一种混凝土坝横缝粘结强度控制方法.pdf

一种混凝土坝横缝粘结强度控制方法，涉及在混凝土坝的施工期对横缝开合度的控制及对横缝难以及时拉开的预防方法。本发明在现有技术的基础上，进一步考虑了横缝的粘结强度，通过制定相关指标、布设监测仪器并控制具体施工措施的方法，实现了对横缝粘结强度的控制。该种控制方法对施工过程中相关技术环节给出了动态监控的布置方案与监测数据的利用方法，以及具体的控制参数与控制手段，在方法的指导下可以保证接缝灌浆的准备条件及时到位。

1.一种混凝土坝横缝粘结强度控制方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)首先根据设计施工进度及施工规范制定控制指标，包括接缝灌浆设计时刻τ_g、规定
最晚张开时刻τ_c和接缝灌浆最小要求开度W_g，并按下式对设计混凝土龄期与温度的关系曲线
进行校核：
W ( τ g ) = L 1 ∫ τ 0 τ g α 1 ( τ ) dT 1 ( τ ) dτ dτ + L 2 ∫ τ 0 τ g α 2 ( τ ) dT 2 ( τ ) dτ dτ - - - ( a ) ]]>
上式中，τ代表龄期，τ₀代表横缝形成时刻龄期，W代表横缝开合度，W(τ_g)代表τ_g时刻的
横缝开合度，α₁(τ)和α₂(τ)分别代表先浇和后浇混凝土仓的线膨胀系数，T₁(τ)和T₂(τ)分别
代表先浇和后浇混凝土仓的温度，L₁和L₂分别代表先浇和后浇混凝土仓的宽度；
若W(τ_g)≥W_g，则说明原设计的关系曲线不能满足要求，应重新制定混凝土龄期与温度
的关系曲线，并按式(a)校核；若W(τ_g)＜W_g，则按照下式(b)计算最大允许粘结强度σ_max：
σ max = ∫ τ 0 τ c - E 1 ( τ ) α 1 ( τ ) dT 1 ( τ ) dτ dτ + ∫ τ 0 τ c - E 2 ( τ ) α 2 ( τ ) dT 2 ( τ ) dτ dτ - - - ( b ) ]]>
式中，E₁(τ)和E₂(τ)分别代表先浇和后浇混凝土仓的弹性模量；
上述参数E₁(τ)、E₂(τ)、α₁(τ)和α₂(τ)在设计阶段通过实验方式获得，T₁(τ)、T₂(τ)通
过设计混凝土龄期与温度的关系曲线获得；
2)进行与坝体材料一致的新旧混凝土粘结试件的拉伸试验，针对不同的缝面冲毛程度
的试验获得一组冲毛程度与抗拉伸强度的对应关系，其中，缝面冲毛程度以粘结缝面的凹凸
程度衡量；
3)施工期间，在每个灌区(13)或间隔1个灌区的横缝(1)上至少布置一支横缝测
缝计(9)，并配合在相同高程的混凝土仓内布置数字温度计(10)；
4)控制先浇仓暴露横缝面的冲毛程度k：保证k＜k_max，k_max表示试验中最大允许粘结
强度σ_max所对应的冲毛程度；
5)控制先浇仓与暴露横缝面的温度：对暴露横缝面覆盖保温模板(12)，并在一期冷
却结束后的暴露期间内，保证先浇仓的混凝土温度维持在一期冷却目标温度上下不超过1℃
的范围内；
6)控制混凝土的降温速度：通过数字温度计(10)对混凝土温度实时监控，保证中期
或二期冷却过程中降温速度在0～0.5℃/d范围之内；
7)设实际施工中横缝面冲毛程度k_c所对应的试验抗拉伸强度为σ_c，通过下式(c)计
算横缝面的张拉强度σ(τ_a)：

