考虑化学灌浆时机的混凝土裂缝开度仿真

王祥峰1 ,孙利敏2

1. 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川，成都 610072; 2.四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川，成都 610017

摘要：基于三维接缝单元，模拟施工期拱坝裂缝开合行为，采用Newton-Raphson迭代法和预处理共轭梯度法计算，开发了拱坝裂缝开度仿真计算程序模块，采用三维有限元仿真软件FZFX3D进行了溪洛渡裂缝开合度仿真分析。本文针对工程上各单位比较关注的灌浆时机选择问题，选取先灌浆后二冷和先二冷后灌浆两种工况，按照实际的二期冷却时间，选择不同的化学灌浆时间，开展了混凝土典型裂缝开合度和裂缝扩展趋势的研究，绘制了裂缝开合度过程线、缝面开合度云图和缝面应力云图等，更加丰富、全面的展现了裂缝的开和状态。计算结果表明：裂缝化学灌浆宜在二期冷却之前进行。

关键词：化学灌浆、灌浆时机、裂缝开合度、裂缝扩展

中图分类号：TV698.23       文献标识码：A

混凝土属于准脆性材料，在工程中有着广泛应用[1]。混凝土坝在施工过程中出现的裂缝，主要是温度裂缝[2]。裂缝是否发生扩展，大坝结构是否发生变异，对大坝结构安全具有重要意义[3] 。目前针对温度裂缝主要采取化学灌浆处理方式，化学灌浆的关键问题是灌浆时机的选择，时机太早，会有在后期温降荷载作用下已灌裂缝再度拉开风险，时机太晚，不仅延误工期，还会因裂缝面析出物过多影响粘结效果，而且长时间空置裂缝会因为尖端应力集中导致裂缝扩展。因此有必要对化学灌浆时机选择问题进行仿真研究，给决策者提供技术支持。

    论文以溪洛渡水电站16#坝段为例，对温度裂缝的化学灌浆时机进行仿真模拟分析，以期能为工程实践提供帮助。

1.工程概况

溪洛渡水电站位于四川省雷波县和云南省永善县境内金沙江干流上，是金沙江下游河段梯级开发规划的第三个梯级电站，距下游宜宾市河道距离184km，左岸距四川省雷波县城约15km，右岸距云南省永善县城约8km，距离三峡水利枢纽、武汉、上海的直线距离分别为770公里、1065公里和1780公里。该工程是以发电为主，兼有拦沙、防洪和改善下游航运等综合效益。
    水电站枢纽由拦河大坝、泄洪消能设施，引水发电建筑物等组成。拦河大坝采用混凝土双曲拱坝型式，最大坝高285.5m，坝顶高程610.0m，坝顶拱冠厚度14m，坝底拱冠厚度60m，顶拱中心线弧长681.5m，大坝从左至右共分31个坝段。
    泄洪建筑物采取“分散泄洪、分区消能”的布置原则，由坝身7个表孔、8个深孔、坝后水垫塘与两岸4条泄洪洞组成。4条泄洪洞分左、右两岸布置，左岸为1#、2#泄洪洞，右岸为3#、4#泄洪洞。发电厂房为地下式，分设在左、右岸山体内，各装机9台、单机容量为770MW的水轮发电机组，总装机容量13860MW。施工期左、右岸各布置有3条导流洞，其中左、右岸各2条与厂房尾水洞结合。

2. 16#坝段概况

溪洛渡16#坝段分为9个混凝土浇筑仓，其中16#-01仓于2009年5月7日开仓，6#-09仓于2010年1月14日开仓，整个砼浇筑过程正常。16#坝段保温情况基本良好，仓面保温采用军绿色保温被进行保温，因与固结灌浆相互干扰，采取不施工部位覆盖保温被，施工部位施工完成后立即覆盖保温被的办法，保证仓面保温满足要求。

表1  16#坝段各仓统计表
坝段编号	混凝土仓号	浇筑时间	起高程(m)	止高程(m)	浇筑温度(℃)	一期通水
						水温(℃)	流量(L/min)
16#	16#-001	2009-05-07	324.5	326.0	8	12	30
	16#-002	2009-05-19	326.0	327.5	8	12	30
	16#-003	2009-05-25	327.5	329.0	10	10	50
	16#-004	2009-06-18	329.0	330.5	10	10	50
	16#-005	2009-08-14	330.5	332.0	10	10	50
	16#-006	2009-08-23	332.0	333.5	10	10	50
	16#-007	2009-12-20	333.5	335.0	10	15	30
	16#-008	2009-12-31	335.0	338.0	10	15	20
	16#-009	2010-1-14	338.0	341.0	10	12	20

3有限元模型建立

3.1有限元模型及参数设置

    根据现场实际情况，利用三维有限元仿真软件FZFX3D构建该坝段的有点远计算模型[4-5]，见图1。根据大坝混凝土光纤实测温度值，进行反演分析得到的大坝混凝土热学参数，以及大坝混凝土性能试验成果，分别得到基岩、大坝混凝土热学参数以及大坝混凝土力学参数见表2、3。

