（水利工程专业论文）澧南闸裂缝成因及加固方案优化研究.pdf

摘要 大体积水工混凝土建筑物的开裂机理及裂缝控制问题的研究，是目前水工结构的研 究热点问题。虽然在混凝土早期开裂与微裂缝问题、胶凝材料对混凝土开裂的影响问题 以及温度对开裂的影响问题等方面取得了一些可喜的研究成果。但在控制混凝土开裂的 主要、次要因素以及相应控制混凝土开裂的方法等方面的研究，还比较匮乏。 本文以湖南省澧县澧南分洪闸闸底板开裂分析项目为背景，对澧县澧南分洪闸的开 裂问题进行了全面的研究。本论文共分六章。 第一章介绍了大体积水工建筑物混凝土开裂问题的国内外研究状况，指出了本文的 研究意义和研究内容： 第二章对澧南闸工程现有的监测资料与检测资料进行了分析整理，初步确立温度是 导致湖南省澧县澧南防洪闸闸底板开裂的主要原因。 第三章详细论述了混凝土温度场分析的有限元基本原理、弹性模量反演分析的程序 及其编制原理。 第四章对闸底板以下材料参数进行了反演分析，并在此基础上，采用有限单元法对 闸室在各种工况下的应力一应变状态进行了数值模拟。分析结果表明，裂缝出现的主要 原因是温降应力。 第五章针对开裂的诱因，提出了碳纤维布加固、钢板加固、分缝加固以及化学灌浆 四种加固方案，并分别进行了有限元和结构稳定计算。在综合考虑四种加固方案的加固 效果和工程投资的情况下，建议采用钢板加固方案。 第六章对本文的研究进行了总结，并提出了一些有待完善的想法，如考虑材料的非 线性、非稳定温度场的变化等。 关键词：大体积混凝土，裂缝，温度场，反演分析，有限元分析，加固方案，优化 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft h ec r a c km e c h a i l i c sa 1 1 dc r a c kc o n t r o lo fb u l k yh y d r a u l i cc o n c r e t ci sm e h o t s p o tp r e s e n t t h o u g hm es t u d i e so nt h ce a r l ys t a g ec r a c ka n d 廿n yc r a c k 、c e r n e n t i t i o u s m a t e r i a lo rt e m d e r a n l r ea 疏c to nc o n c r e t ec r a c kh a v eg a i nal o to fd e l i g h t f u lr e s u l t s ，m e a n a l y s i so ft h ei n n u e n c ef k t o r so f b u l k y c o n c r e t ec r a c ka n dc o 盯e s p o n d i n gm e t h o d so fc m c k p r e v e m i o nh a sb e e ns h o no t h i sp a p e r sb a c k g r o u f l di s 恤er e a lp r o j e c to fl i n a 董1s l u i c ei nl ic o u n t yo fh u n a np r o v i n c e ， a n dw es t u d i e dr o u n d l yo nt b ec r a c kp r o b l 锄o ft h es l l l i c e ，t l l em a i n l ys m l c t u r e si nm i s d i s s e n a t i o na r ea sf b l l o w s ： i i lt h ef i r s tc h a p t e r ，t h ed e v e l o p m e n t 卸dc u r r e n ts t a t u so f t h eb u c k yc o n c r e t ec r a c ka i l a l y s i s w e r ei n 仃o d u c e d ，a 1 1 d 廿1 es i 印i f i c a l l c ea i l dc o n t e n to f t l l i sp a p e ra r ep r c s e n t h 1t h es e c o n dc h a p t e r ，t h ee x i s t i n gi n 印e c td a t ah a db e e na 1 1 s l y s e d ，m e nw et l l o u g h t p r i m a m y l a tt h et l l e m a ls 仃e s si sm e m a i r e a s o nr e s u i t i n gi nt h ec r a c ko fl i n a i ls l u i c e mt h em i r dc h a p t e r ，t h eb a s et h e o r i e so ff e ma b o u ta n a l y s i so fc o