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如何預(yù)知大壩混凝土的安全使用壽命

文檔作者：李嘉進(jìn) 文檔來源：中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年02月21日
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水電站設(shè)計(jì)
D H P S
第2 8卷增刊
2012年1 2月
如何預(yù)知大壩混凝土的安全使用壽命
李嘉進(jìn)
(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川成都610072)
摘要：本文提供的混凝土容許應(yīng)力方程式，是筆者在承擔(dān)的國家“七五”科技攻關(guān)“混凝土容許應(yīng)力”研究基礎(chǔ)上建立起來的。
當(dāng)知道混凝土的檢測抗壓強(qiáng)度和大壩的最大壓應(yīng)力，就能利用本方程式預(yù)知該大壩混凝土的安全使用年限，也可以從大壩混凝土
檢測強(qiáng)度和要達(dá)到的安全使用年限，就能知道大壩的容許最大主壓應(yīng)力等。
關(guān)鍵詞：砼大壩；砼；設(shè)計(jì)強(qiáng)度；容許應(yīng)力；使用年限
中圖法分類號：TV642．42 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1003—9805(2012)增刊一0051—07
1 前言
長期以來，工程界、科技界、實(shí)驗(yàn)研究部門、學(xué)校
等相關(guān)部門的科技人員，對大壩混凝土的強(qiáng)度和耐
久性，給與了高度關(guān)注和重視，進(jìn)行了多方面的試驗(yàn)
研究和實(shí)際工程的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，取得了可喜的成果。
筆者自“七五”攻關(guān)建立混凝土容許應(yīng)力方程式以
來，經(jīng)過20多年的經(jīng)驗(yàn)和資料積累，使得該方程式
各項(xiàng)系數(shù)更為充實(shí)和細(xì)化(見式(1))，它包括了大
體積混凝土強(qiáng)度與小試件強(qiáng)度關(guān)系，試件在長期荷
載作用下不同年限的強(qiáng)度、不同齡期、不同試件尺寸
和形態(tài)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度及其系數(shù)，還考慮了地震狀況對
強(qiáng)度的影響，它可以預(yù)知大壩混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度與其
安全運(yùn)行年限的關(guān)系。
2 大壩混凝土容許應(yīng)力的方程式
2．1本文建立的方程式
{dr。}≤尺。·疋·冗。·Ⅳ。·．，。·D。·尺·K_1
(1)
式中{盯。}——大壩混凝土設(shè)計(jì)的最大主壓應(yīng)
力，MPa；
尺，——大試件與小試件抗壓強(qiáng)度的比
值；
r——試件在長期荷載作用下與短期
荷載下的抗壓強(qiáng)度比值；
札——試件在荷載作用下開始出現(xiàn)微
裂縫時(shí)與最終強(qiáng)度的比值(不連
續(xù)點(diǎn)強(qiáng)度的比值)，取0．70；
尺。——混凝土接近最終抗壓強(qiáng)度與設(shè)
計(jì)齡期抗壓強(qiáng)度的比值(見表
1)；
L——試件受壓狀態(tài)，單軸受壓取1．0，
雙軸受壓取1．05～1．35，三軸受
壓取1．10～2．0(見“混凝土容
許應(yīng)力”)；
D，——地震引起的混凝土強(qiáng)度增加百
分比，受壓增加30％即混凝土設(shè)
計(jì)強(qiáng)度的1．30倍，彎拉強(qiáng)度增加
50％；
尺——混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度，MPa；
K～——設(shè)計(jì)時(shí)考慮不到的系數(shù)(安全系
數(shù))取1．65(見表2)。
以大試件尺寸為4)45cm×90cm圓柱體的抗壓
強(qiáng)度，代表大體積混凝土的抗壓強(qiáng)度(Ⅷa)。
美國墾務(wù)局的試驗(yàn)資料表明，4，45cm×90cm圓
柱體抗壓強(qiáng)度與cbl5cm×30cm圓柱體的抗壓強(qiáng)度
比為0．82，而qbl5cm×30cm圓柱體抗壓強(qiáng)度與
15cm×15cm×15cm立方體試件抗壓強(qiáng)度的比值為
0．80。我國水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程稱qb45cm×90cm
圓柱體與qbl5cm X 30cm圓柱體的抗壓強(qiáng)度的比值
為0．7l。
