩增大。集料颗粒级配不良或采取不恰当的间断级配,容易造成混凝土收缩的增大,诱导裂缝的产生。(2)骨料粒径越细、针片含量越大,细骨料石粉含量超标,混凝土单方用灰量、用水量增多,收缩量增大。(3)混凝土外加剂、掺和料选择不当、或掺量不当,严重增加混凝土收缩。(4)水泥品种原因,矿渣硅酸盐水泥收缩比普通硅酸盐水泥收缩大。(5)水泥等级及混凝土强度等级原因:水泥等级越高、细度越细、早强越高对混凝土开裂影响很大。混凝土设计强度等级越高,混凝土脆性越大、越易开裂。(6)配合比中水灰比(水胶比)过大。

1.3 施工及现场养护

(1)现场浇捣混凝土时,振捣或插入不当,漏振、过振或振捣棒抽撤过快,均会影响混凝土的密实性和均匀性,诱导裂缝的产生。(2)对大体积混凝土工程,缺少两次抹面,易产生表面收缩裂缝。(3)大体积混凝土浇注,对水化计算不准、现场混凝土降温及保温工作不到位,引起混凝土内部温度过高或内外温差过大,混凝土产生温度裂缝。(4)现场养护措施不到位,混凝土早期脱水,引起收缩裂缝。

2 裂缝的预防措施

2.1 设计

(1)专门制定温控措施、方案,包括制冷设备和中后期制冷系统运行的要求。(2)严格审核设计图纸,受力分析要复核,合理设置施工缝,合理考虑安全系数。(3)设计中应尽量避免结构断面突变带来的应力集中。在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。(4)积极采用补偿收缩混凝土技术。常见混凝土裂缝中,相当部分是由于混凝土收缩而造成的。要解决此问题,可在混凝土中掺用膨胀剂来补偿混凝土的收缩。实践证明,效果很好。(5)重视对构造钢筋的认识。在结构设计中,设计人员应重视对于构造钢筋的配置,特别是楼面、墙板等薄壁构件更应注意构造钢筋直径和数量的选择。

2.2 选材和配合比设计

(1)选用粉煤灰、外加剂以减少水泥用量和砼的发热量。比如:大部分高效缓凝减水剂使28d龄期的混凝土的发热量减少25%~30%;粉煤灰减少混凝土的初期发热量,简化温控措施等。(2)选择低水化热水泥,施工现场多使用普通硅酸盐水泥,也应尽量减少单位水泥用量。不同品牌、不同规格、不同批次的水泥不能混用。(3)选择骨料,严格按《水工混凝土施工规范》的各项指标控制,粗骨料针片状颗粒含量<15%为佳,人工砂的细度模数宜在2.4~2.8范围内,石粉含量6%~18%为佳。选择的天然细集料含泥量<3%,细集料含泥量<0.5%为佳。砂率严格按照规范要求,根据现场实验选定最佳砂率为宜。(4)砼要有合适的配合比,选择合适的配合比,不仅要满足强度要求、施工要求,还要从防止产生裂缝的需要出发。适当地选择好水灰比,在满足强度要求的原则下,尽可能减少水泥用量。粉煤灰加量适当,高效缓凝减水剂等外加剂(如木质素、糖蜜、MF复合剂等)合理掺量,增加混凝土的强度,减少裂缝的产生。

