高拱壩混凝土設(shè)計強(qiáng)度和耐久性研究摘要：高拱壩混凝土設(shè)計強(qiáng)度與壩體內(nèi)的應(yīng)力息息相關(guān)，各國壩工專家或規(guī)范都以最大主壓應(yīng)力的安全系數(shù)來選取其強(qiáng)度。而混凝土的強(qiáng)度在相同原材料、在相同配合比情況下，與其所用的試件尺寸、形狀、齡期、試驗條件(養(yǎng)護(hù)環(huán)境、加荷速率、受力狀態(tài))等關(guān)系密切。所謂混凝土耐久性，是指用該種混凝土建筑物的混凝土在正常情況下的使用壽命。二灘拱壩混凝土的骨料為人工破碎的正長巖，其90d齡期的極限拉伸值大于1．0×10-4。混凝土的耐久性和強(qiáng)度，決定于原材料的質(zhì)量、水膠比、配合比、施工質(zhì)量和混凝土的齡期等，在混凝土原材料、施工質(zhì)量、水膠比(相同齡期)三者中，水膠比是核心。二灘工程實際的水膠比最大為0．486，對混凝土水膠比的限制，不僅是為了滿足，抗凍、抗?jié)B需要，同時也可提高其強(qiáng)度，特別是早期強(qiáng)度和抗裂能力。提高抗水流沖刷、磨損、抗侵蝕、抗碳化、抗氣蝕等，對高拱壩混凝土性能的提高都有好處。關(guān)鍵詞：高拱壩；混凝土；強(qiáng)度；耐久性；安全系數(shù)；水膠比中圖分類號：TV642．1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B1前言目前世界上已建100m以上的混凝土高拱壩約有212座，其中200m以上的有24座。這些高拱壩從1936年美國建成的胡佛重力拱壩(最大壩高221．4m)至2004年土耳其建成的德里內(nèi)爾雙曲拱壩(最大壩高247m)，在20世紀(jì)70年代建成的占有14座，它們運(yùn)行至今狀態(tài)良好。我國于2000年建成了了二灘混凝土雙曲拱壩(最大壩高240m)，經(jīng)過多年運(yùn)行實踐的考驗，證明是成功的。二灘高拱壩的建設(shè)質(zhì)量被工程界認(rèn)為是很好的，經(jīng)中國科學(xué)院、中國工程院兩院院士投票評為中國1998年十大科技新聞之一。1998年4月，國家蓄水驗收委員會評述“二灘已建工程的質(zhì)量符合合同規(guī)定，滿足設(shè)計要求，大壩質(zhì)量、樞紐形象、水庫移民、環(huán)保及其它工作優(yōu)于國內(nèi)其他水電工程”。我國在建和將要建的混凝土高拱壩有：構(gòu)皮灘(232．5m)、拉西瓦(250m)、白鶴灘(278m)、溪洛渡(278m)、小灣(292m)、錦屏一級(305m)等，其中有的拱壩高度大大超過1960年建成的意大利瓦依昂拱壩(262m)、1982年建成的前蘇聯(lián)格魯吉亞的英古里拱壩(271．5m)和1991年加高建成的瑞士莫瓦桑拱壩(250．5m)。筆者親自主持和參加了二灘高拱壩混凝土的試驗研究和建設(shè)監(jiān)理工作，負(fù)責(zé)大壩混凝土原材料的選擇、配合比試驗研究、混凝土試件尺寸效應(yīng)對應(yīng)力和應(yīng)變的影響、國家(七五)科技攻關(guān)中結(jié)合二灘大壩應(yīng)力狀態(tài)的混凝土的容許應(yīng)力研究、混凝土耐久性的研究、二灘水電站國際招標(biāo)文件中混凝土質(zhì)量控制指標(biāo)等的編制、以及混凝土澆筑溫控、大壩混凝土施工全過程的質(zhì)量控制監(jiān)理工作等。對于二灘高拱壩的成功經(jīng)驗以及其它已建高拱壩的設(shè)計經(jīng)驗，很值得總結(jié)和借鑒，這對于在建和擬建的高拱壩是有益的，特別是高拱壩混凝土的設(shè)計強(qiáng)度和耐久性至關(guān)重要。除了有好的即合乎客觀實際要求的混凝土強(qiáng)度、耐久性等設(shè)計指標(biāo)外，還必須要有能保證滿足設(shè)計要求的施工工藝?