本文采用大試件與15cm立方體試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度
的比值為0．568(0．71×0．80)。
根據(jù)朱柏芳院士推導(dǎo)的方程式：
收稿日期：2012—08—15
作者簡介：：李嘉進(jìn)(1932一)，男，福建長汀人，教授級高級工程師，長期從事混凝土材料試驗(yàn)研究及其應(yīng)用工作。
51
萬方數(shù)據(jù)
P=0．849t—o·022
4 (2)
式中P——混凝土長期抗壓強(qiáng)度與短期抗壓強(qiáng)
度的比值；
t——荷載時(shí)間，d(t i>0．1d)。
筆者引用方程式(2)，計(jì)算混凝土試件在長期
荷載作用下與短期荷載作用下的抗壓強(qiáng)度比值，結(jié)
果列于表3。
表1 最終抗壓強(qiáng)度與設(shè)計(jì)齡期抗壓強(qiáng)度的比值
應(yīng)當(dāng)指出，我國金頂、峨勝和嘉華生產(chǎn)的中熱水
泥，28d的水化熱均占其最終水化熱的98％左右。
由成都院設(shè)計(jì)的大崗山水電站壩高210m的混
凝土雙曲拱壩混凝土絕熱溫升試驗(yàn)表明：摻人I級
粉煤灰35％，水膠比分別為0．45、0．48、0．50，其28d
的絕熱溫升約為最終絕熱溫升的93％。
Tagler對水泥的四種礦物成分C3S、C2S、C3A
和C。AF進(jìn)行的長期水化熱試驗(yàn)表明，一年的水化
熱分別為其完全水化熱的94．8％、86．3％、82．1％
和98％。
另有四種水泥水化熱試驗(yàn)資料顯示：普通水泥
年水化熱約為其完全水化熱的92．4％，快硬水泥一
年的水化熱約為其完全水化熱的93．4％，低熱水泥
一年的水化熱約為其完全水泥的93．1％，中熱水泥
一年的水化熱約為其完全水化熱的94％。
以上資料說明，水泥一年后的水化熱還剩下不
到其完全水化熱的10％，普通水泥和快硬水泥的水
化熱6年半幾乎已完全水化了，而低熱水泥和中熱
水泥的水化熱也在13年半基本水化了。
表1顯示二灘、三峽以及羅斯大壩的混凝土一
年后抗壓強(qiáng)度增長了13％～18％，僅相差4．4％，是
偏于安全的。
表2 已建工程運(yùn)行后實(shí)測最大主壓應(yīng)力／VIPa
2min 3年30年70年100年300年500年
1．00 0．726 0．689 0．676 0．671 0．655 0．647
計(jì)算時(shí)安全系數(shù)取最大值1．65，偏于安全。
52
2．2國家“七五”科技攻關(guān)建立的“混凝土容許應(yīng)
力”方程式
{盯。}≤R。·t·Ⅳ。·以·R (3)
式中{盯，}——大壩混凝土設(shè)計(jì)的最大主壓應(yīng)
力，MPa；
R，——大試件與小試件抗壓強(qiáng)度比值
取0．65(0．82×0．80)；
r——長期持荷與短期持荷下試件抗
篚強(qiáng)度比值取0．75；
鞏——不連續(xù)點(diǎn)強(qiáng)度比值取0．70。
一、R意義同方程式(1)。
說明：如在方程式(3)中引入方程式(1)的K。1
·D。等系數(shù)，那么利用方程式(3)可得{盯。}≤
0．341／1．65=0．206 7R·D，。相當(dāng)于表4設(shè)計(jì)齡期
180d，安全使用年限200年以上；如果混凝土設(shè)計(jì)齡
期為90d，則其安全使用年限在500年以上。
根據(jù)方程式(1)計(jì)算混凝土可使用的抗壓強(qiáng)度
系數(shù)結(jié)果列于表4、5。不同設(shè)計(jì)齡期的15cm立方
體試件不同年限的可使用強(qiáng)度系數(shù)見圖1。
0．40
O．35
0．30
O．25
0．20
O．15
o．10
0 100 200 300 400 500
安全使用壽命／a
—·一28d齡期
-．1l-90d齡期
+lS0d齡期
．-*-365d齡期
圖1 不同設(shè)計(jì)齡期15cm立方體試件不同年限的
可使用強(qiáng)度系數(shù)
20cm立方體試件的抗壓強(qiáng)度可使用系數(shù)等于
15cm立方體試件的抗壓強(qiáng)度乘以1．05。例如設(shè)計(jì)
齡期180d、20cm的立方體試件抗壓強(qiáng)度100年的
可使用系數(shù)為0．210 1乘以1．05等于0．220 6。
如果采用的試件為咖15cm X 30cm圓柱體，則
100年的可使用系數(shù)等于0．210 1除以0．80(或乘
以1．25)等于0．262 6。
為便于查找，采用4,15cm×30cm試件，可使用
的抗壓強(qiáng)度系數(shù)列于表5。
表4、5的數(shù)值系采用二灘工程的資料。
3分析和應(yīng)用
(1)方程式(1)最適合于混凝土拱壩設(shè)計(jì)，同樣
也可用于其它混凝土壩型。
(2)混凝土拱壩的設(shè)計(jì)應(yīng)力比其它壩型的混凝
萬方數(shù)據(jù)
土設(shè)計(jì)應(yīng)力都大。至今世界上已建成高100m以上