式中，τ_a代表当前实际时刻，和分别代表实际监测的先浇和后浇仓的混凝土
温度值；当横缝尚未张开时，比较σ(τ_a)与σ_c的大小：
i)若σ(τ_a)＜σ_c且τ_a＜τ_c，则表示处于正常现象；
ii)若σ(τ_a)＜σ_c且τ_a≥τ_c，则表示横缝拉开晚，应立即采取局部缝面有压力通水或缝面局部
超冷措施的一种或两种，以促使横缝张开；
iii)若σ(τ_a)≥σ_c，则表示局部横缝粘结强度较大，应加大冷却通水流量，提高混凝土降温速
度，但不应超过步骤6)中的要求；若无效，则应采取局部缝面有压力通水和缝面局部超冷
措施中的一种或两种，以促使横缝张开。
2.按照权利要求1所述的混凝土坝横缝粘结强度控制方法，其特征在于：所述的混凝土
坝为重力坝或拱坝。
3.按照权利要求1所述的混凝土坝横缝粘结强度控制方法，其特征在于：所述的接缝灌
浆采用水泥灌浆或化学灌浆。
4.按照权利要求1所述的混凝土坝横缝粘结强度控制方法，其特征在于：所述的缝面冲
毛采用高压射水冲毛法。
5.按照权利要求1所述的混凝土坝横缝粘结强度控制方法，其特征在于：所述的数字温
度计的测量步长为0.5～2天。
6.按照权利要求1所述的混凝土坝横缝粘结强度控制方法，其特征在于：所述的新旧混
凝土粘结试件的拉伸试验为直拉试验或劈拉试验，且试件的龄期至少为21天。

一种混凝土坝横缝粘结强度控制方法

技术领域

本发明涉及一种对水工结构中分缝构造的控制方法，特别涉及在混凝土坝施工时对横缝
粘结强度与开合度的控制及对横缝难以拉开的预防方法。

背景技术

在重力坝、拱坝等混凝土坝工程的建设中，必须要设置若干垂直于坝轴线的横缝，以适
应施工的浇筑能力与地基的不均沉降，并减小温度应力。接缝灌浆是混凝土坝体施工期的关
键时间节点，在接缝灌浆前需保证横缝张开足够开度，以便接缝灌浆工作的顺利开展，可见
横缝开合度的控制技术对于混凝土坝施工进度的管理具有非常重要的意义。

施工期间横缝主要有三种工作状态，即接缝灌浆前闭合、接缝灌浆前张开及接缝灌浆后
闭合。实际上，未张开的横缝界面属于新旧混凝土交界面的一种大尺度形式，过往研究已经
证明，新旧混凝土交界面确实存在有一定的粘结强度(宋玉普、魏春明等，混凝土施工缝接
缝面劈拉强度试验研究，混凝土，2006；Espeche A.D.，León J.，Estimation of bond 
strength envelopes for old-to-new concrete interfaces based on a cylinder splitting 
test.Construction and Building Materials，2010)。但现阶段针对混凝土坝横缝的开合
度控制大多按照工程经验，在设计混凝土温度历程曲线与实际施工操作时缺乏对横缝粘结强
度的考虑与控制。

以往对横缝的研究基本围绕计算方法开展，如接触面方法(周伟、常晓林、黎满林等，
丹江口重力坝二期加高非线性有限元接触分析，水电能源科学，2003)，基于对横缝面接触
状态的未知性，考虑荷载、材料、边界条件等因素的非线性，对接触面区域进行数值迭代求
解，但应用过程中缺乏对横缝粘结强度的考虑；工程上应用较多的还有接缝单元方法(朱伯
芳，有限厚度带键槽接缝单元及接缝对混凝土坝应力的影响，水利学报，2001)，将接缝单
元建立在横缝位置，单元厚度较小或无厚度，利用单元本身材料本构与正常单元本构的不同
从而反映接缝部位的变形与受力等性质，这种方法也尚未考虑横缝的粘结强度。混凝土坝横
缝相关的设计施工方法(中华人民共和国水利行业标准，混凝土拱坝设计规范，规范号
SL282-2003；张敬、唐忠敏、尹华安等，接缝灌浆系统，中国专利，专利号201020648445.8)
中也欠缺对横缝粘结强度的考虑与控制。由于缺少对横缝粘结强度的考虑，传统方法对横缝
闭合状态的认识尚不完善，也无法对粘结强度进行有效控制，存在对横缝闭合张开过程难以
准确把握，可能导致横缝张开较晚，延误灌浆时机的问题。