；炷翉脑牧系倪x擇、配合比的優(yōu)化、拌和質(zhì)量、運(yùn)輸、澆筑質(zhì)量控制和養(yǎng)護(hù)等系統(tǒng)工程得到保證，特別是強(qiáng)力的施工組織管理等，才能夠建成高質(zhì)量高拱壩工程。2高拱壩混凝土的設(shè)計強(qiáng)度拱壩的體形是一種殼體，其應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜、其理論計算受到諸多因素的影響，各個因素的確定，不可能完全準(zhǔn)確，所用的計算程序不同，所得的結(jié)果也不同，有的甚至差別很大。例如同樣用拱梁分載法計算高拱壩的應(yīng)力，不同計算程序的計算結(jié)果，其最大主壓應(yīng)力和拉應(yīng)力雖然有較大差別，但其拉應(yīng)力和壓應(yīng)力在合理的體型狀態(tài)下可以控制在混凝土容許的范圍內(nèi)，但如果用有限元法計算，某些部位的拉應(yīng)力會很大，以致于普通混凝土難以抵抗得住。用有限元法計算高拱壩應(yīng)力，在實踐中應(yīng)用，目前尚沒有被列入規(guī)范中，但可以起到對拱梁分載法計算結(jié)果的校核作用，因此作為規(guī)范還有待進(jìn)一步進(jìn)行檢驗研究。高拱壩混凝土設(shè)計強(qiáng)度與壩體內(nèi)的應(yīng)力息息相關(guān)，各國壩工專家或規(guī)范都以最大主壓應(yīng)力的安全系數(shù)來選取其強(qiáng)度。而混凝土的強(qiáng)度在相同原材料、在相同配合比情況下，與其所用的試件尺寸、形狀、齡期、試驗條件(養(yǎng)護(hù)環(huán)境、加荷速率、受力狀態(tài))等關(guān)系密切。2．1混凝土單軸抗壓抗拉強(qiáng)度與其試件尺寸、形狀的關(guān)系在其它條件相同情況下，混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度隨著試件尺寸的加大而降低，當(dāng)試件的直徑等于大于45cm，高度為90cm時，其單軸抗壓強(qiáng)度基本上是穩(wěn)定的，降低很少，亦就是說，可以用Φ45cm×90cm的單軸抗壓強(qiáng)度近似的防真大壩結(jié)構(gòu)物的單向抗壓強(qiáng)度。采用這種試件尺寸(Φ45cm×90cm)，可以容納大骨料(最大粒徑150mm)的混凝土即所謂全級配的混凝土試件，因為現(xiàn)時大體積混凝土的最大骨料粒徑多為150mm。它雖然能仿真大體積混凝土的強(qiáng)度，但是由于需要大型的破型設(shè)備和繁重的體力勞動等，試驗工作量很大，且非常不便，于是科技試驗人員，采用不同較小的試件與大尺寸試件進(jìn)行大量的對比試驗，得到了大、小試件強(qiáng)度的比值關(guān)系，以及不同試件尺寸強(qiáng)度比值的關(guān)系。作者根據(jù)自己的試驗研究成果以及國內(nèi)外已有的資料，歸納如下：混凝土不同尺寸、形狀試件的抗壓強(qiáng)度的比值關(guān)系：R?Φ45cm×90cm=0．82RΦ15×30cm：R?Φ45cm×90cm=0．69Re20cm：R?Φ45cm×90cm=0．65Re15cmR?Φ45cm×90cm=0．86Re45cmR?Φ15cm×30cm=0．88Re30cmR?Φ15cm×30cm=0．84Re20cmR?Φ15cm×30cm=0．80Re15cmR?Φ一表示圓柱體強(qiáng)度R?一表示立方體強(qiáng)度混凝土大試件：(Φ45cm×90cm)圓柱體或45cm×45cm×135cm棱柱體與小試件(10cm×10cm×60cm)的直拉強(qiáng)度的比值關(guān)系。(1)中國水電八局與河海大學(xué)為東江水電站做的混凝土大小試件直拉試驗結(jié)果比值為0．