2.3 施工操作

(1)浇捣工作:浇捣时,振捣捧要快插慢拔,根据不同的混凝土坍落度正确掌握振捣时间,避免过振或漏振,应提倡采用二次振捣、二次抹面技术,以排除泌水、混凝土内部的水分和气泡。(2)混凝土养护:混凝土裂缝防治工作中,新浇混凝土早期养护尤为重要,可保证混凝土在早期尽可能少产生收缩。洒水养护强度不仅考虑施工现场温度高、风速大等原因。(3)混凝土的降温和保温工作:对于厚大体积混凝土,施工时应充分考虑水泥水化热问题。浇筑前骨料要风冷、可以制冰水、夏季运输采取保温措施等降低混凝土入仓温度,采取必要的降温措施(仓面喷雾、埋设散热孔、通水排热、冷却水管等),避免水化热高峰的集中出现、降低峰值。浇捣成型后,应采取必要的蓄水保温措施,表面覆盖薄膜、湿麻袋、保温苯板等(不紧要考虑季节降温、也要考虑昼夜温差)进行养护,以防止由于混凝土内外温差过大而引起的温度裂缝。比如:出现裂缝的部位是国内某大坝泄洪坝段上游面在1999年浇筑的,到了2000年只出现一条裂缝,到2001年了,以为混凝土龄期2年了,就不太重视温控措施了。2001年夏天把保温材料拿掉了,冬天来了,应该再把保温材料盖好。但大家疏忽了。结果,2002年出现的裂缝就比较多了。这是一个深刻的教训。象大坝泄洪坝段上游面这样重要的部位,保温措施应该一直保留到蓄水为止。而贵州某双曲拱坝上游面保温苯板在蓄水之前才拆除,有效的保证了混凝土裂缝的产生。(4)避免在雨中或大风中浇灌混凝土。(5)现浇结构的模板拆除时的混凝土强度应符合设计或规范要求。

3 结语

对建筑物耐久性有严重影响的、对结构安全性、稳定性等有害的裂缝我们一定要事前积极预防,施工中要引起足够重视。特别是在国外大型建筑物材料需求量大、很多受材料限制,比如非洲加纳、尼日利亚的粉煤灰还要从国内运,当地水泥品种有限(尼日利亚水泥以Lafarge、Dangote两种水泥为主,而且一般先付现金后拿货、月供应量有限),加纳布维主要为砂岩,尼日利亚宗格鲁使用Luwa村的花岗岩,大多都存在骨料选择性较少、运距远、当地村民阻扰等问题。选用裂缝预防措施的时候必须充分考虑材料的选择。必要时进行相关试验为宜。

上述观点希望能够帮助刚步入国际工程项目的年轻朋友。不足之处请指点,互相学习。

作者简介:姜桂军(1981- ),男,湖南长沙人,本科,工程师,研究方向:水電工程施工管理。

作者:姜桂军

混凝土拱坝裂缝分析论文 篇3:

高坝混凝土裂缝问题研究综述

doi:10.3724/SP.J.1201.2012.01129

摘要:针对高坝建设和运行中普遍存在的裂缝问题,将高坝混凝土裂缝问题分为4个部分,包括裂缝成因和机理、裂缝扩展稳定性、裂缝探查方法以及裂缝防治和处理措施,然后对每一部分中关键问题如裂缝成因、扩展稳定性研究方法、裂缝无损探查方法以及裂缝灌浆措施的研究现状分别进行阐述,指出优缺点及值得关注的发展方向,最后给出自己的一些建议,以期对高坝裂缝问题研究有所帮助。

关键词:高坝混凝土;裂缝成因;扩展稳定性;探查方法;处理措施

Review on Cracking in High Concrete Dams

ZHOU Qiu-jing,ZHANG Guo-xin,YANG Bo

(China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China)

Key words:High concrete dam;causes of crack;stability;probing methods;treatment measures

目前大批高坝工程已建、在建和拟建,如锦屏I级(305 m)、小湾(2945 m)、溪洛渡(2855 m)、二滩(250 m)、三峡等,但坝体混凝土裂缝问题亟待解决,自20世纪初开始修建混凝土坝以来,裂缝问题始终存在,甚至无坝不裂[1],如三峡、二滩、小湾和溪洛渡拱坝或多或少存在坝体裂缝,成为困扰大坝建设的关键问题之一。坝体混凝土裂缝问题包含裂缝产生、扩展、稳定性评估、探查和控制等多个方面,涉及到材料、结构、施工等不同领域和温度、损伤、断裂、接触等不同学科,呈现出复杂性、系统性和过程性的特点,同时高坝混凝土裂缝又有其自身特点:因高坝混凝土特点是体积大,水化热大,裂缝大部分为施工期温度裂缝,部分是结构设计和施工质量造成,因此施工期防裂、抗裂是关键;裂缝产生后可能会向周边扩展,必须进行裂缝稳定性和对结构安全影响的评估;为准确评估危害性及对裂缝进行后续处理,裂缝展布情况探查是一个必须的环节,由于坝体混凝土体积庞大,对内部的裂缝探查难度很大;根据裂缝位置、稳定性特点和对结构影响大小,在裂缝展布情况明了之后,需采取措施对裂缝进行处理,在裂缝处理过程中必须考虑大坝特殊的工作条件,并对处理效果和处理后结构安全情况进行评价,这是研究坝体裂缝的最终目的。