的混凝土高拱壩220多座，其中高度在200m以上
的約25座。采用拱梁分載法計(jì)算的最大主壓應(yīng)力
一般在7—10MPa之間，也有一些超過10MPa的，
如美國羅斯(Ross)雙曲拱壩高202m，最大正應(yīng)力
10．5MPa，最大主壓應(yīng)力11．6MPa；中國的小灣混凝
土雙曲拱壩壩高292m，計(jì)算的最大主壓應(yīng)力
10．82MPa；瑞士的康特拉(Contra)混凝土雙曲拱壩
壩高220m，最大主壓應(yīng)力10．5MPa；洪都拉斯的埃
爾卡洪(Elcajon)混凝土雙曲拱壩壩高234m，最大
主壓應(yīng)力為12MPa。
表4不同設(shè)計(jì)齡期15cm立方體試件不同年限的可使用強(qiáng)度系數(shù)
安全使用年限設(shè)計(jì)齡期／d 安全使用年限設(shè)計(jì)齡期／d
／a 28 90 180 365 ／a 28 90 180 365
30 0．358 5 0．252 3 0．215 8 0．187 7 300 0．340 9 0．239 9 0．205 2 0．178 2
70 0．351 7 0．247 6 0．211 7 0．183 8 500 0．336 8 0．237 0 0．202 6 0．176 1
100 0．349 1 0．245 7 0．210 1 O．182 7 1000 0．331 5 0．233 2 0．199 5 0．173 3
200 0．343 9 0．241 9 0．207 l O．180 0 5000 0．320 1 0．225 2 0．192 5 0．166 0
表5不同設(shè)計(jì)齡期咖15cm x30cm圓柱體試件不同年限的可使用強(qiáng)度系數(shù)
安全使用年限設(shè)計(jì)齡期／d 安全使用年限設(shè)計(jì)齡期／d
／a 28 90 180 365 ／a 28 90 180 365
30 O．448 l O．315 4 O．269 8 0．234 6 300 0．425 9 0．300 O 0．256 5 0．222 7
70 0．439 6 0．309 5 0．2“6 0．229 8 500 O．421 0 0．296 3 0．253 3 0．220 1
100 0．436 4 0．307 1 0．262 6 0．228 4 1000 0．414 4 0．29l 5 0．249 4 0．216 6
200 0．429 9 0．302 4 0．258 9 0．225 0 5000 0．400 1 0．28l 9 0．240 6 0．207 5
(3)大壩混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度比較復(fù)雜，除了應(yīng)
滿足大壩最大主壓應(yīng)力之外，還要滿足耐久性等的
要求。為了能滿足耐久性，往往設(shè)計(jì)的強(qiáng)度會高于
對應(yīng)力的要求。混凝土的強(qiáng)度與水泥品種、標(biāo)號、試
件尺寸和形狀、齡期、骨料種類、養(yǎng)護(hù)條件、試件的密
實(shí)度、摻人的外加劑、混合材料、施工質(zhì)量等有關(guān)，其
中水膠比、試件尺寸和型狀、齡期最為重要。為了使
設(shè)計(jì)的強(qiáng)度能滿足大壩的安全，國內(nèi)外都采用最大
主壓應(yīng)力乘以一個(gè)安全系數(shù)值。國外大都采用試件
尺寸為咖15cm×30cm的圓柱體，我國和前蘇聯(lián)等國
家采用15cm或20cm立方體。齡期方面，美國采用
180d，試件尺寸采用cbl5cm×30cm，安全系數(shù)取4；
El本采用咖15cm×30cm的試件，齡期91d，安全系
數(shù)取5；我國原拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范(SDl45--1985)在
2007年2月底前采用20cm立方體試件，齡期為
90d，安全系數(shù)取4。我國二灘水電站混凝土的安全
系數(shù)取4，齡期為180d，試件尺寸為20cm立方體。
之后，我國已建和在建的特高拱壩(200m以上)的
混凝土設(shè)計(jì)齡期180d，試件尺寸為15cm立方體，安
全系數(shù)取4。我國現(xiàn)行的混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范
(DL／T5346_2006)的安全系數(shù)采用分項(xiàng)系數(shù)，基
本組合持久狀態(tài)的安全系數(shù)取值如下：
I級建筑物的安全等級取4．40；Ⅱ級安全等級取
4．00；11I級安全等級取3．60。設(shè)計(jì)齡期均為90d。
采用本文折減系數(shù)換算的安全系數(shù)k見表6。
由表6可知，混凝土15cm立方體試件抗壓強(qiáng)
度的設(shè)計(jì)齡期無論是90d、180d或365d，要求混凝
土安全使用期從100年到500年的安全系數(shù)之差不
到4％(3．65％～3．84％)。