66；(2)中國成勘院科研所為二灘水電站大壩混凝土的大小試件直拉強(qiáng)度比值為0．60(骨料為正長巖)；(3)中國水科院為二灘水電站大壩混凝土做的大小試件直拉強(qiáng)度比值為O．551；(4)中國成勘院為錦屏一級水電站砂巖骨料混凝土大小試件直拉強(qiáng)度比值為0．539。由以上試驗資料說明混凝土大試件(骨料最大粒徑為150mm)與濕篩后的小試件，其直拉強(qiáng)度的比值在0．54～0．66之間，平均為0．5875，這主要是由骨料的巖性不同，大試件成型工藝、量測的方法等有差異所致。2．2混凝土在復(fù)雜受力狀態(tài)下的強(qiáng)度為了掌握混凝土在多軸受力狀態(tài)下的強(qiáng)度特性，特別是模擬拱壩的復(fù)雜受力狀態(tài)，許多國家都展開過試驗研究，作者結(jié)合國家“七五”科技攻關(guān)一混凝土容許應(yīng)力，專門研制成了多功能的真三軸裝量，可以在壓力機(jī)上進(jìn)行雙向受壓、三向受壓、一向拉另一向壓以及拉一壓一壓等混凝土應(yīng)力應(yīng)變的試驗研究，部分結(jié)果如下：2．2．1混凝土立方體單軸受壓破壞形態(tài)由于傳壓板與混凝土試件之間存在著較大的摩擦力(f≈0．42)，試件破壞時，呈現(xiàn)剪裂型，破壞面與水平軸的夾角約為45°。當(dāng)在傳壓板與混凝土試件之間放人二層減摩材料之后，由于摩擦力很小(f=0．03)，試件的破壞幾乎呈剪拉型，其破壞面與荷載平行方向拉剪開。有減摩材料墊層的混凝土立方體單軸抗壓強(qiáng)度比無減序材料的相同試件強(qiáng)度低得多，大約只有無減摩材料抗壓強(qiáng)度的54％～56％，平均為55％。由此看來，無減摩墊層立方體混凝土試件的單軸抗壓強(qiáng)度沒有完全反映出材料的真實強(qiáng)度，比真實的強(qiáng)度高很多，這在使用時必須要打折扣。如果試件不是立方體，而是棱柱體，其高度H比斷面寬度B大幾倍時，這時傳壓板與混凝土試件接觸面所產(chǎn)生的摩阻力的復(fù)雜應(yīng)力不致于影響到試件的中間部位，棱柱體試件的單軸抗壓力強(qiáng)度必定要比立方體試件的強(qiáng)度低得多，而且隨著立方強(qiáng)度提高，棱柱體與立方體的強(qiáng)度比值越小，Graf和A?A?rB03ДeB做了大量的棱柱體與立方體之間的抗壓強(qiáng)度關(guān)系，并給出了經(jīng)驗公式，他們用的立方體試件為10cm×10cm×10cm、15cm×15cm×15cm和20cm×20cm×20cm，而相應(yīng)的棱柱體試件分別為10cm×10cm×30cm，15cm×15cm×(45cm～60cm)以及20cm×20cm×60cm進(jìn)行抗壓強(qiáng)度對比試驗，所建立的棱柱體抗壓強(qiáng)度Ra與立方體的抗壓強(qiáng)度R的關(guān)系如下：作者試驗的混凝土立方體有減摩的單軸抗壓強(qiáng)度，只有尤減摩的54％～56％，它似乎可以反映，棱柱體與立方體抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。2．2．2長期荷載作用下混凝土強(qiáng)度長期荷載與瞬間荷載對混凝土強(qiáng)度影響很大，試驗室內(nèi)施加給試件的荷載時間很短，加荷速度一般控制在每秒3～5kg／cm2，即如對15cm立方體試件，每秒鐘加荷速度為1t，而建筑物是承受長期荷載作用下的，對抗壓強(qiáng)度在400kg／cm2左右的試件，只需100秒(約1分鐘40秒)即可使試件破型。這樣瞬間加荷試件破型，其強(qiáng)度比長期持續(xù)荷載或緩慢加荷得到的強(qiáng)度要高很多。