针对以上所述,国内外研究者在4个方面:① 裂缝成因和机理方面;② 裂缝扩展稳定性及对结构影响方面;③ 裂缝展布情况探查方面;④ 裂缝预防、处理措施及处理效果方面做了大量工作,近年来,发展中国家在裂缝机理、演变规律、影响和控制措施等方面研究成果丰富,发达国家主要以基础性研究为主。本文就成因和机理、扩展稳定性、探查方法和预防控制措施4个方面的进展和研究现状进行回顾,特别是近年来的研究成果,希望能对大体积混凝土裂缝研究有所帮助。

1 裂缝成因和机理研究

裂缝成因,即造成混凝土开裂的原因,导致坝体混凝土开裂的因素很多[2],十分复杂,包括:材料性能、环境状况、施工工艺、施工质量、结构设计、基础变形、混凝土冻胀、冲刷、老化以及地震等偶发因素。在不同阶段,各影响因素作用大小有所不同,裂缝主要成因有所差异,通常坝体裂缝主要在施工期产生,由施工期温度荷载造成;运行期裂缝主要是施工期微裂缝扩展、结构设计不当、基础变形、地震等因素造成;坝体长时间运行后,冲刷、冻胀、老化等会造成表面开裂,这种损坏无法避免。

裂缝成因分析是从各种影响因素中找出已有坝体裂缝的主要致裂因子,从而总结经验,为裂缝处理及后续工程抗裂、预防做准备。分析方法大致可以分为总结和理论分析、室内实验、数值模拟、数理统计等几种[3]。总结和理论分析主要是根据各种外界因素变化情况、监测资料和裂缝出现时间、性态进行定性分析,确定主要致裂因子,得出裂缝成因,目前多数已有裂缝坝体都采用这种方法进行分析,另外采用结构力学法、柔度系数法[4]等分析结构设计不良造成的坝体开裂,采用经验公式分析温度造成的基础块混凝土贯穿性和表面性开裂等。显见这是一种粗糙、整体和定性式分析方法。室内地质力学模型实验由于经济、人力和时间消耗大,不易重复,且模型相似性与不同荷载的模拟尚存在未解决的问题,目前逐渐被数值模拟方法替代[3],仅在一些特重大工程中采用,采用超载、降强等方法预测可能出现裂缝、发展及破坏情况。数值模拟方法广泛用于裂缝成因分析上,最成熟常见的为有限元方法,其它还包括离散元法、无单元法、流形元法等,分析基本上以考虑多因素叠加如温度荷载、自重荷载、水压荷载造成的应力进行验算为主,与实际情况即真实过程存在一定差距;为尽可能真实模拟坝体混凝土应力的时空分布情况,有限元仿真技术被用来分析结构自基础开挖、坝体浇注、初次蓄水和正常运行的全过程应力状态,可以比较准确的给出裂缝出现部位、时机以及主要影响因素,是相对有效和统一的系统模拟方法,但计算量大、计算时间长,同时受有限元方法本身的限制,如应力集中、网格剖分复杂等。研究者尝试引入一些数学理论分析裂缝成因,如粗集方法[5]、神经网络等,应用尚处于尝试阶段,不很成熟。