n c r e t et e m p e r a t u i ef i e l d 、v e r ei n t r o d u c e di nd e “l ，t h 锄t h et h e o r ya 1 1 dt h ep r o g r 锄o f b a c ka 1 1 a l y s i sa b o u t l ee l 删c m o d u l ew a sp u tf o n v a r d i nt h ef o r t l lc h a p t e r ，t h es t r e s s - s t a ms t a t e si i la l ll o a dc a s e 、e r em o d e l e db yt h ef i n “e e l e m e n tm e m o db a s e do nt h er e s u l t so f b a c ka i l a l y s i sa b o u tm ee l a s t i cm o d u l ew a sp mf o n a r d i nt h ef i f u lc h 印t e r a i m i n ga tt h er e a s o l l sf 打c r a c k ，f 0 i l rk i n d so fr e i - o r c e m e n tl a y o u t s ， i n c l u d i n g c a r b o n f i b e rs h e e t ， p r o f i l e d i r o n - b o n d e d ，j o i n t r c i n f o r c e m e n ta l l dc h e m i c a l r e i n f o r c e m e n th a db e e ni n t r o d u c e d ，a n dt h ec o 玎e s p o n d i n gf e ma n a l y s i sa 1 1 ds 仃u c t u r es t a b i l i t y a i l a l y s i sh a db e e nd o n es u c c e s s 如i ly c o n s i d e r m gm er e i n f o r c e m e n t e 腩c t sa 玎dp r o j e c t i n v e s t m e n to fm e s ef o u rk i n d so fr e i n f o r c e m e n tm e t h o d s ， “s p a p e rs u g g e s t s t h a t d r o f i l e d i f o n - b o n d e dr e i b r c e m e n ts h o u l db ea 1 1e f f b c t i v er e i n f o 吼e n tl a y o u t i n 也es i x mc h a p t e r ，t h ew o r ko f 也ep a p e r 、v a ss 哪m 撕z e d ，a i l ds o m en e wt l l o u 曲t sf o r 如r t h e rs t u d i e s ，s u c ha sc o n s i d e r i n gm a f e r i a ln o i l l i n e a r i t ya i l du n s t a b l et e m p e r a t u r e 矗e l d ，h a d b e e np o i n t e do u t k e yw o r d s ：b u l k yc o n c r e t e ，c r a c k ，t b m p e r a t u r ef i e l d ，b a c k 趾a l y s i s ， f e ma 眦l y s i s ， r e i n f o r c e m e n tl a y o u t ，o p t i m i z a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包括其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本文所做 的任何贡献均已在论文中作了明确地说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签名) ：逄垄及椰年，月7 日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、匿家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阕和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 章竺g 年，月f 7 日 河海大学工程硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 目前，在工程结构领域中一个相当普遍的问题就是结构物的裂缝，并且近年来日趋 增多，它已极大地影响到混凝土的耐久性，并困扰着大批工程技术人员和管理人员，是 迫切需要解决的技术难题。 