(1)RUSCH的研究表明混凝土在長期荷栽作用下的抗壓強(qiáng)度只有瞬時(10分鐘)荷載作用的80％；(2)朱伯芳院士認(rèn)為“同樣的混凝土試件，如果用常規(guī)速度加荷強(qiáng)度為P，那末施加0．9P，到1h左右破壞；施加0．77P，1年左右破壞；施加0．7P，30年左右破壞；(3)SidneyMindess和FrancisYouny的研究認(rèn)為，當(dāng)長期荷載維持為短期荷載的75％或更多一些時，混凝土最終將被破壞。(4)前蘇聯(lián)建筑法規(guī)CHNⅡ2．06．06－85規(guī)定，可靠性系數(shù)rt=1．3，即長期荷載強(qiáng)度為短期強(qiáng)度的77％；(5)美國J?A?Veltrop提供的資料表明，地震速度下的混凝土抗壓強(qiáng)度比正常試驗荷載下的混凝土抗壓強(qiáng)度增加38％，彈性模量增高33％；(6)Jerome?Raphael對美國西部五個大壩取芯的試驗結(jié)果表明，快速(地震)速率下的抗壓強(qiáng)度比正常的試驗荷載速度下的抗壓強(qiáng)度提高31％，直拉強(qiáng)度提高66％，劈拉強(qiáng)度提高45％；(7)長期荷載下的混凝土抗拉強(qiáng)度可為正常速度加荷抗拉強(qiáng)度的85％(河海大學(xué)林毓梅教授的試驗資料為88％～9O％)：(8)綜上各家試驗研究資料，作者認(rèn)為，對于百年以上使用壽命的高拱壩混凝土，長期荷載(大于100年)與正常試驗荷載抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，宜取小于O．70。2．2．3混凝土的不連續(xù)點(diǎn)強(qiáng)度國外許多試驗研究資料說明，混凝土單軸受壓下的不連續(xù)點(diǎn)強(qiáng)度為其極限強(qiáng)度的70％～90％，平均在75％左右，根據(jù)我們的試驗結(jié)果，單軸受壓不連續(xù)點(diǎn)強(qiáng)度以其極限強(qiáng)度的70％是偏于下限的。試驗表明，在應(yīng)力為極限強(qiáng)度的60％以內(nèi)時，應(yīng)力～應(yīng)變呈線性關(guān)系，混凝土內(nèi)部即使存在微裂縫，也是穩(wěn)定的；當(dāng)應(yīng)力超過60％的極限強(qiáng)度后，混凝土內(nèi)部的微裂縫才會逐漸擴(kuò)展；當(dāng)應(yīng)力超過70％極限強(qiáng)度后，裂縫將嚴(yán)重擴(kuò)展，逐漸進(jìn)入塑性狀態(tài)。隨著應(yīng)力的繼續(xù)增加，裂縫增多并擴(kuò)展貫通，裂縫體系失穩(wěn)而破壞，我國混凝土實用守則稱：“在加荷應(yīng)力不超過混凝土抗壓強(qiáng)度的50％～60％時，混凝土的應(yīng)力～應(yīng)變大體上呈線性關(guān)系”。這與我們的試驗結(jié)果相當(dāng)吻合，因此，在單軸受壓狀態(tài)下，混凝土的不連續(xù)點(diǎn)強(qiáng)度可定在其極限強(qiáng)度的60％～70％之間。在此范圍內(nèi)，混凝土處于準(zhǔn)彈性狀態(tài)，小于60％為彈性狀態(tài)，大于70％－則為塑性流變狀態(tài)。顯然，在設(shè)計中，選取混凝土不連續(xù)點(diǎn)強(qiáng)度取代極限強(qiáng)度，更接近于實際些。至于雙軸、三軸受壓的不連續(xù)點(diǎn)強(qiáng)度可取其極限強(qiáng)度锝70％－80％；單拉、拉壓、拉壓壓的不連續(xù)點(diǎn)強(qiáng)度為其極限強(qiáng)度的80％～90％。2．2．