混凝土开裂机理十分复杂,机理研究主要采用试验方法和数值模拟方法两种。其中混凝土试验方面[6],主要以坝体混凝土早期性能为研究对象,通过对坝体混凝土热学性能、力学性能的详细研究,把握混凝土早期开裂机制,包括干缩、塑性收缩、自收缩、温度变形等导致的开裂;另一类试验主要以混凝土断裂性能为研究对象[7],以便更好采用断裂力学方法模拟坝体混凝土的开裂和扩展,试验主要以室内试验为主,大体积混凝土试验成果很少。数值模拟方面,主要采用细观力学[8]、断裂力学等方法研究裂缝开裂和发展机理,与裂缝扩张稳定性研究相互关联。

2 裂缝扩展稳定性研究

目前裂缝扩展稳定性分析普遍采用数值方法[9],包括流形元法、边界元法、分形几何方法、无网格法、有限元法、扩展有限元方法等,其中最为常用和普遍的是有限元方法,其余方法如流行元法在确定物理及数学覆盖时十分繁琐,不易操作,边界元法处理多介质问题、复杂非线性问题比较困难,分形几何和无网格法理论尚不成熟。除此之外,有些学者还提出其它一些研究方法,如变形加固理论,熵理论等,均处于试验阶段,在实际工程中缺乏实践和应用。

采用有限元方法模拟裂缝扩展时,主要有分离裂缝模型、弥散裂缝模型、断裂力学模型、嵌入非连续模型以及扩展有限元方法等[10],其中分离裂缝模型[11]要求在每一荷载步下对网格进行重新剖分,网格重构比较复杂,目前在大坝结构中已有裂缝情况下应用较多,主要采用预设裂缝的方法,而不在计算过程中进行网格调整,避免网格重分的复杂处理和大工作量,但裂缝扩展方向受到严格控制;弥散裂缝模型通过调整单元刚度矩阵来实现结构的开裂和扩展,避开网格重构,但收敛性和计算结果严格依赖网格尺寸,且裂缝开裂尺度难以给出,同时无法反映单元开裂后的自然应力边界条件如坝体裂缝的渗透水压等[12];断裂力学模型一般指虚拟裂缝模型和钝化裂缝模型,即采用分离裂缝模型和弥散裂缝模型的思想,结合断裂力学理论,采用能量释放率或断裂韧度作为断裂准则,克服计算受网格尺寸影响大的缺点;但由于连续介质力学对于解决应变软化问题存在固有缺陷,使得隐式模型的开裂严格依赖于网格尺寸、开裂方向与划分网格边的一致性,同时在开裂后期存在应力锁死现象,使得结果不尽合理[13]。嵌入不连续模型基本出发点是在常规单元形函数中集入应变或者位移非连续项,以表征开裂或错动,采用不同非连续项可以建立不同模型,大致包括静态优化对称模型、动态优化对称模型和静动态优化非对称模型,该方法可以消除隐式模型的应力锁死、网格尺寸和方向相关性,引入附加自由度具有局部特性,不参与整体刚度矩阵的集成,计算过程中整体刚度矩阵带宽保持不变,程序实现可操作性强,但由于引入不连续项是在单元水平上进行的,单元间并不连续和协调,存在明显局限性[13]。扩展有限元方法[14]是基于单位分解的方法对单元形函数加以改进,可以考虑非连续性、边界层等特性,计算中采用网格与结构内部几何或物理界面无关,克服了结果受网格划分影响的缺点,与流形元方法十分接近,是理论上较完善的裂缝扩展模拟方法,但裂缝几何形状的描述以及裂缝与网格间的关系在程序实现上难度很大,目前仍处于发展阶段,在高坝工程实际裂缝分析中应用不多。

3 裂缝探查方法研究

坝体混凝土一旦出现裂缝,必须明确裂缝展布情况、裂缝尺度才能正确评估危害性和采取适当的处理措施。在混凝土裂缝探查方法上,可分为无损探查和破损探查两种,由于破损探查显然会对结构造成损害,因此无损探查是被优先采用和重点发展的方法,但由于各方面的限制,如裂缝处于大体积混凝土内部,很多时候无损探查方法无法准确确定裂缝展布情况甚至无法对某些部位进行探查,只能采用破损探查方法。两种方法在实际工程应用中一般相互配合相互补充。