根据报导，世界各经济发达国家也逐渐把建设的重点转移到水工建筑物、桥梁、隧 道等混凝土结构的维修、改造、加固。据美国劳工部统计，旧房屋维修改造是最受欢迎 的九类行业之一，混凝土基建工程总价值达6 万亿美元，由于耐久性不好，重建与维修 费用高达数千亿美元，价值1 万亿美元的公路系中，有2 5 万座桥梁遭受破坏，重建与维 修的费用需要4 5 0 0 亿美元。英国在1 9 7 5 年一1 9 8 0 年新建工程数量和费用减少，建筑维 修、改造的项目却逐年增加，1 9 7 8 年用于投资改造的费用是1 9 6 5 年的3 7 6 倍，1 9 8 0 年 建筑物维修、改造工程占英国建筑工程总量的三分之二，英国的路桥维修和重建费用也 高达6 亿英镑，年。根据美国国家公路合作研究计划1 9 9 5 年检查的结果表明：有1 0 万座 混凝土桥面板是在混凝土浇筑后一个月内，就出现了间隔l 3 米的贯穿性裂缝。 在我国，许多重大混凝土工程在不到十年内破坏所造成的损失也十分的惊人。从桥 梁、路面等交通设施到沿海的海港工程结构，从民用建筑、商业建筑到一些化工、冶金 工业建筑，开裂问题的影响极其广泛。据了解，“一五”期间，更新改造资金只相当于同 期基本建设投资的4 2 ，“三五”期间已达2 7 ，“四五”期间为3 1 7 ，“七五”期间 己达5 4 。我们辽河油田情况也是如此，近几年内，将投资2 4 亿元对4 0 0 栋，近2 万 户住宅工程进行加固、维修。不少旌工单位人员反映：“现在简直是无房不裂”，高层建 筑基础底板、地下连续墙和楼板甚至大梁开裂问题频频发生【2 】。住宅楼现浇楼板裂缝问 题成为居民质量投诉热点。所以，对于正在大量建设各种基础设施而结构混凝土开裂现 象普遍的我国，迫切需要深入开展对混凝土开裂问题、混凝土结构加固、混凝土裂缝预 防的研究。 水闸是一种以闸门挡水为主的低水头水工建筑物，既能挡水，又能泄水，我国修建 水闸的历史可追溯到公元前6 世纪的春秋时代，据水经注记载，在位于今安徽寿县 城南的芍坡灌区中即设有进水和供水用的5 个水门。水闸是平原地区常见的水工建筑物。 1 澧南闸裂缝成因及加固方案优化研究 水闸开裂也是一个普遍现象，在观音寺闸的底板上曾发现了多达1 2 7 条裂缝，其中 2 4 条为贯穿性裂缝；在沙颖河郑埠口枢纽工程节制闸闸墩上曾发现4 5 条裂缝；新河大 闸在铺盖上发现了3 条横向贯穿性裂缝h ：在法泅闸也发现了裂缝”1 ；在石梁河水库新 泄洪闸上除边墙外几乎每个闸墩都发现了1 3 裂缝“l ；1 9 9 9 年3 5 月，在对四女寺枢纽 工程北进洪闸底板及上游铺盖检查时，发现底板及斜坡段过流表层混凝土共有4 2 条裂缝。 2 0 0 0 年再次清淤检查时发现底板水平段裂缝增至1 4 条，总长8 l m ；斜坡段裂缝也增至 1 4 条，总长7 1 1 3 m 【7 】；献县枢纽节制闸运行3 0 多年来，工程设施及机电设备严重老化， 已影响工程正常运行。2 0 0 0 年9 月该闸进行除险加固施工，在施工过程中发现左孔底板 有裂缝渗水，经检查，两边孔底板共有5 条裂缝，其中左边孔一裂缝已上下贯通，裂缝 总长4 8 0 6 m m ；湖北省江汉航线新城船闸工程于1 9 9 7 年1 2 月2 6 日开工，上下闸首采 用钢板桩支护垂直开挖，底板均分两层浇注，底板浇注完成后，上下闸首均灌水反压， 汛后清理时发现闸首底板有裂缝产生例；在淮河入海水道滨海立交地涵在多个涵洞侧墩 墙上也曾发现1 3 条垂直向裂缝。 水闸开裂后，将会产生一系列严重的后果： ( 1 ) 加速渗漏破坏。混凝土裂缝将使水工建筑物产生渗漏，渗漏的结果，一方面 在压力水作用下使裂缝逐步扩宽和发展，另一方面当水渗入混凝土内部后将一部分水泥 的某些水化物中最容易被溶解的是c a ( 0 h ) 2 ，它被溶蚀后会促使水泥水化物的水解。首先 引起水解破坏的是水化硅酸三钙和水化硅酸二钙的多碱性化合物，然后是低碱性的水化 产物( 如c a o - s i 0 2 一a q ) 的破坏，由此可能导致混凝土结构物的破坏。根据调查，由裂缝引 起的各种不利结果中，渗漏水占6 0 ( 2 ) 加速混凝土碳化。混凝土裂缝的存在，使空气中的二氧化碳极易渗透到混凝土 内部与水泥的某些水化产物相互作用形成碳酸钙，这就是常说的混凝土碳化。在潮湿的 环境下二氧化碳能与水泥中的氢氧化钙、硅酸三钙、硅酸二钙相互作用并转化成碳酸盐， 中和水泥的基本碱性，使混凝土的碱度降低，使钢筋纯化膜遭受破坏，当水和空气同时 期渗入时，钢筋就产生锈蚀。同时由于混凝土碳化会加剧混凝土收缩开裂，导致混凝土 结构物破坏。 ( 3 ) 降低混凝土抵抗各种侵蚀介质的耐腐蚀性能力。混凝土腐蚀有三种类型： ( a ) 溶蚀型混凝土腐蚀。即当水通过裂缝渗入混凝土内部或是软水与水泥石作用 河海大学工程硕士学位论文 时，将一部分水泥的水化产物( 如c a ( o h ) 2 ) 溶解并流失，引起混凝土破坏。 ( b ) 酸盐( 酸性液体) 腐蚀和镁盐腐蚀。这类腐蚀的主要生成物是不具有胶凝性， 且易被水溶解的松软物质。