4多軸受力狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度(1)雙軸受壓時混凝土的強(qiáng)度：我們的試驗結(jié)果表明，無論是試件大小，齡期長短，骨料品種和水泥種類之不同，雙軸受壓強(qiáng)度都比單軸強(qiáng)度高，其抗壓強(qiáng)度(以雙軸強(qiáng)度σ1與單軸有減摩后的強(qiáng)度σ0的比值表示，即σ1／σ0)提高的幅度隨著側(cè)向壓力σ2與單軸強(qiáng)度σ0比值σ(2／σ2)的變化而略有所不同，有70％以上的試驗資料表明σ1／σ0＝1．3～1．6之間，而當(dāng)σ2／σ0≥0．40之后，σ1／σ0值的變化不大，在有極少的σ1／σ0值在到達(dá)一個峰值后略有減少。無減摩的雙軸拉壓強(qiáng)度比有減摩的抗壓強(qiáng)度平均增大42％。根據(jù)試驗資料，對雙軸拉壓強(qiáng)度用以下公式計算：當(dāng)σ1／σ0≤O．35時，σ1／σ0=1+σ2／σ0…………④當(dāng)σ2／σ0σ1／σ0＝1．35…………⑤(2)三軸受壓時混凝土的強(qiáng)度：在等對稱壓力的三軸受壓狀態(tài)下，三軸應(yīng)力σ1隨著側(cè)向壓力σ2=σ31為單軸抗壓強(qiáng)度σ0的1．10～2．00之間比較合適。將試驗資料進(jìn)行回歸分析，得到以下三軸抗壓強(qiáng)度表達(dá)式：σ1／σ0=1+3．67(σ3／σ0)0．717…⑥(3)拉壓或拉壓壓狀態(tài)下混凝土強(qiáng)度混凝土試件在拉壓狀態(tài)下，其抗壓強(qiáng)度隨著抗拉強(qiáng)度的提高而降低，反之抗拉強(qiáng)度隨抗壓強(qiáng)度的提高而降低，其表達(dá)是如下：σlp――拉壓或拉壓壓狀態(tài)的抗拉強(qiáng)度σt―一單軸抗拉強(qiáng)度σ3――最小主壓應(yīng)力σ0――單軸抗壓強(qiáng)度2．3混凝土的容許使用強(qiáng)度通過對上述試件尺寸、受力狀態(tài)、加荷速度的防真試驗研究分析，以及對混凝土不連續(xù)點(diǎn)強(qiáng)度的試驗確定，得到以下各式表達(dá)混凝土的容許使用強(qiáng)度。(1)受壓和拉壓狀態(tài)的混凝土容許使用強(qiáng)度[]σe[σe]≤Rc?Tc?Ne?Jc式中：[σe]與混凝土容許使用抗壓強(qiáng)度；Rc為混凝土試件Φ45×90cm的單軸抗強(qiáng)度；Tc為長期荷載與短期荷載的抗壓強(qiáng)度比值，取0．70；Nc為不連續(xù)點(diǎn)強(qiáng)度，取0．70：雙軸、三軸受壓取0．80；拉壓、拉壓壓取O．90；Jc與應(yīng)力組合系數(shù)，J1為單軸受壓應(yīng)力組合系數(shù)取1．0；J2為雙軸受壓應(yīng)力組合系數(shù)，在1．05―1．35之間；J3為三軸受壓應(yīng)力組合系數(shù)，在1．05～2．00之間；J4為拉壓、拉壓壓應(yīng)力組合系數(shù)，在0．97～0．50之間按J4=1-σ3／σ0選取。(2)抗拉和拉壓狀態(tài)的混凝土抗拉容許使用強(qiáng)度[σ1][σt]≤Rt?Tt?Nt?Jt……⑨式中：RT為45×45cm斷面的棱柱體或Φ45cm圓柱體單軸抗拉強(qiáng)度；Tt為長期持荷載與短期荷載的單軸抗拉強(qiáng)度的比值，取0．85；Nt為不連續(xù)點(diǎn)強(qiáng)度，取0．90；Jt為拉壓、拉壓壓應(yīng)力組合系數(shù)，按J．=1-σ3／σ0選取。利用式(7)和式(8)可以計算單軸受壓、單軸受拉、雙軸、三軸受壓以及拉壓等受力狀態(tài)下，不同試件尺寸、形狀的混凝土容許使用強(qiáng)度。只要設(shè)計計算的應(yīng)力小于容許使用強(qiáng)度[σe]和σt混凝土的強(qiáng)度即是在應(yīng)力方面處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。