表6混凝土設(shè)計(jì)齡期強(qiáng)度、使用年限與安全系數(shù)k值關(guān)系
表7為混凝土大壩最大主壓應(yīng)力、設(shè)計(jì)齡期、抗
壓強(qiáng)度和安全使用年限的關(guān)系。
表7混凝±大壩最大主壓應(yīng)力、設(shè)計(jì)齡期、抗壓強(qiáng)度和
使用年限的關(guān)系
表中混凝土的抗壓強(qiáng)度500年與100年的比值
約1．039；而300年的強(qiáng)度與100年的比值約為
1．025。試件為15cm立方體。
如試件采用20cm立方體，將其除以1．05，例
如設(shè)計(jì)最大主壓應(yīng)力為9MPa，設(shè)計(jì)齡期為180d，
300年使用年限，那么混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)為43．87／
1．05=40．76(／V[Pa)(因?yàn)镽20=R15／1．05)；如試件
尺寸為咖15cm×30cm的圓柱體，最大主壓應(yīng)力同樣
為9MPa，180d設(shè)計(jì)齡期，300年的使用年限，那么
53
萬方數(shù)據(jù)
混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)為0．80×43．87=35．10
(1VIPa)。
對于表7中不同最大主壓應(yīng)力、180d齡期混凝
土設(shè)計(jì)強(qiáng)度、要求有效使用100年以上，其施工配合
比強(qiáng)度(保證率為85％、t=1．04、C。=o．15)見表8。
表8混凝土施工配合比強(qiáng)度MPa
最大主壓應(yīng)力6 7 8 9 10 11 12
施工配合比強(qiáng)度33．84 39．47 45．11 50．69 56．39 62．03 67．66
表8表明，隨著設(shè)計(jì)的最大主壓應(yīng)力的增加，混
凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度也隨著增大。如以最大主壓應(yīng)力
6MPa為1．oo，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度隨著最大主壓應(yīng)力
增大至7、8、9、10、1I、12MPa，那么混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)
度分別為6MPa的1．167、1．333、1．500、1．666、
1．833和2．000，最大主壓應(yīng)力增加一倍時(shí)混凝土設(shè)
計(jì)強(qiáng)度也隨之增加一倍，說明計(jì)算值與理論值一致。
其他不同設(shè)計(jì)最大主壓應(yīng)力與6MPa的比值也是一
樣，計(jì)算值與理論值一致。
4 大壩混凝土各項(xiàng)性能都應(yīng)滿足設(shè)計(jì)
要求
前面主要研究了混凝土大壩在外荷載作用下的
各種因素對混凝土力學(xué)抵抗能力的影響，顯然，只有
力學(xué)抵抗能力還難以保證大壩的永久安全。當(dāng)然，
一般地說，混凝土強(qiáng)度高的建筑物，其耐久性也相對
高些，但是強(qiáng)度高，不一定耐久眭能滿足各種環(huán)境下
的要求。
影響混凝土耐久性的主要因素，除了荷載之外，
現(xiàn)簡要?dú)w納如下。
4．1 盡量防止大壩混凝土產(chǎn)生裂縫
盡量防止大壩混凝土產(chǎn)生裂縫，混凝土產(chǎn)生裂
縫的主要原因有：
(1)混凝土的收縮尤其是干縮?；炷恋母煽s
變形約為其極限拉伸變形的3倍；沒經(jīng)養(yǎng)護(hù)的混凝
土的強(qiáng)度只有養(yǎng)護(hù)的40％左右，其抗裂能力也只有
40％左右。
(2)溫差大造成的裂縫。由于溫差引起的溫度
應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度，或變形超過了混凝土的
拉伸變形都會使混凝土開裂。大壩混凝土裂縫嚴(yán)重
的要影響大壩的安全或要花費(fèi)巨資進(jìn)行修補(bǔ)，或要
降低水位運(yùn)行，以至大壩失去功能被廢棄。為此，設(shè)
計(jì)部門、工程界、科研、施工、監(jiān)理、業(yè)主等都非常重
視防止大壩有危害的裂縫發(fā)生。從溫度應(yīng)力控制方
面來說，首先要做好溫控設(shè)計(jì)，優(yōu)選混凝土原材料和
配合比，嚴(yán)格控制施工過程的每一道工序，如澆筑塊
54
的分縫分塊(長寬比控制在2．5以內(nèi)，能控制在2以
內(nèi)更好)、控制拌合物的入倉溫度、冷卻水管的布置
方式、冷卻速度、收倉后的表面養(yǎng)護(hù)、保護(hù)、接縫灌漿
??都應(yīng)嚴(yán)格控制。
值得一提的是，二灘水電站大壩混凝土的冷卻
水管由原設(shè)計(jì)的qb25mm鐵管改用632mm的聚乙
烯塑料管，其冷卻效果與鐵管基本上一樣。采用塑