图1  有限元计算模型

表2 大坝混凝土和基岩热学性能参数
材料	导热系数λ/[kJ/(m﹒d﹒℃)]	导温系数a /(m2/d)	绝热温升/℃	水化热上升速率n/d	容重γ /(kg/m3)	泊松比 μ	比热c /[kJ/(kg﹒℃)]	线膨胀系数α/(×10-6/℃)	热交换系数β/[kJ/(m2﹒d﹒℃)]
基岩	360.0	0.1774	无	无	2670	0.20	0.76	6.0	1005
C18040混凝土	184.9	0.0690	26.0	2.45	2663	0.17	0.86	7.0	1005

表3 大坝混凝土力学参数
混凝土等级	劈拉强度/MPa				弹性模量/GPa
	7d	28d	90d	180d	7d	28d	90d	180d
C18040	1.31	2.18	3.14	3.79	36.6	41.3	47.4	48.8

3.2 计算工况

为探究灌浆时机问题，特制订以下两种工况进行对比分析，见表4。两种工况的冷却时间均为2010年6月15日（也是现场实际时间），工况一的化学灌浆时间为2010年4月14日，工况二的化学灌浆时间为2010年10月1日，即工况一为先化学灌浆后二期冷却，工况二为先二期冷却后化学灌浆。

表4 工况列表

工况	二期冷却时间	化学灌浆时间	备注
1	2010-6-15	2010-4-14	先化学灌浆后二期冷却
2	2010-6-15	2010-10-1	先二期冷却后化学灌浆

3.3模型验证

基于构建的模型，对温度场进行模拟分析，结果见图2。由图2可以看出：仿真计算所得的温度与点温度实测的温度拟合得较好，说明计算所得的温度场真实可靠，这将为后续的应力场、位移场计算的正确性提供保障。

图2 16#-002、16#-003、16#-006仓内部点计算温度与实测温度对比曲线

4裂缝开合度和应力场计算结果

选取B、C两点作为过程线的拾取点，得到16#坝段裂缝开度过程线结果见图3。从图3中可知：无论是B点还是C点，工况一的开合度均小于工况二下的开合度，B、C两点在工况一下的最大开合度超过0.3mm，而在工况二下最大开合度仅为0.1mm左右。

（a）B点         （b）C点

图3 两种工况下裂缝开合度曲线

模拟得到的裂缝面开度云图见图4。从图4中可以看出：裂缝刚产生后开度最大0.115mm。工况一裂缝在2010-4-14进行化学灌浆，化学灌浆后，裂缝开度最大达到0.146mm，而先二期冷却后灌浆工况下，由于中期冷却的原因，裂缝开度达到0.155mm。另外，二期冷却末，工况二裂缝开度最大0.294mm，工况一开度为0.124mm。

（a）2010-4-9(灌浆之前)             (b)工况一2010-5-10(灌浆之后，二期冷却之前)

（c）工况一2010-8-7(二期冷却末)       (d)工况二2010-5-10裂缝开度云图

(e)  工况二2010-8-7(二期冷却末)

图4  裂缝面开度云图

模拟得到的裂缝面应力云图见图5。从图5中可以看出：如果先二期冷却后灌浆，缝端会产生应力集中现象，横河向拉应力达到1.98MPa，裂缝向基岩扩展的可能性较大，而先进行化学灌浆后二期冷却，二期冷却末缝端应力分布更加合理，集中现象得到缓解，最大应力为1.2MPa。

（a）工况一2010-5-10(灌浆之后，二期冷却之前) （b）工况一2010-8-7(二期冷却末)

(c)工况二2010-5-10          （d）工况二2010-8-7(二期冷却末)

(e)工况二2010-8-7(二期冷却末)

图5裂缝面应力云图

5结论

对于上游表面劈头裂缝，先进行化学灌浆后进行二期冷却比先二期冷却后进行化学灌浆效果好。第一，前者在混凝土冷却过程中，开度基本不变，说明裂缝发展稳定，而后者在中期冷却和二期冷却过程中，裂缝呈张开趋势；第二，前者缝面的应力分布更加合理，缝端应力集中现象得到改善，改善程度约为0.7MPa左右，裂缝重新张开的可能性小。

本文采用FZFX3D软件仿真分析了混凝土裂缝开合度，可以计算裂缝开合度和模拟裂缝开合过程，并且能全面的展现整个裂缝面的开度状态，以便及时判断裂缝是否发生扩展，可以有效弥补裂缝监测仪器只能展现裂缝局部点的缺陷，为施工现场决策者裂缝灌浆时机选择提供全面的技术支持。

参考文献：

[1]常晓林，朱静萍，等.基于细观力学模型的混凝土温度裂缝研究[J].武汉大学学报（工学版）2012,45（2）：559-563.

[2]朱伯芳. 大体积混凝土温度应力与温度控制[M]. 北京:中国电力出版社,1999.

[3]包腾飞，吴中如。混凝土裂缝开度混合预测模型[J].水利水电技术，2005（36）：52-55.

[4]蒋林魁，黄玮，王祥峰，等.相邻两坝块对横缝开度的贡献分析[J].三峡大学学报（自然科学版）2014,36（4）：24-27

[5]王祥峰，等.高拱坝混凝土裂缝开合度仿真分析[J].水利水电技术2015,46（4）：55-59,63

作者：王祥峰，1985-，山东潍坊人，硕士研究生，高级工程师 ，主要从事施工技术及总承包管理工作。