例如，單軸受壓狀態(tài)的混凝土容許使用強(qiáng)度簡化為[σe]=Be?Re；單軸受拉狀態(tài)的混凝土容許使用強(qiáng)度可簡化為[σt]=Bt?Rt。應(yīng)用上述簡化公式可以得到常用試件的βe和βt值如下：Φ45×90cm圓柱體的βe=0．525，βt=0．763(軸拉)Φ15×30cm圓柱體的βe=O．402，βt=0．505(劈拉)15×15×15cm立方體βe=0．318，βt=o．505(劈拉)如果我們使用的試件尺寸為15×15×15cm立方體的混凝土強(qiáng)度作為設(shè)計依據(jù)，那末即使抗壓強(qiáng)度達(dá)到50MPa，其可容許使用的抗壓強(qiáng)度只有15．9MPa(50×0．318)。200m以上的高拱壩，用拱梁分載法計算，它的最大主壓應(yīng)力可達(dá)10．MPa左右，那末它的實際安全系數(shù)只有1．59。同樣用這種試件得到抗拉強(qiáng)度4．0MPa的話，那末它可被容許使用的抗拉強(qiáng)度為2．02MPa，如果計算的壩體拉壓力超過2．02MPa，大壩就必定會出現(xiàn)開裂。二灘拱壩混領(lǐng)土，分為A、B、C三個區(qū)，A區(qū)出機(jī)口檢測的180d齡期，20cm立方體試件的平均抗壓強(qiáng)度為56MPa，B區(qū)為51．77MPa，C區(qū)為49．94MPa，采用中Φ15ecmx30cm試件的劈拉強(qiáng)度分別為4．23MPa，4．12MPa，4．01MPa三個區(qū)的水膠比分別為0．447、0．467和0．486；膠材用量(粉煤灰占30％)分別為190kg／m3，182kg／m3和175kg／m3。大壩應(yīng)力計算，采用拱梁分載法，基本荷載組合時，下游面的最大主壓應(yīng)力為8．36MPa，最大主拉應(yīng)力為－1．0MPa(在上游面)特殊荷載組合時，最大主壓應(yīng)力為9．74Mpa，最大主拉為－1．16Mpa。二灘拱壩混凝土的設(shè)計安全系數(shù)K值，若以實際的檢測強(qiáng)度除以計算的最大主壓應(yīng)力，分以下2種情況取值：第一，按保證率為85％，Cv值≤0．128基本荷載組合的設(shè)計安全系數(shù)K=5．064；特殊荷載組合的設(shè)計安全系數(shù)K=4．346；第二，按保證率為90％，Cv值≤0．128基本荷載組合的設(shè)計安全系數(shù)K=4．893；特殊荷載組合的設(shè)計安全系數(shù)。K=4．199．一些已建成的200m以上高拱壩的混凝土抗壓強(qiáng)度，一般都超過50MPa，瑞士莫瓦桑雙曲拱壩(250．5m高)，鉆芯的抗壓強(qiáng)度為54．7MPa，伊朗卡比爾雙曲壩(200m高)平均抗壓強(qiáng)度達(dá)55MPa瑞士的康格拉(220m高)90d齡期設(shè)計抗壓強(qiáng)度45MPa推算到180d的保證強(qiáng)度至少在58MPa以上。因此，對于高拱壩混凝土的抗壓強(qiáng)度應(yīng)在50MPa以上。3混凝土的耐久性問題所謂混凝土耐久性，是指用該種混凝土建筑物的混凝土在正常情況下的使用壽命。大壩一般要求正常運(yùn)行100年以上，對于重要的混凝土大壩，特別是混凝土高拱壩要求能正常運(yùn)行150年或200年以上。影響混凝土耐久性的因素很多，諸如荷載變化(地震荷載)，大壩巖基參數(shù)變化、口曬雨淋、水流沖刷、水流氣蝕、大氣驟然變化、凍融循環(huán)、滲漏融蝕、有害水質(zhì)侵蝕、水位變化區(qū)干濕循環(huán)、有害的裂縫、混凝土老化、碳化、化學(xué)反應(yīng)破壞、結(jié)構(gòu)物的疲勞荷載、以及所使用的混凝土原材料品質(zhì)、配合比優(yōu)劣和施工質(zhì)量等。