这类物质能被通过裂缝或孔隙渗透入混凝土内部的水所溶蚀， 使混凝土中的水泥石遭到破坏。 ( c )结晶膨胀型腐蚀。它是混凝土受硫酸盐的作用，在裂缝和混凝土孔隙中形成 低溶解度的新生物，逐步累积后将产生巨大的应力使混凝土遭受破坏。 ( 4 ) 影响水闸的结构强度和稳定性。混凝土裂缝直接影响水闸的结构强度和整体稳 定性。轻则会影响水闸的外观、正常使用和耐久性，严重的贯穿性裂缝则可能导致水闸 的完全破坏。 ( 5 ) 加快钢筋的腐蚀。混凝土的裂缝使混凝土对钢筋的保护作用削弱，在裂缝部位， 水和空气等物质和钢筋直接接触，钢筋很容易受到腐蚀，钢筋腐蚀后，抗拉性能减弱， 裂缝进一步扩大，形成更大的危害。 综上所述，水闸等大体积混凝土结构的开裂机理的研究是非常前沿的研究热点，具 有重大的理论意义，同时，恰当的加固措施，可以大量地节约工程投资，具有良好的经 济效益。 1 2 裂缝开裂问题的国内外研究现状 目前，国内外关于大体积混凝土开裂问题的研究，主要集中在以下三个方面：混凝 土早期开裂与微裂缝问题、胶凝材料对混凝土开裂的影响问题以及温度对开裂的影响问 题。 1 2 1 早期开裂与微裂缝问题 裂缝的产生主要是由于混凝土在约束条件下的体积变形引起，如温度变形、收缩变 形、基础不均匀沉降变形等。此类裂缝几乎占全部裂缝的8 0 以上。变形引起的裂缝， 目前的研究还很不成熟，缺乏有关规范及规程。涉及到结构设计、地基情况、施工技术、 材料质量、环境条件等等各方面因素。 此类开裂问题经常发生在混凝土的早期，这一阶段对于混凝土的开裂过程来说是非 常关键的。在早期混凝土的体积变化最剧烈，杨氏模量从零增长到数十g p a ，水化热大 多集中在早期释放，混凝土硬化后的应力松弛能力也持续变化。由于混凝土的抗拉强度 澧南闸裂缝成因及加固方案优化研究 和极限拉应变相对都较低，早期约束变形引起的应力可能会使得混凝土产生裂缝，而这 种早期裂缝对混凝土的耐久性影响极大。钢筋混凝土是带裂缝工作的，混凝土中普遍存 在可见和不可见裂缝，根据m e h t a 的混凝土耐久性整体模型”“，混凝土早期产生的这些 裂缝，必将为以后侵蚀性物质的进入提供通道而危及钢筋产生锈蚀，降低混凝土的整体 性，加剧混凝土的破坏，同时这也成为荷载作用下的裂纹源。把着眼点放在早期的混凝 土，对深入研究混凝土的开裂有重要作用。 收缩应变大小仅是引起混凝土开裂的一方面因素，另一方面因素还与混凝土的弹性 模量、徐变和抗拉强度有关。弹性模量越小，一定量收缩引起的弹性拉应力越小，徐变 越大，应力松弛越显著，残余拉应力就越小，抗拉强度越高，拉应力使材料开裂的危险 越小。要综合考虑以上因素，才能准确判定混凝土早期的开裂趋势，从而跳出原有研究 的局限。 混凝土早期开裂问题逐渐受到重视，迄今为止国际材料与结构试验和研究实验室联 合会已经开过三次国际会议： ( 1 ) “早期混凝土”国际会议，法国巴黎，1 9 8 2 ； ( 2 ) “混凝土早期热裂缝”国际会议，德国慕尼黑，1 9 9 4 ； ( 3 ) “胶凝系统的早期开裂”国际会议，以色列海法，2 0 0 1 。 1 2 2 胶凝材料体系对开裂的影响 影响混凝土抗裂性的主要因素无疑是胶凝材料体系f 包括水泥本身和各种掺和料以 及外加剂和水胶比1 ，且不论骨料等因素对于混凝上抗裂性的影响。对于我国，混凝土开 裂的质量问题突出表现在水泥标准修订以来的近两年，因而更具有研究的针对性。 胶凝材料体系对混凝土开裂的影响可以从一些历史上的研究活动中得到体现j ： 1 9 4 3 年波特兰水泥协会( p c a ) 用2 7 种水泥配制了混凝土在n l i n o i s 的s c o k i e 进行了 长达2 5 年的暴露试验研究。他们发现( 1 9 6 8 年) 水灰比高达0 7 9 的混凝土，饱水并暴露在 严酷的冻融条件下2 5 年未受影响，他们还报道了水泥细度和化学成分没有影响。然而， 同样的水泥用于气候干燥的科罗拉多州的g r e e nm o u m a i n 坝中，则由于高细度和高碱造 成严重的收缩裂缝。 1 9 4 6 年美国的f l j a c k s o n 调查了1 3 7 座桥，发现其中建造于1 9 3 0 年以前的桥有3 3 正在劣化，而1 9 3 0 年以后建造的桥，则有7 3 在劣化。他认为这可能是由于1 9 3 0 年以 4 河海大学工程硕士学位论文 前使用的是粗磨水泥。美国垦务局”2 1 对此予以了确认。 1 9 5 3 年美国国家标准局的r l b l a i n e 开展了一个测试1 9 9 种水泥的项目，其发表于 1 9 6 5 到1 9 7 1 年间的数据表明：在环收缩实验中，水泥的碱和细度对于干缩开裂影响很大。 1 9 8 9 年法国的p a i l l e r e 用改良的慕尼黑装置进行试验，首次报道了使用硅灰的低水 灰比混凝土因自生收缩和干缩叠加作用的易裂性。在此期间，晰唧n k ，b l o o m m l 和 b e n t i l r 14 1 ，1 乜a w a 和m i y a z a w a ，s c l l r a g 和s w m e r ，j e n s e n 和h a n s e n ，k o m p e 以及 s p 血g c n c h m i d f ”1 等都研究了硅灰的这种副作用。 