料管運(yùn)輸、安裝方便，大大減少了接頭，每根管最長
可達(dá)300m，且節(jié)省了大量的成本，又加快了施工速
度，減少了工人的體力勞動(dòng)，用得很成功。國內(nèi)許多
大壩工程現(xiàn)在基本上都采用了類似二灘大壩的冷卻
水管。
4．2提高混凝土的抗?jié)B能力
大壩混凝土應(yīng)有足夠的抗?jié)B能力。我國現(xiàn)行的
拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范(DL／T5346—2006)是按抗?jié)B等級來
規(guī)定拱壩混凝土的抗?jié)B能力，即是采用ffl5cm×
15cm、90d齡期的試件在規(guī)定壓力和時(shí)間下的滲水
試驗(yàn)的結(jié)果。對于中、低壩不低于W6，對于高壩不
低于W8。而現(xiàn)行的混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范
(DL5108--1993)是按水力坡降規(guī)定相應(yīng)的抗?jié)B等
級，對壩體內(nèi)部不小于W2，在最大坡降不小于50
時(shí)，抗?jié)B等級不小于W10，試件也是采用小試件90d
齡期。
美國對混凝土抗?jié)B能力用滲透系數(shù)是表示，即
試件在一定壓力下的單位時(shí)間內(nèi)水滲人到試件的深
度。對于有抗?jié)B要求的混凝土水工建筑物，其滲透
系數(shù)k≤1．5×10一cm／s，它相當(dāng)于抗?jié)B等級W12。
顯然美國對水工建筑物的抗?jié)B能力要求遠(yuǎn)比我國的
高。試驗(yàn)資料表明，大體積混凝土的抗?jié)B能力比小
試件低很多，如二灘大壩混凝土抗?jié)B試驗(yàn)采用全級
配的大試件qb45cm×45cm的滲透系數(shù)比小試件
qbl5cm×15cm的約大40％～50％。二灘大壩混凝
土大試件(全級配)的滲透系數(shù)k=(0．482—
0．837)×10一cm／s，而鉆孔檢查，A區(qū)吸水量為0，B
區(qū)芯樣的k=0．957×10。10cm／s，C區(qū)鉆孔吸水率為
0．3Lu，說明大壩混凝土是密實(shí)的。
筆者認(rèn)為，對于高壩混凝土的抗?jié)B等級應(yīng)不小
于W12，或滲透系數(shù)k≤l。5×10一cm／s；對于其他
水工建筑物混凝土的抗?jié)B等級也要不小于W10，或
k≤1．76×10～cm／s。
4．3 混凝土應(yīng)有較好的抗裂能力
混凝土的抗裂能力一般用抗裂系數(shù)墨．表示，
吒越大抗裂能力越好。它與混凝土的性能和施工
質(zhì)量所處的環(huán)境等有很大的關(guān)系，最主要的是與混
凝土的抗拉強(qiáng)度、極限拉伸值、干縮、絕熱溫升等密
切相關(guān)。中國水利水電科學(xué)研究院黃國興提出了
萬方數(shù)據(jù)
K￡的計(jì)算公式：
KL=≮將竽㈩
式中占?！炷翗O限拉伸值；10～；
R?！炷凛S拉強(qiáng)度，MPa；
C——混凝土徐變度，10。6／MPa；
G——自生體積變形，10。6(膨脹取正值、
收縮取負(fù)值)；
Ot——線膨脹系數(shù)，10岫／℃；
t——水化熱溫升，℃；
占?！炷粮煽s率，10～。
方程式(4)比較全面地反映了混凝土各種性能
對抗裂系數(shù)的影響。將二灘大壩混凝土的試驗(yàn)資料
代人計(jì)算得出：考慮干縮￡后的KL。=0．64，而不考
慮干縮值￡的如=1．64，即&amp;amp;l／如=0．39，說明
保持混凝土不干縮(不間斷地噴水養(yǎng)護(hù))十分重要。
4．4盡可能提高混凝土的極限拉伸和抗拉強(qiáng)度
建議180d的極限拉伸不小于110×10一，抗拉
強(qiáng)度不小于4MPa，彈性模量小于30GPa，盡可能選
用具有微膨脹型的水泥，絕熱溫升小些，施工中精心
做好溫控等措施，就有可能使大壩混凝土裂縫減少
到最低程度。二灘水電站于2000年6月施工安鑒
驗(yàn)收時(shí)，大壩只發(fā)現(xiàn)19條裂縫，且多為發(fā)絲裂縫，每
萬立方米混凝土只有0．046條，是國內(nèi)已建大壩工
程中裂縫最少的。國內(nèi)已建水電站大壩混凝土裂縫
每萬立方米混凝土最少的也有O．59條，約為二灘的
12．8倍，而最多的可達(dá)20條／萬m3，約為二灘的
435倍。
4．5提高大壩混凝土的抗凍性
抗凍融指標(biāo)是反映混凝土耐久性的重要指標(biāo)，
其抗凍融能力高，耐久性也好，寒冷地域直觀一些。
混凝土的耐久性不僅反映了凍融破壞，還包含日曬、
雨淋、干濕環(huán)境、氣溫變化、空氣中有害物質(zhì)的侵蝕、
CO：的作用——碳化、水流沖刷等。如果混凝土的
抗凍能力高，以上可能造成混凝土病害的因素也可
得到一定程度的緩解。一些水工建筑物由于抗凍能
力低，運(yùn)行沒有多少年，表面就被損壞了，如：豐滿、
云峰、大黑汀水庫、古田溪三級平板支墩壩等混凝土
表面破壞都是因?yàn)榛炷燎啡笨箖龃胧┧隆?
