第1章 绪论
1.1 研究现状与问题的提出
混凝土的开裂是长期以来困扰学术界和工程界最为棘手的问题，防裂成了设计者和施工者在工程建设前最为关心和疑虑的问题。就混凝土坝而言，为满足大坝施工和运行等各种需要，往往在坝体内设置许多不同类型的孔口或廊道结构，如输水孔、泄水孔、排水廊道、交通廊道、灌浆廊道、电梯井等。这些孔洞在一定程度上改变了坝内原有的温度和应力分布状态，其周围混凝土的变形和受力也变得非常复杂，不利的应力集中问题突出［1-3］。为防止孔口裂缝的出现，通常需要对孔口周围混凝土采取各种措施，但是由于没有真正掌握其裂缝产生的机理，往往会浪费大量的成本，增加工程投资和施工难度。
1.1.1 研究现状
国内外有不少已建或在建混凝土坝在孔口或廊道周边的混凝土出现了裂缝，且有些裂缝经过这些孔口或廊道逐渐发展和扩张，危害性极大，严重的甚至影响大坝的正常运行。例如，美国德沃夏克（Dworshak）混凝土坝35号坝段［4-5］，上部检查通道和下部排水廊道各自出现了一条裂缝，两条裂缝沿大坝上游侧连通，形成一条贯穿至上游表面的铅直劈头裂缝，1980年5月，水库蓄水至正常水位时，廊道内该裂缝漏水量剧增到29m3/min，不得不进行紧急抢修。美国诺福克（Norfork）重力坝［6］在每一个泄洪底孔的侧面至少有4条纵向裂缝，此外美国Richard B Russel坝也出现过类似的裂缝。加拿大雷夫尔斯托克（Revelstoke）实体重力坝［7］于1983年10月开始蓄水，不到半年时间，就出现了严重的裂缝，裂缝由上游表面向下游扩展深度达30.0m，其中在高程460.00m处的廊道裂缝最为严重，裂缝宽度达6mm，渗水量达174L/s。类似在混凝土坝孔口出现裂缝的国外还有很多，如苏联马马康宽缝重力坝、日本大森川大头坝［8］、加拿大雷夫尔斯托克重力坝［4］等。
国内混凝土坝也有大量此类裂缝的出现，如始建于1955年的上犹江水电站，坝体检查廊道在庚坝段处廊道顶拱有1条长约3.0m的贯穿性裂缝，如图1.1所示，下雨及泄洪时出现渗漏，且在廊道部位有明显的析钙现象，经2003年10月24查，廊道裂缝已贯穿至溢流坝表面［9］，分析认为引起该部位开裂的拉应力在施工期即产生，且拉应力水平不容忽视［9-10］。沙溪口水电站发现19号坝段排水廊道在顶拱中心线附近发现了3条裂缝，裂缝导致廊道有轻微渗水，部分段中有白色钙化物析出［11］。四里岩水库浆砌石重力坝在水库竣工初期发现检查排水廊道产生了13条较为严重的环向裂缝［12］。古田溪四级大坝11号坝段纵向（沿坝轴线方向）和横向（垂直坝轴线方向）廊道顶部在日常巡查时发现有裂缝产生［13］。新坝船闸输水廊道在2004年10月23日发现4条细微裂缝，29日发展为10条裂缝［14］。另外，汾河二库碾压混凝土重力坝底部廊道［15］及张峰水库灌浆廊道［16］等也都出现了严重的裂缝。
图1.1 上犹江水电站廊道顶部裂缝
这些裂缝的产生不仅破坏了大坝孔口周边混凝土的整体性，一定程度上改变了坝内原有的应力状态和受力条件，还会导致孔口周围的配筋暴露在空气或水中，引起钢筋的锈蚀，进而影响孔口甚至整个大坝的耐久性。严重时，这些裂缝与大坝蓄水后库水冷击引起的劈头缝形成贯穿性裂缝，深度可达几十米，从而严重影响大坝的正常运行，如德沃夏克混凝土坝［4-5］。虽然这些大坝混凝土孔口裂缝的出现时间不尽相同，有些在施工期出现，而有些则是在初蓄水运行期产生，但是不论这些裂缝在何时发生，均与施工期孔口周围混凝土的应力状态密切相关，因此控制和改善施工期混凝土坝孔口的应力是非常必要的。