1 9 9 4 年德国的s 呻g e l l c h m i d 【“1 认为：水泥的碱和水泥细度增加温度收缩的开裂。 在他试验的1 7 种水泥中，只有7 种通过了测试，其中6 种是低碱水泥。他们为德国一高 速公路上的一座无旌工缝的，2 9 2 6m 长的桥设计了一种低开裂的混凝土，使用的是一种 贫拌和物( 水泥2 8 0k g m 3 ，粉煤灰59k g ，m 3 ) ，采用r j l e mt c1 1 9 叫1 的开裂试验架来选 择水泥。 从他们的一个研究结果0 6 1 ( 如图1 1 示) 来看胶凝材料体系尤其是水泥的性能本身直 接决定了混凝土材料的抗裂性能，当处于约束条件下，两种水泥制得的混凝土的反应正 相反，一个是收缩受到约束而受拉，而另外一个约束膨胀而受压。 1 9 9 5 年在2 9 座堪萨斯桥的研究中，s c h m m 和d 扪i i i 发现：约4 5 m p a 的混凝土比 约3 1 m p a 的混凝土的裂缝多3 倍，b 1 0 0 m 和b e n t u r 发现：低w c 混凝土更易裂，k r o n l o f 发现：低w c 的混凝土更易产生塑性收缩开裂，1 犯a w a 量测到掺用1 0 硅灰、水灰比为 0 2 的混凝土自身收缩可达7 0 0 x 1 0 。6 。 1 9 9 6 年i ( r a u s s 和r o g a l l a 在n c h r p1 2 3 7 桥面板的研究中建议使用尽可能低的水泥 用量和水化慢、延伸性较好的水泥以减少横向开裂。 。一一r 1n i a1 、 近由豳攮叫i 、l 0 j i 1 3 ：。揣 -善渣 1 a ) 来自a 厂的水泥：微膨胀 b ) 来自b 厂的水泥：自收缩 图1 1 在等温和近似绝热条件下，两个不同水泥厂家的硅酸盐水泥( 0 p c ) 混凝土的约束应力比较 约庸 臂肌 澧南闸裂缝成因及加固方案优化研究 1 2 - 3 温度变化对开裂的影响 大体积水工混凝土结构，如大坝、水闸、水电站厂房等，体积大，结构型式复杂。 在施工初期，由于水泥水化热的产生，内部温度比外部温度升高得快，混凝土体积膨胀 大，从而在结构表面产生拉应力；在后期降温过程中，由于受到基础或老混凝土的约束 以及混凝土内部温差的约束，在混凝土结构中会产生拉应力；或者突遇寒潮时，混凝土 表面温度骤降而产生很大收缩变形，受到内部的约束而产生很大拉应力。而混凝土是多 相复杂的组合脆性材料，抗拉强度低，极限拉伸变形小，当拉应力超过混凝土的抗拉强 度或拉应变超过混凝土的极限拉应变时，混凝土结构就会出现裂缝。混凝土裂缝按其深 度分有贯穿性裂缝、深层裂缝及表面裂缝，按其发展状态可分为死缝、活缝、增长缝 1 1 8 1 9 l 【。 在上世纪3 0 年代以前，美国建造的瓦希德等混凝土坝都出现了裂缝。到了3 0 年代， 因要建当时世界上最高的h o o v e r 混凝土重力拱坝，美国垦务局进行了大规模的研究，就 水管冷却、宽槽低温空气冷却及装配式预制块等方式进行了大量混凝土温度问题的研究 和比较，取得较满意的成果，1 9 3 8 年对波尔德坝采取温控措施，4 0 年代至5 0 年代美国 发展了混凝土预冷技术，1 9 5 3 年基本上完成了温度控制的基本框架。6 0 年代初期形成了 一种比较定型的设计与施工模式。前苏联5 0 年代开始在恶劣的气候条件下建造混凝土坝， 其温控防裂问题的解决更加困难，先后采用过错缝、直缝柱状块、薄层长条浇筑、水管 冷却、混凝土预冷及表面保温等措施，但都没有很好地解决问题。6 0 年代中对大坝混凝 土温控问题采取了比较严格的措施，但还是出现了不小的裂缝，直到7 0 年代采用了所谓 的“托古尔施工法”，才算基本上解决了问题，前后经历了2 0 来年。我国在5 0 年代初期， 在淮河中游建造了佛子岭、梅山两座连拱坝，当时对裂缝的机理、计算方法、温控标准 等不太清楚。佛子岭坝在支墩内设置纵向宽缝，然后回填混凝土，支墩内基本上没有裂 缝，但拱内裂缝较多。在梅山连拱坝设计中在拱内设置了收缩缝，建成后裂缝不多。在 6 0 年代到7 0 年代修建的丹江口工程中，早期浇筑过程中出现了大量的裂缝，长江科学院、 丹江口工程局、北京水利水电科学研究院、武汉水利电力大学等单位在此工程现场展开 了混凝土开裂分析的调研工作，采取了提高施工质量、控制浇筑温度、使用低热水泥及 进行混凝土表面保温等措施，经过总结研究采取了相应的补救措施，后期很少出现裂缝， 但裂缝总是难免的”。 大量的工程实践表明，由于大体积混凝土结构复杂、施工过程烦琐、附加影响因素 6 河海大学工程硕士学位论文 多( 如混凝土的徐变、干缩变形、自生体积变形、材料的不均匀性等) ，故对各个工程开裂 的具体成因机理非常难以确定。在许多己建和在建的大体积水工混凝土结构工程中，尽 管采取了许多防裂措施，即使是以低热著称的碾压混凝土坝仍往往会出现裂缝”。 由温度引起的裂缝与温度变化及结构自身的几何形状有关，温差越大、温变速度越 快越易开裂，结构越薄越易开裂，地基对结构的约束作用越大越易开裂，一般结构受地 基的约束作用范围在高度上为长度的o 4 倍左右”。