水利水電科學(xué)研究院李金玉等根據(jù)試驗(yàn)研究和
對我國不同地域的大氣溫度變化情況的調(diào)查，提出
了大壩等重要建筑物安全性運(yùn)行年限和混凝土抗凍
安全性設(shè)計(jì)等級的關(guān)系，其初步建議如下：
對安全運(yùn)行80～100年的我國大壩混凝土的抗
凍融等級為：東北、西北地區(qū)Roo～F1000；華北地
區(qū)F500一F600；華東地區(qū)F100～F200；華中地區(qū)
F100一F150；華南地區(qū)F50。
國外對大壩混凝土的抗凍性等級的要求比較
高。如瑞士的莫瓦?；炷岭p曲拱壩(高250．5m)
采用F5000；而我國混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范最高的抗
凍等級為F300(齡期90d)。
大量的試驗(yàn)資料表明，在水膠比大于或等于
0．50，混凝土中摻入引氣劑使其含氣量控制在5％
左右，抗凍等級很容易達(dá)到F300；如果不摻引氣劑，
則其抗凍等級小于F75。
因此，筆者建議在寒冷地區(qū)，混凝土的抗凍等級
不小于F300；在溫和地區(qū)，抗凍等級不低于F150一
F200。試驗(yàn)資料表明，摻人引氣劑的混凝土可改善
很多性能，如減少滲透性、降低彈性模量、增加拌合
物的和易性、減少每立方米混凝土的用水量等。
4．6優(yōu)化混凝土配合比
在混凝土各組成原材料經(jīng)優(yōu)選確定后，在滿足
設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下，盡量減少每立方米混凝土的用
水量，盡可能地多摻人混合材(如粉煤灰)；在能澆
筑的條件下，盡量減少拌合物的的坍落度；根據(jù)建筑
物的形狀，盡可能選用較大顆粒的粗骨料級配和較
低的砂率，能用四級配的不用三級配，能用三級配的
不用二級配，能用二級配的不用一級配。粗骨料大
的級配比小的不僅可以減少膠凝材料用量和減少砂
率，更有利于改善和提高混凝土的主要性能——強(qiáng)
度和耐久性。
4．7科學(xué)地限制混凝土的最大水膠比
混凝土原材料經(jīng)優(yōu)選確定后，水膠比是混凝土
強(qiáng)度和耐久性的決定因素。水膠比大，在混凝土中
存在一些無用而可能有害的水，尤其對混凝土耐久
性不利。供水泥本身水化作用的水，約為水泥重量
的26％，即水灰比0．26，而多余的水是為了施工需
要(方便)。那么混凝土的水膠比既要滿足強(qiáng)度又
要滿足耐久性，合適的水膠比主要取定于混凝土的
抗凍等級。水膠比愈小，抗凍等級愈高，耐久性愈
好。但是小的水膠比所用的膠凝材料要多，混凝土
的絕熱溫升也要高，收縮也大，對抗裂不利，成本也
高。故要做全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，應(yīng)在滿足設(shè)計(jì)要
求時(shí)，使用最經(jīng)濟(jì)的水膠比，但不能超過規(guī)范規(guī)定。
我國拱壩規(guī)范規(guī)定：對有抗凍要求的，混凝土的
最大水膠比為0．50；對溫和地區(qū)水上部位的最大水
膠比為O．55。
世界上已建成的高拱壩，混凝土的水膠比大都
小于0．50，如瓦伊昂壩高261．5m，水膠比為0．44—
0．46；前蘇聯(lián)的英古里壩高271．5m，水膠比為
0．45；美國的羅斯壩高202m，水膠比為0．41，；我國
二灘大壩高240m，實(shí)際水膠比為0．447—0．486。
55
萬方數(shù)據(jù)
4．8嚴(yán)格控制混凝土的施工質(zhì)量
混凝土施工質(zhì)量的好壞，密實(shí)性程度是最重要
的指標(biāo)，密實(shí)性大的混凝土，其性能也都好些，如強(qiáng)
度、抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化、抗侵蝕、抗沖磨等。二
灘大壩混凝土，測得鉆孔芯樣的容重比試驗(yàn)室試件
的容重大4．76％；理論的容重比芯樣容重大
1．0l％。從強(qiáng)度方面比較，A區(qū)芯樣的抗壓強(qiáng)度
68．3MPa，齡期284d一312d，而一年齡期的檢測試件
抗壓強(qiáng)度為64．36MPa，即A區(qū)芯樣抗壓強(qiáng)度比檢