1.1.2 问题的提出
研究表明，施工期温度变化、自生体积变形等在孔洞周围形成应力，若遇到孔洞易引起应力集中如尖角、形状突变等结构形状时，应力会成倍增加，一旦应力超过了混凝土的强度就会产生裂缝［17-19］。实测资料也表明，温度变化在混凝土坝内孔口附近会引起很大的应力，若孔口为非圆形孔，其数值甚至可能超过水压力和混凝土坝自重所产生的应力［19］。
然而，坝内孔洞周围混凝土开裂问题是非常复杂的，除了温度变化、自生体积变形等因素外，孔口周围混凝土的约束条件及孔洞的形状、尺寸、位置与其应力分布和集中现象密切相关，另外，大坝尺寸和型式、混凝土材料特性、施工方法与工艺、施工环境、库水水温等均是引起孔洞周围混凝土开裂的原因。为了分析这些原因对孔口混凝土裂缝产生和发展的影响，采用有限元技术对孔口部位混凝土施工期乃至运行期的各种因素进行数值模拟和仿真，预测其温度和应力的演变过程，是目前已被广泛采纳的方式。针对大坝孔口的特殊性，具体需要对以下几个方面提出更高的要求。
（1）对大坝混凝土温控措施的精确模拟，尤其随着坝体水管冷却技术的应用日臻成熟，对含冷却水管混凝土温度和应力的数值分析方法提出了更高的要求。目前“水管离散单元法”的准确性在理论和实际工程上均得到了验证［20-23］，但在应用于解决孔口混凝土温度和应力问题时仍受计算能力的限制。
（2）混凝土边界传热过程的确定。特定工程下混凝土边界冷却速度合理与否直接关系到仿真计算结果的精度，而混凝土边界的热交换是一个复杂的过程，影响因素众多，尤其对边界传热系数的确定更是无法给出统一的定论。目前，有关边界传热过程的研究较多但大多局限于个案，在土木工程领域还不具备一般性，其推广使用还有待进一步探究。
（3）目前，对混凝土坝孔口的应力仿真分析多从配筋角度出发，在静态或准静态条件下确定孔口的应力问题，而忽略孔口结构在施工期产生的剩余应力和开裂问题。
（4）混凝土坝孔口相对大坝截面而言一般很小，仿真计算往往会简化甚至忽略这些孔洞结构，从而无法准确模拟出孔洞周围混凝土实际温度和应力状态，因此，如何精细确定孔口周围混凝土的温度和应力情况而又能考虑大坝其他部位混凝土温度场与应力场的影响，是一个非常必要的工作。
（5）虽然国内外普遍认为温度变化是引起混凝土开裂的主要原因之一，但往往仅关注温度自身对应力的贡献，而忽略了由温度和龄期引起的其他不一致变形产生应力的问题。此外，就如何控制温度和改善温度应力这一问题上仍未形成统一的认识。
（6）混凝土的强度是混凝土最重要的力学特性之一，工程上往往采用室内试验结果作为标准，而事实上混凝土强度存在尺寸效应，因此往往会出现混凝土施工开裂而仿真分析没能反映的问题。
综上所述，解决大坝孔口周围混凝土的开裂问题需要从混凝土结构的共性和孔口结构的个性出发，运用既能考虑大坝混凝土整体结构又能重点突出孔口混凝土的温度和应力的仿真计算方法，从而制定出具有合理性、科学性且个性化突出的动态调整防裂方法。基于此，本书主要对混凝土热力学计算模型、混凝土边界传热、混凝土坝孔口结构的有限元子模型法、孔口周围混凝土的开裂机理及防裂方法进行了较为细致的研究，为今后解决大坝孔口混凝土的防裂难题以及孔口配筋方面提供一些参考和帮助。