混凝土结构开裂具有有序性：宏观上 总是以对称轴为中心向相反的方向发展，只是由于混凝土的抗拉强度不均匀和应力函数 分布比较平缓，而使裂缝部位不完全位于正中部。根据结构的长度不同，裂缝可能在中 心、三分之一处、四分之一处等，如图1 2 所示，当混凝土块中间的口。一) r ，时第一次在 中问开裂，应力重分布以后，第二次在四分之一处开裂。 ih 下几订 ul j t l 秆仃m w h a ) 主要应力分布情况x 直：直。 c b ) 扶开裂 ( c ) = 次开裂 图1 2 混凝土开裂的有序性 裂缝一旦形成以后，对水工建筑物有着不同程度的影响，它改变了设计安排的应力 的分布，改变了建筑物的受力条件，降低了挡水建筑物的抗渗性，加速混凝土的碳化， 使混凝土的碱度降低，使钢筋纯化膜破坏，水和空气同时侵入时加速了内部的配筋腐蚀 作用，还会降低混凝土抵抗各种侵蚀性介质的耐腐蚀性能，导致混凝土结构物破坏，降 低了结构的抗力强度、稳定性和耐久性。给水利结构的经济效益会带来较大的负面效应。 例如我国6 0 年代兴建的丹江口工程初浇的混凝土出现大量裂缝，经过停工整顿，集中设 计、施工、科研和大专院校的科技力量，在现场进行了历时数年的调查研究工作。而且 温度裂缝至今仍是坝工界一直悬而未解决的相对最为琢磨不透的技术问题。随着计算机 技术的高速发展和计算方法的不断改进，目前是彻底解决这一问题的时候，这一重要课 题也就成为当今坝工科研界和工程界的研究热点之一。 近年来，国内外学者对温度问题作了大量的实验、理论和数值分析研究，但研究主 要停留在开裂后对裂缝的处理上，对大体积混凝土结构的开裂机理的研究还不够深入。 1 9 8 5 年举行的第十五届国际大坝会议将混凝土的裂缝问题列为会议的四大议题之一； 1 9 8 5 年美国陆军工程师s b t a 峨和e k s c h r a d e r 对w i l l o w 坝采用一维温度场分析，开 7 澧南闸裂缝成因及加固方案优化研究 创了数值仿真分析的先例；1 9 9 2 年在美国加利福尼亚州圣地亚哥市第三次碾压混凝土会 议上，p k b a 珊等创造性地把b a z a n i 的s m e a r c dc r a c k 开裂模型引入大坝温度应力的分 析中；日本学者首先用有限元和差分法计算坝体温度场，利用a d i n a 程序计算三维应力 场，并预测了宫獭坝在施工期和运行期开裂的可能性。我国在大体积混凝土结构的温度 应力数值分析和理论研究方面一直处于世界的前列，曾多次召开温控防裂会议。八十年 代以来，中国水利水电科学研究院、清华大学、天津大学、河海大学、西安理工大学、 武汉水利电力大学、大连理工大学等，都进行了混凝土坝温度应力的攻关研究，分别对 沙溪口溢流坝、盐滩工程围堰、观音阁、铜街子、二滩、三峡、溪落渡、小湾、普定、 龙滩等已建、在建和待建的混凝土坝，进行了温度应力的计算分析，取得了一批有价值 的成果；朱伯芳8 1 提出的扩网并层算法、西安理工大学1 提出的网格浮动法、武汉水利 电力大学1 2 5 1 提出了非均质单元法、大连理工大学的波函数法等都有各自一定的使用条件， 并且取得了较好的效果：河海大学m 1 在1 9 9 0 年至1 9 9 2 年间结合小浪底工程完成了大体 积混凝土结构的二维、三维有限元仿真程序系统( r i s a p ) ，且提供了丰富的前后处理和 图形输出技术：丁宝瑛教授”7 1 等在温度应力计算中考虑材料参数变化的影响，比如温度 对混凝土力学性能的影响、混凝土拉压徐变不相等时的影响等；清华大学刘光廷、麦家 煊m j 驯”3 2 1 等人提出将断裂力学应用到混凝土表面温度裂缝问题的研究中，并利用断 裂力学原理和判据来分析在温度变化条件下混凝土表面裂缝性能和断裂稳定问题；曾昭 扬”等系统地研究了碾压混凝土拱坝中的诱导缝等效强度、设置位置、开裂可靠度，其 成果直接被应用到正在施工的沙牌碾压混凝土拱坝中；四川联合大学李国润m 1 研究了不 同浇筑速度对温度应力的影响以及用现场测定的基岩各向异性热学参数分析混凝土基础 温度徐变应力；河海大学朱岳明m 州例唧1 等在温度应力仿真方面也取得了大量成果，完 成了许多温控防裂研究方面的科研项目。 以上对混凝土坝的研究比较多，而对水闸的研究就相对少得多。朱伯芳在文献中提 出了一套针对水闸闸墩的应力的计算方法，引进了一些假定，使问题简化，将水闸的温 度应力分为自生应力和约束应力两部分来分别计算；刘勇军”1 在博士论文中对倒丁字型 结构的温控防裂作了部分研究；在应力开裂仿真计算方面，武汉水利电力大学的肖明1 提 出了考虑外部温度变化效应的三维损伤开裂非线性有限元分析方法；陈敏林m ”提出了估 r 河海大学工程硕士学位论文 算应力方法；朱伯芳提出了并层算法和分区异步长法：刘光廷建立了大体积混凝土结构 温度场随机有限元算法；河海大学的陈里红”2 1 等首次在温度应力仿真分析中考虑了混凝 土的软化特性，并在龙滩碾压混凝土坝的温控设计中建立了一、二、三维有限元综合分 析的数值模型。上述的温度场、应力场仿真分析方法一般是结合具体的工程进行研究的， 尽量将温度应力、开裂与仿真相结合，各种方法计算出的温度场相近，但应力场有一些 差别。 