測試件抗壓強(qiáng)度大6．12％；B區(qū)芯樣抗壓強(qiáng)度
60．3MPa，齡期為218d一361d，而其一年齡期的檢測
抗壓強(qiáng)度為58．56MPa，即B區(qū)芯樣抗壓強(qiáng)度比檢
測試件的大2．97％；C區(qū)芯樣抗壓強(qiáng)度58．0MPa，
齡期為337d一370d，而其一年檢測試件的抗壓強(qiáng)度
為56．35MPa，即C區(qū)芯樣抗壓強(qiáng)度比其檢測試件
的抗壓強(qiáng)度大2．93％。從抗?jié)B性比較，鉆孑L壓水試
驗(yàn)表明，A區(qū)的吸水率為0，而其他全級配大試件
180d的滲透系數(shù)k=0．482×10 qcm／s(遠(yuǎn)比美國標(biāo)
準(zhǔn)尼≤1．50×10廿cm／s小)；B區(qū)芯樣的滲透系數(shù)k
=0．957×10。10cm／s，遠(yuǎn)比其全級配大試件180d的
k=O。593×10‘9cm／s小很多，約為試驗(yàn)室試件滲透
系數(shù)的20％。這些實(shí)測值與實(shí)驗(yàn)值的比較，說明大
壩混凝土的施工質(zhì)量比試驗(yàn)室的試件還要好，或可
以認(rèn)為二灘大壩混凝土的施工質(zhì)量高于設(shè)計(jì)的要
求。
值得一提的是：二灘大壩橫縫的接縫灌漿控制
混凝土壩塊體溫度的冷卻速度較均勻，不同冷卻水
管的布置方式(水平和垂直間距為1．0～1．5m、1．5
～1．5m、1．5—3．0m)其最大降溫速度為0．660C／d，
冷卻時(shí)間對于1．0—1．5m布置方式I期為14d、11
期為16d，總計(jì)30d；對于1．5～1．5m布置方式I期
為21d、Ⅱ期為24d，總計(jì)45d；對于1．5～3．0m布置
方式I期為47d、Ⅱ期為53d，合計(jì)100d。設(shè)計(jì)的壩
體封拱溫度16～14℃，實(shí)際的封拱溫度平均為
12．56℃，接縫灌漿時(shí)混凝土的齡期55～663d。灌
漿后鉆孔檢查漿液充填率為98．75％，壓水試驗(yàn)表
明絕大部分吸水量為0，個(gè)別達(dá)0．59Lu(葡萄牙拱
壩設(shè)計(jì)中允許滲水量1～2Lu；前蘇聯(lián)托克托古爾重
力壩高215m，允許壩體混凝土單位滲水量為1 Lu)。
4．9做好混凝土表面養(yǎng)護(hù)和保護(hù)
養(yǎng)護(hù)和保護(hù)是防止混凝土表面裂縫的重要措
施?；炷粮煽s值永遠(yuǎn)比其極限拉伸值大。水科院
2010年為大崗山拱壩混凝土所做的實(shí)驗(yàn)表明：采用
M42．5的中熱水泥，粉煤灰摻量30％，水膠比0．45，
混凝土齡期從28d到365d，各齡期的混凝土試件的
干縮變形為其相應(yīng)齡期試件的極限拉伸變形的
56
2．56—2．87倍。這是在混凝土相應(yīng)齡期極限拉伸
值為(113—145)×10“情況下的比值。如果極限
拉伸值小于上述值，則干縮與極限拉伸的比值還要
大。顯然，如果混凝土表面不養(yǎng)護(hù)或不保護(hù)，裂縫肯
定要發(fā)生，甚至發(fā)展到深部，危害建筑物的安全。
試驗(yàn)資料表明，沒有養(yǎng)護(hù)的混凝土試件的抗壓
強(qiáng)度只有養(yǎng)護(hù)的40％左右。這與前面講的考慮干
縮與不考慮干縮的抗裂系數(shù)的比值幾乎一致。二灘
大壩混凝土是收倉后即進(jìn)行長期噴水養(yǎng)護(hù)和保護(hù)，
既阻止了水分散失，又降低了混凝土壩塊的內(nèi)外溫
差而防止產(chǎn)生裂縫。三峽大壩混凝土除了養(yǎng)護(hù)之外
還特別注意表面養(yǎng)護(hù)，在工程驗(yàn)收時(shí)，沒有發(fā)現(xiàn)裂
縫。
4．10大壩基礎(chǔ)的處理
必須滿足設(shè)計(jì)對壩基各項(xiàng)指標(biāo)的要求，尤其是
承載能力、穩(wěn)定和滲漏等。
5結(jié)束語
只要知道混凝土大壩的最大主壓應(yīng)力和采用
15cm、20cm立方體或咖15cm×30cm圓柱體試件的
設(shè)計(jì)齡期的強(qiáng)度，利用本文提供的方程式(1)或查
表4、5、6就能預(yù)先知道該大壩混凝土的安全使用壽
命(年限)。
利用方程式(1)、方程式(2)表1、2、6計(jì)算得到
