第1章 绪论
1.1 工程背景
1.1.1 研究背景
目前全国正处在水利工程建设的高峰时期，大量水工混凝土薄壁结构工程投入建设。南水北调东线和中线工程约有2000座新建渡槽、泵站、水闸、船闸、倒虹吸、地涵和各种交叉建筑物等混凝土工程。与混凝土大坝相比，水闸、地涵、泵站等水工建筑物混凝土体积相对较小，但由于其独特的功能和相对复杂的结构型式与受力特点，这些结构在施工期产生裂缝的现象一直较为普遍，严重困扰工程界。同时，在这类工程的建设当中，高性能泵送混凝土越来越被广范使用，其施工优点和较大经济效益受到工程建设者喜欢，但高性能泵送混凝土具有水泥用量多、坍落度大、水化反应剧烈、热量多且早期集中释放、弹性模量大和体积变形大等特点，致使裂缝产生现象更加普遍、更是防不胜防。因此，薄壁混凝土的特点困扰工程的建设和施工质量，成为全国水利行业学术界和工程界特别关注的问题。
资料显示［1］，湖北省陈家冲溢洪道，1965年建成，1989年2月检查发现，在闸墩、底板等部位发生各类裂缝81条。马头寨溢洪道1988年浇筑，1991年2月陆续在侧墙底板、闸墩等部位发现69条裂缝，总长达931m。同时施工的巩河水库溢洪道也产生了类似裂缝。位于长江江堤的大型涵闸（新滩口、余码头、武穴等），在底板和胸墙部位都发生了较为严重的裂缝［2］。在观音寺闸的底板上曾发现了多达127条裂缝，其中24条为贯穿性裂缝［3］；在沙颍河郑埠口枢纽工程节制闸闸墩上曾发现45条裂缝［4］；新河大闸在混凝土铺盖上发现了3条横向贯穿性裂缝［5］；在法泗闸也发现了裂缝［6］。
叶国华［7］调查了我国华东六省一市几个地区近50座大中型船坞、水闸、船台、重力式码头、卸煤坑道、翻车机房和泵站等较大型的建筑物共800多段墙体、墩体、底板和基础结构，其中有200多段都出现裂缝，而且大多为贯穿性裂缝，并指出产生裂缝的原因除了与浇筑块温差和外在约束有关外，混凝土的收缩如干缩、自生体积收缩与裂缝的产生也有直接关系。北京永定河与小清河闸墩以及河南陆浑水库溢洪道闸墩由于在设计中未考虑温度应力，施工单位也未采取必要的温控措施，致使结构在施工期就出现了许多裂缝［8］。另外，泵送混凝土闸墩如石梁河泄洪闸，在混凝土龄期3～20d时就不同程度地产生了裂缝。闸墩裂缝一般沿竖直方向出现，常发生在沿长度方向的中部，在1/3～1/2高度范围内。
可见，裂缝现象是层出不穷、无处不在的，有时新材料和新工艺的应用，也会带来一些新的问题，为混凝土的裂缝防治带来新的困难。
1.1.2 研究意义
混凝土结构裂缝的危害是显而易见的，它的存在和发展，不仅影响建筑物的外观，同时也使建筑物容易产生渗漏，加速混凝土的碳化，降低混凝土抵抗各种侵蚀性介质的耐腐蚀性能力，影响混凝土结构物的结构强度和稳定性，危及建筑物的正常使用和缩短建筑物的使用寿命。如何有效地防止裂缝的形成和发展是建设、设计和施工方都极为关注的问题，也是学术界研究的热点之一。
因此，根据目前国内众多工程建设的需要，有必要对水工混凝土薄壁结构，特别是以大型输水渡槽、泵站和地涵工程为代表的高性能泵送混凝土的裂缝成因和施工防裂方法进行深入研究，借助高精度仿真计算理论和方法及计算参数准确确定理论与方法的研究和敏感性仿真计算分析，预测裂缝产生的具体机理、启裂时间、启裂部位和发展过程等，进而能够提出更加科学、效果更好、经济且易行的防裂措施，指导工程施工，提高混凝土工程的安全度和耐久性，更好地为国民经济建设服务。
1.1.3 问题的提出
在水工混凝土薄壁结构建设过程中，大多使用高性能混凝土（High Performance Concrete，HPC），其特性与普通混凝土（Conventional Concrete，CC）明显不同。高性能混凝土水泥用量多，水化反应剧烈，混凝土温升高；同时，为满足混凝土某种特性的需要，往往在混凝土中掺入各种矿物掺合料和外加剂。研究表明，温度、矿物掺合料和外加剂都不同程度地影响着混凝土的热学和力学参数，影响着混凝土温度和应力特性的发展，进而影响混凝土裂缝的产生。因此，研究温度、掺合料和外加剂对高性能混凝土热力学特性的影响就成为重要的课题。
统计表明［9］，在水工混凝土薄壁结构裂缝问题中，裂缝主要是在混凝土施工阶段产生的，80%的裂缝又是因体积变形引起的，混凝土的体积变形主要表现为收缩。体积收缩包括温降冷缩、基本收缩（自生体积收缩）、干缩、化学收缩和塑性收缩等，这些收缩相互影响，且随混凝土龄期的发展不断变化。为了防止裂缝的产生，施工阶段每种收缩变形的形成机理和影响因素是值得关注的问题。
把大体积混凝土中的水管冷却技术应用到水工混凝土薄壁结构中无疑是一种技术上的突破和创新。实践证明，埋设冷却水管是一项经济、有效且方便的混凝土温控手段，但水管沿程水温的计算与温度梯度∂T/∂n有关，因此水管冷却混凝土温度场是一个边界非线性问题，温度场的解无法直接求出，必须采用迭代解法逐步逼近真解。在他人［10，11］工作的基础上，针对实际工程中的水管布置大都为蛇形布置这一问题，河海大学朱岳明教授提出按水流方向计算沿程水温，不必采用截弯取直的方法，可以很好地计算蛇形水管中流动水的水温增量，提高了温度及温度应力计算的精确程度。该方法无疑对其工程应用提供了可靠的科学依据。
混凝土特别是早期混凝土温度和应力计算精度不高的一个主要原因是不能准确确定混凝土的热学参数，包括绝热温升、导热系数和不同物盖条件下混凝土表面热交换系数。这些参数的确定一般通过仪器进行测定或者经验公式进行计算，但至今还缺少这方面的仪器，此外，经验公式计算的热学参数又往往和实际情况有较大出入。为了克服这些缺陷，借助先进的反分析理论和方法，对这些参数进行反演就显得十分必要。
水工混凝土薄壁结构一般型式单薄、约束明显，在分析裂缝成因的基础上，有必要提出相应的防裂措施。混凝土的温控防裂要从内因和外因两方面进行，内因是从材料方面进行优化，外因是从施工技术方面予以改进。另外，针对薄壁结构的特点，一些因素的影响是不得不考虑的，比如寒潮、昼夜温差等。
在研究高性能混凝土基本热学参数和力学参数特性的基础上来分析混凝土温度和应力特性，进而再分析结构的温控防裂问题，无疑是一个循序渐进、逐步深入的过程。另外，先进的计算分析思路也是一个重要的环节，比如本书提倡的“混凝土热学参数反演分析+温控参数敏感性分析→施工反馈分析→温控防裂方法”这一新的防裂思路，为后续仿真计算的准确把握提供了保障，值得在工程中应用推广。
总之，水工混凝土薄壁结构施工期的温控防裂是一个非常复杂的系统工程。