1 3 本文研究的主要内容 水闸作为一种特殊的水工建筑物，由于其所处环境和受力条件的特殊性，水闸裂缝 的发生部位及原因，也有其特殊性。对大量水闸开裂工程进行总结，表明水闸裂缝发生 的主要部位在底板和墩墙上。水闸混凝土裂缝形成的主要原因有：建筑物结构设计不周引 起的裂缝；基础处理不善引起的裂缝：结构型式复杂，分缝分块过长引起的裂缝：混凝 土的温度变化引起的裂缝；施工质量控制不严引起的裂缝；运行期间，由于超载等原因 出现裂缝。当底板混凝土修建在软土地基或弹性模量较小的地基上时，底板所受到的外 部约束比较小，其裂缝的产生是由于自身的体积变化引起的，主要是由于温度的变化引 起的。 本文以湖南省澧县澧南防洪闸闸底板开裂分析项目为背景，对澧县澧南防洪闸的开 裂问题进行了全面的研究，完成的主要工作有： ( 1 ) 根据现场实测资料，对闸底基础的材料力学属性进行了反演分析。 ( 2 ) 根据上述反演分析结果，采用有限元法对闸室在各种受力条件下的应力应变状态进 行了数值模拟。 ( 3 ) 从数值分析结果中，得到了闸底板开裂的主要因素、次要因素。 ( 4 ) 针对开裂的诱因，提出了碳纤维布加固、钢板加固以及化学灌浆等加固方案，并分 别进行了有限元和结构稳定计算。 ( 5 ) 综合考虑三种加固方案的加固效果和投资，建议采用钢板加固方案。 9 澧南闸裂缝成因及加固方案优化研究 第二章监测资料与检测资料分析 2 1 监测资料分析 澧南垸分洪闸位于湖南澧县澧南防洪大堤黄沙湾( 5 + 6 0 0 ) 处，工程由闸室、上游连 接段、下游连接段和防洪堤段组成，其中闸室为开敞式平顶堰形式，闸底板厚2 m ，总孔 数9 孔，除中间一孔外其余均为两孔一块，单孔净宽1 0 m ，中墩厚2 m ，缝墩厚1 5 m ， 闸室总宽度1 1 3 m ，总长度2 8 m ，闸墩高8 8 4 m ，闸顶布置公路桥，闸门为1 0 m x 8 5 m 弧 闸门，上游段包括浆砌石护坦、上游混凝土铺盖、阻滑板、两岸挡墙等，下游段包括消 力池、下游铺盖、海漫、防冲槽和挡墙等，防洪堤段包括蝴堞台、连接堤。工程于2 0 0 2 年1 2 月开工建设，2 0 0 4 年底完工。工程建设期间，已经在结构中埋设了一定数量的监测 设施，包括土压力计、渗压计和测缝计。每个监测仪器都可同时测量该处的温度。 图2 1 澧南垸分洪闸渗压计布置图 2 1 1 渗压计监测资料分析 l o 河海大学工程硕士学位论文 表2 1 澧南闸闸基渗压的监测值( m p a ) 横断面! s l 2 5 l 断面1 ( o 0 2 8 ) 纵断面2 纵断面3 2 l 断面4 横断面2 一j 攮断照一l 一j 掳陋凰! s 8 断面5 s 1 5 0 0 0 r 1 s 5 ( o 0 0 4 ) s 6 ( o 0 0 5 ) s 9 ( o ) s 1 2 ( t ) 一一- 疆0 s 1 3 ( o 0 0 8 ) s 1 7 _ f 40 1 0 1l j 尘二塑! l s 7一：一一百i o 0 0 7 )s 1 1 ( o ) 4：( o 0 0 5 s 1 8 0 0 0 渗压计布置见图2 1 所示。 本文采用的澧南闸闸基渗压计监测资料的时段为2 0 0 4 年5 月2 9 3 1 日。各渗压计 监测资料稳定，变化较小。 实测渗压分布见表2 1 。 从表2 1 可知，闸基渗压的纵、横分布规律性比较明显。 ( 1 ) 从横断面看，位于上游阻滑板底部的渗压计中，s 1 、s 8 测值明显较大，且接近； 位于闸底板部位的渗压计测值较小，也较接近； ( 2 ) 从纵断面看，纵断面2 和纵断面3 测值较小，且接近；纵断面1 中3 个测点2 个测值较大；纵断面4 的5 个测点，s 4 较大，其他较小。 图2 2 澧南垸分洪闸土压力计布置图 幻 0 d 昭 驰蛇 n 吼 札 澧南闸裂缝成因及加固方案优化研究 2 1 2 土压力计监测资料分析 土压力计布置见图2 2 所示。 位于闸室下部的土压力计有六个。本文采用的澧南闸闸基土压力计监测资料的时段 为2 0 0 4 年5 月2 9 3 1 日。这3 天内，各土压力计监测资料稳定，变化较小。 实测土压分布情况见表2 2 。 表2 2 各点土压力计的测量( m p a ) p 3p 4p 5p 6 p 7p 8 。5 -0 1 7 2o 0 3 1 4 0 0 4 1 10 0 3 1 3o 0 3 9 5 从表2 2 可知，土压力计测量值的分布有明显的规律，位于闸墩下二个测点( p 3 、 p 4 ) 的测值较大，且在同一数量级上，另外四个( p 5 、p 6 、p 7 和p 8 ) 的测量值在同一 数量级上，测值较小。 2 1 3 测缝计资料分析 测缝计布置见图2 3 所示。 图2 3 澧南垸分洪闸测缝计布置图 测缝计共有八个，对2 0 0 4 年5 月2 9 3 1 日的监测结果见图2 4 所示，j 1 与j 7 、j 2 与j 8 、j 4 与j 6 在相同的结构部位，测值有相同的变化趋势，因而测缝计所观测的数据可 信。但在五月混凝土的温度受阳光的影响很大，温度计的测值不能代表混凝土的温度。 