发明内容

本发明的目的是针对施工期混凝土坝横缝开合度的问题，在考虑对横缝粘结强度控制的
基础上，提供一种控制理论与方法，能够更加完善并准确地理解横缝闭合状态，从而进一步
加强对横缝开合度的控制，保证横缝的及时张开。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的，该方案包括如下步骤：

1)首先根据设计施工进度及施工规范制定控制指标，包括接缝灌浆设计时刻τ_g、规定最
晚张开时刻τ_c和接缝灌浆最小要求开度W_g，并按下式对设计混凝土龄期与温度的关系曲线进
行校核：

W ( τ g ) = L 1 ∫ τ 0 τ g α 1 ( τ ) dT 1 ( τ ) dτ dτ + L 2 ∫ τ 0 τ g α 2 ( τ ) dT 2 ( τ ) dτ dτ - - - ( a ) ]]>

上式中，τ代表龄期，τ₀代表横缝形成时刻龄期，W代表横缝开合度，W(τ_g)代表τ_g时刻的
横缝开合度，α₁(τ)和α₂(τ)分别代表先浇和后浇混凝土仓的线膨胀系数，T₁(τ)和T₂(τ)分别
代表先浇和后浇混凝土仓的温度，L₁和L₂分别代表先浇和后浇混凝土仓的宽度；

若W(τ_g)≥W_g，则说明原设计的关系曲线不能满足要求，应重新制定混凝土龄期与温度
的关系曲线，并按式(a)校核；若W(τ_g)＜W_g，则按照下式(b)计算最大允许粘结强度σ_max：

σ max = ∫ τ 0 τ c - E 1 ( τ ) α 1 ( τ ) dT 1 ( τ ) dτ dτ + ∫ τ 0 τ c - E 2 ( τ ) α 2 ( τ ) dT 2 ( τ ) dτ dτ - - - ( b ) ]]>

式中，E₁(τ)和E₂(τ)分别代表先浇和后浇混凝土仓的弹性模量；

上述参数E₁(τ)、E₂(τ)、α₁(τ)和α₂(τ)在设计阶段通过实验方式获得，T₁(τ)、T₂(τ)通
过设计混凝土龄期与温度的关系曲线获得；

2)进行与坝体材料一致的新旧混凝土粘结试件的拉伸试验，针对不同的缝面冲毛程度
的试验获得一组冲毛程度与抗拉伸强度的对应关系，其中，缝面冲毛程度以粘结缝面的凹凸
程度衡量；

3)施工期间，在每个灌区13或间隔一个灌区的横缝1上至少布置一支横缝测缝计9，
并配合在相同高程的混凝土仓内布置数字温度计10；

4)控制先浇仓暴露横缝面的冲毛程度k：保证k＜k_max，k_max表示试验中最大允许粘结
强度σ_max所对应的冲毛程度；

5)控制先浇仓与暴露横缝面的温度：对暴露横缝面覆盖保温模板12，并在一期冷却
结束后的暴露期间内，保证先浇仓的混凝土温度维持在一期冷却目标温度上下不超过1℃的
范围内；

6)控制混凝土的降温速度：通过数字温度计10对混凝土温度实时监控，保证中期或
二期冷却过程中降温速度在0～0.5℃/d范围之内；

7)设实际施工中横缝面冲毛程度k_c所对应的试验抗拉伸强度为σ_c，通过下式(c)计
算横缝面的张拉强度σ(τ_a)：

 式中，τ_a代表当前实际时刻，和分别代表实际监测的先浇和后浇仓的混凝土
温度值；当横缝尚未张开时，比较σ(τ_a)与σ_c的大小：

iv)若σ(τ_a)＜σ_c且τ_a＜τ_c，则表示处于正常现象；

v)若σ(τ_a)＜σ_c且τ_a≥τ_c，则表示横缝拉开晚，应立即采取局部缝面有压力通水或缝面局部
超冷措施的一种或两种，以促使横缝张开；

vi)若σ(τ_a)≥σ_c，则表示局部横缝粘结强度较大，应加大冷却通水流量，提高混凝土降温速
度，但不应超过步骤6)中的要求；若无效，则应采取局部缝面有压力通水和缝面局部超冷
措施中的一种或两种，以促使横缝张开。