无损探查方法种类很多,主要利用声发射、热、超声、X射线、冲击回波、散斑干涉等[15],由于原理不同,不同方法下裂缝测试精度、范围(深度)有所不同,均存在局限性,对于不同对象和测试要求应采取不同的方法。

声发射是在混凝土或岩石材料发生塑性变形、开和扩展裂时,材料自身释放出瞬时弹性能或弹性波,不像超声或射线一样由外在仪器提供,这是一种动态检测,不能反映静态缺陷,只能检测结构缺陷活动信息及其严重性,范围可以很大。目前声发射技术在混凝土性能试验中应用较多,尤其是断裂过程和区域的三维定位,但在实际工程中应用不多,对于已有裂缝的展布范围检测作用不大,另外利用频率、振幅等指标与混凝土开裂参数建立定量关系非常困难,且混凝土开裂过程具有不确定性[16]。热学上采用红外热成像技术进行检测,包括有外加热源和无外加热源两种,是根据混凝土部位和缺陷部位或开裂部位温度和发射率不同,精确反映不同热对比对,将红外辐射转换成可见光进行显示,这种方式主要用于浅层裂缝和缺陷的检测,对于大体积混凝土内部裂缝尚无法进行检测[17]。超声检测是根据超声波在不同介质中传播速度不同,根据传播速度大小计算和判定混凝土裂缝和缺陷,由于超声波在混凝土内传播路径复杂、能量衰减大,反射波成像较为困难,多采用透射波成像,检测深度与采用频率有关,具体检测上有很多种方法,如超声相控阵、自动聚焦超声成像、经验模态分解、合成孔径聚焦技术、脉冲激光扫描等,这些方法各有优缺点和适用性,根据不同情况选用,是目前在实际工程中使用较广泛的方法[18]。X射线或CT扫描检测是根据各部位对X射线吸收程度的大小,建立一副数字图像,可以反映密度分布情况,据此判断混凝土内部裂缝和缺陷,这种方法由于受到设备限制等,目前主要在实验室进行,且有如何进行三维图像构建、裂缝三维空间表达等多种问题需要解决[19]。冲击回波技术是在结构表面施以微小冲击,利用应力波在结构中遇到缺陷时产生来回反射引起结构表面微小的位移响应,接受并进行频谱分析获得频谱图,据此判断裂缝或缺陷的位置及深度等,该方法为单面检测方法,克服了超声技术的穿透法缺点,目前应用广泛,但对于结构复杂和裂缝成群分布等情况很难应用[20]。散斑干涉技术在混凝土断裂试验中被用于微裂纹扩展研究,实际裂缝研究中目前未见应用。

由于无损检测技术尚无法对大体积混凝土深部裂缝及群裂缝展布情况和开度给出准确判断,多数情况下必须采用传统的有损检测方法进行确定。有损检测方法主要指钻孔取芯检查,配合压水试验、孔内电视方法进行精确定位,该方法结果直观、可靠,但只能给出钻孔部位裂缝分布,局限性大,同时检测时间长、经济上耗费大,是必须采用而又要尽可能避免采用的方法,在实际采用中应尽可能结合无损检测方法使用。

4 裂缝预防和控制措施研究

为减少裂缝的出现,防止既有裂缝的扩展,并减轻既有裂缝的影响,提出了各种控制措施和无害化方法,包括:结构措施,如结构设计优化、预置分缝及分缝形式优化等[21];材料措施,如混凝土外掺MGO、粉煤灰、钢纤维或聚丙烯纤维等[22];施工措施[23],如施工程序优化、施工工艺改良、施工过程规范化等;温控措施,如多次冷却、混凝土永久保温等;蓄水过程规划措施:特高双曲拱坝的倒悬在未蓄水或蓄水高程较低时会引起下游面出现拉应力,进行合理规划使坝体下游面在水推力与自重合力作用下不会产生较大拉应力。以上措施联合运用,可以有效减少裂缝出现的概率和规模,且各种措施都在不断精细化和持续向前推进,但目前来看仍无法避免坝体混凝土裂缝的出现[1]