簡言之，混凝土的破壞，除了力學(xué)破壞之外，還有物理的、化學(xué)的破壞作用，混凝土對抵抗力學(xué)的承載能力，通過計算和模型試驗，相對來說較能夠量化，但仍有相當(dāng)?shù)牟糠忠款惐群徒?jīng)驗。至于物理的、化學(xué)的破壞作用，比較難以用算學(xué)的方法確定。一般都要做大量的室內(nèi)和現(xiàn)場實驗，要積累大量的實際工程經(jīng)驗，建立室內(nèi)試驗和實際工程的(包括現(xiàn)場實驗)相關(guān)關(guān)系，以此提出相對的耐久性指標(biāo)?，F(xiàn)時在規(guī)范中能用具體指標(biāo)表示耐久性的有：抗凍性、抗?jié)B性和極限拉伸值(抗裂能力之一)。其他影響耐久性的因素，要靠通過試驗相對的比較，以及通過采取施工措施予以解決。3．1混凝土的抗凍性是指混凝土試件在凍融循環(huán)作用下，以其動彈性模量下降至未凍融時的60％或重量損失為凍融前試件重量的5％時的凍融次數(shù)來表示。試件經(jīng)受凍次數(shù)越多，則其抗凍性越好，即表示這種混凝土的耐久性越好。要求混凝土建筑物使用壽命長，則在設(shè)計時，對混凝土的凍融指標(biāo)也應(yīng)該高，對拱壩的混凝土凍融指標(biāo)，應(yīng)高于重力壩，這是因為拱壩比重力壩薄得多，如果拱壩表面混凝土受到損害，它受到的耐久性影響比重力壩嚴(yán)重得多。大量的試驗資料和實際工程表明，抗凍融指標(biāo)高的混凝土，相對來說其它一些影響耐久性因素也可以得到解決。而某些抗凍融指標(biāo)低的混凝土，通過二、三十年的運(yùn)行，其表層10cm～100cm的混凝土已失去工作能力，需要挖除修補(bǔ)。關(guān)于高拱壩混凝土抗凍融指標(biāo)的確定問題，我國《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》DL5108－1999，對大壩混凝土抗凍等級有具體規(guī)定，而拱壩設(shè)計規(guī)范《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)程》SD115―85對此尚沒有專門的具體規(guī)定，只是參照《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。根據(jù)已有的工程經(jīng)驗，建議拱壩混凝土的抗凍指標(biāo)如下：如果將重力壩設(shè)計規(guī)范的大壩混凝土抗凍等級，從高到低分為A、B、C、D、E級，對于拱壩來說，應(yīng)按其不同壩高選取，即：壩高低于100m選取D級；壩高100m至150選取C級；壩高大于150m小于200m選取B級；壩高大于200m的選取A級，無論選取那一級，其抗凍等級都不能低于F100，這樣才能保證混凝土的耐久性。為了配制抗凍等級高的混凝土，必須要摻引氣劑，試驗表明，摻入引氣劑的混凝土，它的氣泡細(xì)小，互相封閉，不僅有利于提高耐久性，而且還有利于改善混凝土的和易性，減少用水量．摻了引氣劑的混凝土，動融300次后的相對動彈性模量仍大于95％，而沒有引氣劑混凝土，只動融75次，其相對動彈性模量就達(dá)到了容許的規(guī)定值(60％)。二灘高拱壩混凝土，由于摻入了引氣劑，其抗凍等級很容易達(dá)到了F250以上，國外某些高拱壩混凝土的抗凍指標(biāo)有的要求很高，如1965年建成的瑞士康特拉雙曲拱壩(220m)表面混凝土的抗凍融性能要求大于1000次。3．2混凝土的抗?jié)B性是指混凝土在水壓力下抵抗水的滲透能力，我國用抗?jié)B等級表示，抗?jié)B等級越大，說明水滲透過混凝土的能力越小，表明耐久性越好；同外用滲透系數(shù)來表示混凝土的抗?jié)B能力，滲透系數(shù)越大，說明水的滲透過混凝土的能力越大，表明混凝土的耐久性越差。