本发明与传统技术相比，具有以下优点及突出性效果：

本发明在传统技术的基础上，考虑了横缝的粘结强度，对横缝闭合状态的认识更加完善
深入，并提出了粘结强度的控制方法，借此可以对横缝的张开进行控制，预防某些横缝难以
及时拉开影响接缝灌浆进度的问题。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

①提出的控制方法对施工过程中相关技术环节给出了具体的控制参数与控制手段，在方
法的指导下可以保证接缝灌浆的准备条件及时到位。②可以有效地控制横缝的粘结强度，防
止由于横缝粘结强度过大而难以拉开的现象。③给出了动态监控的布置方案与监测数据的利
用方法，实际应用中可以实时了解横缝的工作状态，对于特殊情况下不能拉开的横缝，也给
出了特殊的处理手段。④对混凝土坝横缝的闭合——张开过程给出了具体的计算方法，清晰
明了，便于编制相关程序，可以作为良好的设计依据。

附图说明

图1为横缝变形示意图。

图2为埋设仪器示意图。

图3为暴露横缝面冲毛示意图。

其中：1-横缝；2-先浇仓初始外轮廓；3-后浇仓初始外轮廓；4-先浇仓温度下降后轮廓；
5-后浇仓温度下降后轮廓；6-各仓的中心对称线；7-先浇仓；8-后浇仓；9-埋设的横缝测缝计；
10-数字温度计；11-冲毛设施；12-保温模板；13-灌区；14-混凝土仓；W-横缝的开合度。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施方式：

本发明在现有技术的基础上，进一步考虑了横缝粘结强度，通过制定相关指标、布设监
测仪器并控制相关施工措施的方法，实现了对横缝粘结强度的控制。具体方式可按如下步骤
实施：

1)在混凝土坝，包括拱坝、重力坝的设计阶段，应根据设计施工进度及施工规范制定控
制指标，包括各个灌区的接缝灌浆时间τ_g、各灌区的规定最晚张开时间τ_c和接缝灌浆最小要
求开度W_g，其中，τ_c＜τ_g，一般建议τ_c选在中期降温阶段，W_g应视灌浆手段而定，针对水
泥灌浆与化学灌浆有不同的规范要求。首先应校验设计混凝土龄期与温度的关系，即混凝土
设计温度历程曲线，应满足在接缝灌浆时刻缝面张开度大于最小开度的要求，如图1，可以
采用下式计算：

W = L 1 ∫ τ 0 τ g α 1 ( τ ) dT 1 ( τ ) dτ dτ + L 2 ∫ τ 0 τ g α 2 ( τ ) dT 2 ( τ ) dτ dτ ]]>

上式中，τ代表龄期，τ₀代表横缝形成时刻龄期，W代表横缝开合度，W(τ_g)代表τ_g时刻的
横缝开合度，α₁(τ)和α₂(τ)分别代表先浇和后浇混凝土仓的线膨胀系数，T₁(τ)和T₂(τ)分别
代表先浇和后浇混凝土仓的温度，L₁和L₂分别代表先浇和后浇混凝土仓的宽度；

若计算出的W(τ_g)≥W_g，则说明原设计的关系曲线不能满足要求，应重新制定混凝土龄
期与温度的关系曲线，并按上式校核；若计算出的W(τ_g)＜W_g，则按照下式计算最大允许粘结
强度σ_max：

σ max = ∫ τ 0 τ c - E 1 ( τ ) α 1 ( τ ) dT 1 ( τ ) dτ dτ + ∫ τ 0 τ c - E 2 ( τ ) α 2 ( τ ) dT 2 ( τ ) dτ dτ ]]>