在裂缝出现后必须采取措施进行处理,以补强加固、防止裂缝继续扩展和渗漏,减小裂缝对结构的影响,即既有裂缝控制和无害化处理。具体处理措施包括很多种[2],根据裂缝形态和展布情况采取不同措施,包括灌浆、并缝钢筋或钢筋网、预应力锚杆或锚索、凿槽浇筑、封口等,另外还有生物修复技术等。其中灌浆是最广泛应用的处理措施[24],可以用来处理大多数类型的裂缝,灌浆材料包括水泥砂浆、环氧树脂等,这种方法尽管比较成熟,但仍存在一些问题,如灌浆压力大小的选择、灌浆时间选择、封闭裂缝尖端的充填问题、灌浆后粘结程度等,仍需要进行研究;并缝钢筋、钢筋网和预应力锚杆锚索处理措施在一些工程中得到应用,对于裂缝扩展起到明显的限制作用,在施工过程中易于应用,但对完整结构内部裂缝进行处理时过程复杂,同时需要一定的实施条件,限制性较大;凿槽浇筑、封口等措施是处理浅层或表面裂缝的有效措施,对于内部裂缝无法使用。目前有外国学者提出采用生物技术即细菌进行裂缝修补,即在裂缝中放置某些类型的细菌,利用它们在裂缝中产生一系列化学反应,产生碳酸钙、胶状物,将混凝土开裂部位逐渐重新粘合起来。这是一项全新的裂缝修复技术,国内已有研究人员跟进研究,值得关注[25]

不同处理措施处理后的效果尽管研究并不充分,但正在不断得到评价和对比研究,使得处理措施在不断完善和进步,整体上更安全、牢靠和环保。

5 结语

如何解决坝体混凝土裂缝一直是国内外学者长期关注的焦点,本文系统总结了近年来高坝裂缝问题研究成果,可看出随着筑坝经验和科研工作的逐步积累,目前在裂缝的成因、机理、稳定性、探查、修补处理和防裂、限裂方面有了长足进步,但鉴于混凝土材料及裂缝问题的复杂性和不确定(偶然)性,在裂缝研究中仍有大量工作需要向前推进。针对高坝裂缝问题,提出以下个人看法。

① 裂缝致裂机理和主要致裂因子目前主要以经验判断和定性分析为主,目前尚无较为有效和统一的分析判断方法,应建立时间全过程、空间全维度和涵盖各主要致裂因子的确定性指标体系,以减少大坝混凝土裂缝产生,严格控制裂缝尺度,以及预测各因素可能对坝体裂缝产生造成的影响。

② 大坝裂缝实际性态掌握不足,尤其是坝体混凝土内部裂缝,一方面是因为深部裂缝探查方法的不足,另一方面是大体积混凝土中裂缝监测仪器的布置存在较大困难。这两个方面的不足使得实际工程中裂缝监测资料掌握较少,不利于裂缝问题研究的深入开展;

③ 如坝体混凝土裂缝得到处理后,不会对结构防渗和安全性带来不利影响,出现一些裂缝也并不可怕。但目前带缝坝体的短期和长期性能研究成果缺乏,这影响到对结构防渗和安全的评估,也影响到坝体混凝土防裂抗裂及裂缝处理的严格程度等,因此带缝坝体的整体性能研究是一个重要方向。

参考文献(References):

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收稿日期:2011-11-02 修回日期:2011-11-25 网络出版时间:2012-02-24

网络出版地址: http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1334.TV.20120224.1342.003.html

作者简介:周秋景(1979-),男,山东荷泽人,高级工程师,主要从事混凝土结构数值分析方面的研究。E-mail:zhougj@inhr.com

通讯作者:张国新(1960-),男,山东临朐人,教授级高级工程师,博士生导师,主要从事复杂混凝土结构数值分析、大体积混凝土温控等研究。E-mail:zhanggx@iwhr.com

作者:周秋景 张国新 杨波