2 0 0 6 年元月1 日和元月1 2 日分别测量了j 7 和j 8 ，同时对s 1 6 和s 18 也进行了监测，j 7 与s 1 6 在闸室横向部位相同，可以将它们看成一组数据；j 8 与s 1 8 在闸室横向部位相同， 1 2 河海大学工程硕士学位论文 可以将它们看成另一组数据。各测值见表2 3 。 测量时间( 小时) 图2 4 测缝计在8 1 小时间的测值变化图 表2 3 元月测缝计及相应温度计的读数 仪器编号 j 7j 8s 1 6s 1 8 测缝m m温度o c测缝m m温度o c温度o c温度o c 1 月1 日1 2 4 01 0 9 5 70 6 3 11 2 3 8 71 3 4 2 81 4 2 1 3 1 月1 2 日1 3 6 58 9 2 1o 7 3 7l o 2 5 71 1 9 9 91 2 - 3 1 8 1 1 天变化量 0 1 2 52 0 3 60 1 0 62 1 31 4 2 91 8 9 5 从表2 3 可以看出，对于j 7 部位，相当于底板上表面产生了2 0 3 6 0 c 的温降，底板 下表面产生了1 4 2 9 0 c 的温降时，缝的收缩量为o 1 2 5 m m 。对于j 8 部位，相当于底板上 表面产生了2 1 3 。c 的温降，底板下表面产生了1 8 9 5 0 c 的温降时，缝的收缩量为0 1 0 6 m m 。 2 1 4 温度计资料分析 各测点温度计于五月底测试数据见表2 4 ，温度计在各测点的测量数据稳定，从s 9 和s 6 的测量数据来看，数值差别达到了4 度，测缝计伴随的温度计测量的值偏大是正常 的，大多数的温度计测值在1 8 4 度附近。 表2 4 五月底各点温度计测试值( 。c ) p 3p 4p 5p 6p 7p 8j 1j 2j 3j 4j 6 1 8 7 51 8 41 8 4 51 8 2 51 8 4 71 8 7 72 0 9 22 3 1 82 0 1 62 3 3 62 2 4 1 j 7j 8s 2s 3s 4s 5s 6s 7 s 9s 1 0 s 1 1 2 0 5 2 3 5 1 8 | 41 8 1 5 2 0 1 8 4 81 7 7 51 9 7 52 1 7 71 8 22 0 3 澧南闸裂缝成因及加固方案优化研究 2 2 现场勘探及分析 为了分析裂缝的成因，按表2 5 的检测项对澧县澧南垸分洪闸闸室底板、消力池裂 缝进行检测。 表2 5检测工作量 序号 工作内容 单位数量备注 1 超声波法 测区8 2 一个测区需对测声波8 个点 2钻芯法个1 2 钻孔5 处，进尺l o 2 m 3 裂缝测试 3 1 0 以裂缝长度累加 4 进出场 次3 所采用的检测仪器有：非金属超声波无损检测仪s y c 一2 c 型、读数显微镜、 z z h l 一2 0 0 a 混凝土钻孑l 机、普通工程钻机等。 所采用的检测理论依据有：水工混凝土试验规程d l 厂r 5 1 5 0 一2 0 0 l ；超声法检测 混凝土缺陷技术规程c e c s 2 1 9 0 。 对闸室裂缝的分布位置、宽度、长度、深度进行了详细的检测，其中裂缝深度检测 以超声法为主，结合钻芯取样校核钻孔深度。裂缝分布如图2 6 ，检测成果见表2 6 。通 过检测发现，裂缝分布具有以下几个特点： ( 1 ) 裂缝靠近中墩两侧分布。裂缝均在中墩两侧2 3 m 的位置，距离中墩最近位 置为1 8 m ，最远位置为3 4 m ，其中多数位置在3 m 左右，靠近边墩和缝墩位置没有裂缝。 ( 2 ) 以纵向裂缝为主。在第2 孔、第3 孔、第7 孔分布有部分横向裂缝，除第5 号孔外其余8 孔均匀分布着8 条纵向裂缝。 ( 3 ) 分布范围广。闸室第1 、2 、3 、4 、6 、7 、8 、9 孔靠近中墩均有纵向裂缝分布， 第2 、3 、7 孔有横向裂缝，第5 孔没有裂缝分布。纵向裂缝全部贯通闸室，横向裂缝没 有贯通闸室。裂缝平面形态呈舒缓波状，纵向裂缝基本平行闸室泄洪水流方向，裂缝倾 向近垂直向；横向裂缝基本与大堤平行。纵向裂缝宽度范围较大，o 1 0 1 0 0 m m 不等， 上部充填少量黄色泥质物，其深度较大，均在1 t 3 1 m 以上，有一半的裂缝已经贯穿闸室 底板。横向裂缝宽度0 | 2 0 m m 左右，深度约0 1 0 m 。 河海大学工程硕士学位论文 溲南垸分洪闸闸室底板裂缝现状示意图 13 j m 。嚣孔 i 1 5 0 l 1 捌裂目 b驾 型幽 5 0 ( 丑必 1 攀 玛 十日a#* 厂 。一， _ _ 一 罐袭4 样裂缝 ， 斜g 、 ， 图2 5 澧南垸分洪闸闸室低板裂缝现状示意图 表2 6 闸室裂缝检测成果统计表 裂缝编号裂缝所处位置裂缝宽度( m m )裂缝长度( ) 裂缝深度( m )备注 1 8 8 8 孔 o - 3 0 o 5 02 8 o l _ 5 3 1 ，7 2 2 4 7 。孔 o 2 0 o 3 02 8 o 1 4 6 1 6 6 3 4 7 ”孔 o 2 0 0 3 07 10 1 0 横缝 4 4 6 8 孔 o 2 0 o 3 02 8 o1 4 2 1 6 3 5 44 8 孔 o 5 0 o 6 02 8 o 2 0 0 6 8 3 ”孔 o 1 0 o 3 52 8 o1 3 l 1 5 2 7 4 3 ”孔 o 2 07 5o 0 8 横缝 8 4 2