式中，E₁(τ)和E₂(τ)分别代表先浇和后浇混凝土仓的弹性模量；

上述参数E₁(τ)、E₂(τ)、α₁(τ)和α₂(τ)在设计阶段通过实验方式获得，T₁(τ)、T₂(τ)通
过设计混凝土龄期与温度的关系曲线获得。

在具体实施过程中，也可以采用离散时间段来进行求解的方法，即上述式子可以转化为：

W(τ_g)＝L₁∑α₁(τ_i)ΔT₁(τ_i)+L₂∑α₂(τ_i)ΔT₂(τ_i)

σ_max＝∑-E₁(τ_i)α₁(τ_i)ΔT₁(τ_i)+∑-E₂(τ_i)α2(τ_i)ΔT₂(τ_i)

式中，τ_i代表各个离散时间段的平均龄期值，ΔT₁(τ_i)、ΔT₂(τ_i)代表该时段的温度变化值。这
样可以方便地通过对各个时间段相关参数值的累积来计算。

2)利用与坝体混凝土材料一致的试件进行新旧混凝土粘结试件的拉伸试验，可以采用直
拉试验或劈拉试验，针对不同的缝面冲毛程度的试验获得该种冲毛程度所对应的抗拉伸强度，
其中，粘结缝面的冲毛程度以缝面的凹凸程度衡量，试件龄期应在21天以上。

3)施工期间，应布置相关测量仪器以实时获得横缝的工作状态，如图2，在混凝土坝的
两个相邻坝段，先浇坝段7与后浇坝段8之间即横缝1，每个灌区或间隔一个灌区布置至少1
支横缝测缝计9，并配合在同高程的混凝土仓内布置数字温度计10，其中，数字温度计10不
应紧贴冷却水管等设施布置，应尽量埋设在两根水管的中间位置，以反映混凝土仓的平均温
度。

4)施工中应控制先浇仓暴露横缝面的冲毛程度k，如图3，冲毛后横缝面越粗糙，横缝
的粘结强度越大，越难以拉开，因此应保证：

k＜k_max

式中，k表示横缝的缝面冲毛程度，以缝面的凹凸程度衡量。k_max表示步骤2)试验中最大允
许粘结强度σ_max所对应的冲毛程度。一般来说，坝体横缝面冲毛采用高压射水方式，对缝面
冲毛程度的控制可以通过调整冲水压强与冲水时间来实现，冲毛过程中，施工人员应注意观
察缝面的粗糙程度，达到设计标准，即上式后则可停止。

5)施工中应控制先浇块与暴露横缝面的温度，先浇块的收缩能力取决于横缝形成时刻至
拉开时刻的温度差，因此应采取如下手段：对暴露横缝面必须覆盖保温模板12，并主动控制
人工冷却措施，保证先浇块的温度在空置时段内不发生较大幅度降低，应维持在一期冷却目
标温度上下不超过1℃的范围内，同时也建议先浇块的缝面空置时间应尽量缩短，不超过1
个月。

6)施工中控制混凝土的降温速度，由于混凝土强度随龄期增长，因此针对某个冷却阶段
而言，同样的温降在后期产生的张拉应力更大，建议每个冷却阶段的冷却过程中，以温度每
天均匀下降为宜，不应降温过快，中期或二期冷却过程中降温速度不得超过0.5℃/d，加强对
数字温度计监控数据的分析，保证冷却的缓慢正常进行。

7)记步骤4)中的实际施工处理后的横缝面冲毛程度k_c，其所对应的试验抗拉伸强度为
σ_c，通过监测结果计算实时的缝面张拉强度σ(τ_a)如下式：

式中，τ_a代表当前实际时刻，代表实际监测的混凝土温度值。当横缝尚未
张开时，比较σ(τ_a)与σ_C的大小：

i)若σ(τ_a)＜σ_c且τ_a＜τ_c，则表示处于正常现象；

ii)若σ(τ_a)＜σ_c且τ_a≥τ_c，则表示横缝拉开晚，应立即采取局部缝面有压力通水或缝面局部
超冷措施的一种或两种，以促使横缝张开；

iii)若σ(τ_a)≥σ_c，则表示局部横缝粘结强度较大，应加大冷却通水流量，提高混凝土降温速
度，但不应超过步骤6)中的要求；若无效，则应采取局部缝面有压力通水和缝面局部超冷
措施中的一种或两种，以促使横缝张开。