表4、5，由表4計(jì)算得到表6、7、8。設(shè)計(jì)人員可以從
表7中根據(jù)大壩設(shè)計(jì)的最大主壓應(yīng)力查找不同使用
年限和不同設(shè)計(jì)齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度，或從表6
的安全系數(shù)選擇設(shè)計(jì)最大主壓應(yīng)力，要求大壩使用
年限所需的不同齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度；檢查人員
或業(yè)主或關(guān)心該工程的人員，也可以從混凝土的檢
測強(qiáng)度或鉆芯的抗壓強(qiáng)度減去施工配合比中的t×
盯后除以表6中相應(yīng)設(shè)計(jì)齡期和使用年限對應(yīng)的安
全系數(shù)，即可得到該大壩容許的應(yīng)力，如它大于設(shè)計(jì)
的最大主壓應(yīng)力，即認(rèn)為是安全的，并同時(shí)也知道了
該大壩混凝土的有效使用年限(壽命)。例如二灘
大壩混凝土設(shè)計(jì)齡期為180d，實(shí)際檢測的平均抗壓
強(qiáng)度58．66MPa，減去1．04×5．5等于52．94MPa，再
除以表6中500年，180d設(shè)計(jì)齡期的安全系數(shù)為
4．94，等于10．72MPa×1．3=13．94MPa。此值大于
招標(biāo)文件規(guī)定有地震特殊荷載的最大主壓應(yīng)力
12．50MPa，是安全的，有效年限500年。又如三峽
大壩混凝土水位變化區(qū)，90d齡期的檢測抗壓強(qiáng)度
46．8—0．84×5=42．6MPa，除以表6中500年90d
設(shè)計(jì)齡期的安全系數(shù)4．22，得到10．10MPa×1．3=
13．13MPa，此值遠(yuǎn)大于該工程最大主壓應(yīng)力(估算)
萬方數(shù)據(jù)
5．5MPa，再加上估算地震應(yīng)力(按最大主壓應(yīng)力的
50％計(jì)算)等于8．25MPa，即三峽大壩混凝土可安
全運(yùn)行500年以上。
當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)保證大壩混凝土的施工完全滿足設(shè)
計(jì)要求，同時(shí)還要科學(xué)的管理，合理調(diào)度泄水量和時(shí)
間，做好大壩運(yùn)行的監(jiān)測與分析，及時(shí)反饋異常情況
的信息，并進(jìn)行全面的總結(jié)，為提高水工建筑物的技
術(shù)經(jīng)濟(jì)水平提供經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)的依據(jù)。
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(上接第50頁)
區(qū)的距離不宜過長。建議不要設(shè)置盲區(qū)，以便后配
套組裝完成后與主機(jī)順利連接。
(4)主機(jī)組裝洞懸臂梁的開挖應(yīng)采用光面爆
破，確保開挖質(zhì)量，減少對圍巖的擾動(dòng)。
(5)TBM始發(fā)洞的導(dǎo)向段和正常始發(fā)段均應(yīng)
進(jìn)行準(zhǔn)確的軸線定位，為TBM的掘進(jìn)提供一個(gè)良
好的始發(fā)姿態(tài)。
4結(jié)束語
TBM的組裝是TBM設(shè)備投入運(yùn)行前的一項(xiàng)重
要工作，其設(shè)計(jì)與施工的好壞關(guān)系到TBM能否順
利組裝和投產(chǎn)。組裝洞室的設(shè)計(jì)人員必須充分了解
擬組裝的TBM及其輔助設(shè)施的結(jié)構(gòu)尺寸、組裝方
案和工藝，以完成TBM設(shè)備的組裝和順利始發(fā)為
原則，結(jié)合各工程的具體特點(diǎn)選擇合適的組裝場所，
靈活地設(shè)計(jì)各組裝洞室，以追求TBM組裝洞室設(shè)
計(jì)和施工的經(jīng)濟(jì)性與合理性，保證TBM順利組裝
和投產(chǎn)。

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