據(jù)水利電力部水工混凝土耐久性調(diào)查的資料表明，耐久性差的混凝土由于水的滲透，將混凝土中的Ca(OH)2，(以Ca量計算)被融山25％時，混凝土的抗壓強(qiáng)度下降50％；當(dāng)融出量超過33％時，混凝土將完全失去強(qiáng)度而松散破壞。摻入引氣劑的混凝土對抗?jié)B能力的提高有很明顯的作用。有關(guān)試驗表明，混凝土中的含氣量4．8％以上時，其滲透系數(shù)只有不摻引氣劑混凝土的1／5。我國重力壩設(shè)計規(guī)范，對大壩混凝土抗?jié)B等級足以水力坡降i來確定的，水力坡降小選取的抗?jié)B等級也小，壩體內(nèi)部混凝土的抗?jié)B等級不小于W2，而壩體其他部位的抗?jié)B等級從水力坡降i≤10選取不小于w4到i≥50選擇不小于等于w10。而美國務(wù)局規(guī)定大壩混凝土的抗?jié)B性能采用滲透系數(shù)k≤0．15×10-8cm／s，它相當(dāng)于我國抗?jié)B等級w12，顯然美國對大壩混凝土的抗?jié)B性能要求是比較嚴(yán)格的。對高拱壩混凝土的抗?jié)B性能應(yīng)高于重力壩，200m以上的高拱壩，其混凝土的滲透系數(shù)應(yīng)小于1．5×10-9cm／s，或相當(dāng)于大于抗?jié)B等級w12。二灘拱壩混凝土180d齡期的室內(nèi)試驗，大試件(Φ45×45cm)全級的滲透系數(shù)小于0．691×10－9cm／s；而濕篩后的小試件(Φ15×15cm)的滲透系數(shù)小于0．468×10cm／s，抗?jié)B等級>w12。大試件的滲透系數(shù)是小試件滲透系數(shù)的1．37～1．5倍。二灘大壩鉆孔壓水試驗檢測結(jié)果表明，A區(qū)的吸水率為0；B的滲透系數(shù)K=O．957×10－10cm／s，相當(dāng)于大于w15；c區(qū)的吸水率為0．3lu，說明二灘大壩混凝土的抗?jié)B能力是很高的。3．3混凝士的極限拉伸值它是混凝土抗裂能力的重要指標(biāo)之一，混凝土拉伸值εp越大，抗裂能力越高，大壩裂縫的出現(xiàn)就少。因此，εp也是混凝土耐久性的重要指標(biāo)，我國混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范，對常態(tài)混凝土28d齡期的極限拉伸值不低于0．85×lO-4。影響混凝土極限拉伸值的因素主要有水膠比，齡期、骨料性能和膠凝材料的摻合料(如粉煤灰)品質(zhì)及摻量等，對于高拱壩混凝土的極限拉伸值應(yīng)高于重力壩的要求．但有的拱壩所處的環(huán)境不同，由于骨料要依靠壩區(qū)附近獲得，而這些骨料特性，要配制較高的極限拉伸值，往往需要減小水膠比，增加膠凝材料用量，綜合比較不能過份的提高對極限拉伸值的要求，要采取其它工程措施來防止裂縫的發(fā)生。二灘拱壩混凝土的骨料為人工破碎的正長巖，其90d齡期的極限拉伸值大于1．0×10-4?；炷恋哪途眯院蛷?qiáng)度，決定于原材料的質(zhì)量、水膠比、配合比、施丁質(zhì)量和混凝土的齡期等，在混凝土原材料、施工質(zhì)量、水膠比(相同齡期)三者中，水膠比是核心。因此，在拱壩設(shè)計中的混凝土容許的最大水膠比應(yīng)有嚴(yán)格的限制，對于高拱壩的水膠比不應(yīng)大于0．50。如二灘工程實際的水膠比最大為0．486，意大利的瓦依昂拱壩最大水膠比為0．46，格魯吉亞的英古里拱壩的最大水膠比為0．45。一些國家對大壩外部混凝土的水膠比也有嚴(yán)格的規(guī)定，如美國為O．45左有，日本為0．40～0．45，意大利為0．44～O．50。對混凝土水膠比的限制，不僅是為了滿足，抗凍、抗?jié)B需要，同時也可提高其強(qiáng)度，特別是早期強(qiáng)度和抗裂能力。提高抗水流沖刷、磨損、抗侵蝕、抗碳化、抗氣蝕等，對高拱壩