基于加权因果分析图和AHP的混凝土闸墩裂缝质量管理

2021-11-10 12:24何福娟王荣荣

水利建设与管理 2021年10期

何福娟王荣荣郝鹏

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081)

混凝土闸墩的裂缝问题，一直都是国内外工程技术人员关注研究的重点，无论是裂缝的成因，还是裂缝处理都有激烈的讨论。通常来说，在闸墩施工期间，温度应力过大一般是导致混凝土闸墩产生裂缝的根本原因。虽然闸墩在运行期间的环境温度变化引起的温度应力问题一直以来受到很高的重视，但对于施工期，尤其是对施工初期变温场的分析研究，均不是施工全过程系统仿真，结构设计也大多未能在严格规范的项目质量管理的框架下进行，因此，对于混凝土闸墩的裂缝处理问题并没有一套科学完整的有效解决措施。

目前，水利水电工程项目防止裂缝的措施主要体现在材料选择、温度控制、施工方法和工艺、浇筑养护等方面。鉴于溢流坝工程的特殊性及重要性，有必要运用先进手段，定量分析混凝土闸墩裂缝产生的原因，并针对性地采取相应的对策。在严格的项目质量管理框架下进行质量管理，以便及时消除潜在的安全隐患，确保溢流坝泄洪系统安全可靠，以使其发挥应有的作用。因此，对混凝土闸墩裂缝处理问题的研究不仅可以为贵州省类似水利水电工程提供实际指导意义，也可为其他地区类似水利水电工程提供有效借鉴。

本文以沙沱水电站混凝土闸墩裂缝为例，对从高温到低温季节的转变时期出现的浅表层裂缝，采用加权因果分析图和层次分析法(AHP)进行问题溯源，找出要因，一方面为后续混凝土施工浇筑过程提供核心质量管控支撑；另一方面也为同类工程施工准备提供参考，做到提前预防。

1 项目概况

贵州省沙沱水电站主要以发电为主，同时兼顾航运、防洪及灌溉等任务。该水电站总库容9.21亿m3，装机容量112万kW，保证出力为322.9MW，多年平均发电量为45.52亿kW·h，单位利用时间为4056h。该水电站的主要组成部分包括碾压混凝土重力坝、坝体溢流面、左岸进水坝段、坝式厂房和右岸垂直升船机。

该水电站泄水建筑物由坝身溢流表孔和下游消能防冲建筑物等组成。坝身溢流表孔共有7个，布置在河床中部主河道上，溢流表孔尺寸为15.00m×23.00m(宽×高)，属国内同类工程中特大表孔之一。溢流表孔闸墩中墩厚5.00m，边墩厚4.00m，中墩总长度50.382m。

该水电站泄洪量大，孔口大，弧门瞬时启闭时，每个支铰承受荷载高达30500kN，巨大的水推力通过弧门集中在闸墩的支撑结构(闸墩锚块)上。在闸墩与锚块连接部位将形成大面积的拉应力区，闸墩受力复杂，当弧门单侧挡水时，闸墩最大拉应力达到6.23MPa，且拉应力区域大。混凝土采用普通的钢筋混凝土，不但钢筋数量多、间距密集难以布置，对施工造成很大困难，而且很难满足结构的抗裂或限裂要求。该水电站的预应力混凝土结构的设计是为了改善闸墩的应力状态，易于施工，便于保证工程质量，为工程的安全运行提供合理的技术措施。因此，本工程溢流坝闸墩采用预应力混凝土设计，溢流坝闸墩的中墩布置3000kN级预应力锚索42束，共6排，每排7束；每个边墩布置3000kN级预应力主锚索21束，共3排，每排7束。

2 项目质量管理问题分析

2.1 项目质量管理现状

该水电站在进入闸墩混凝土浇筑高峰期时，由于业主对工期的要求比较严格，为实现各节点工期要求，参建各方加大了闸墩混凝土浇筑力度，为工程的早日完工加班加点。但是在此期间，闸墩混凝土浇筑过程中，出现了若干条微小裂缝，影响到了工程质量。根据现场查看，出现的裂缝大部分为顺水流向发展，极个别裂缝为垂直水流向发展，且大部分属于浅表层裂缝。如果出现的裂缝没有得到有效的抑制并任由其发展，就很有可能发展成贯穿整个混凝土结构、影响结构稳定的贯穿性裂缝。

为了研究闸墩裂缝质量问题的现状，以及在施工中可能导致裂缝问题出现的原因，主要从以下三方面对项目质量管理现状进行调查及分析：闸墩裂缝分布现状、混凝土施工流程现状、混凝土施工时段气温现状。

a.闸墩裂缝分布现状。根据统计和调查现场闸墩的裂缝分布情况，一是可以判断在该项目中，闸墩裂缝的类型，二是可以根据裂缝类型，结合其他类似工程项目的调研情况，进行对比，获取有价值的参考经验。

经过现场调查，绘制该混凝土闸墩的裂缝分布图(见图1)。从裂缝统计结果来看，裂缝主要集中在上游溢流堰面和闸墩尾部，大部分裂缝均沿着浇筑块的短边发展，闸墩裂缝有顺水流方向和垂直水流方向两种，且裂缝大多为浅表型裂缝。

图1 沙沱水电站混凝土闸墩裂缝分布图

b.混凝土施工流程现状。在分析研究裂缝出现原因时，需要考虑在整个混凝土施工流程中，可能导致裂缝出现的任何一个环节，因此，需要对该项目中的混凝土施工流程进行详细剖析。根据现场调研及施工资料统计，该水电站闸墩混凝土浇筑流程如图2所示。

图2 沙沱水电站闸墩混凝土浇筑流程图

由图2可知，混凝土依次经过了拌和、运输、浇筑、养护过程，其中每个步骤均可能影响混凝土材料的结构及性能。因此，在分析闸墩裂缝出现的原因时，可以从混凝土浇筑流程的各个环节进行分析。

c.混凝土施工时段气温现状。混凝土施工主要在9月中旬到10月上旬，此施工时段气温见表1。

表1 施工时段气温统计表

2.2 项目质量管理问题分析

根据招标文件要求，该水电站混凝土浇筑工程的工期为10个月，在秋冬之际的施工高峰期，工程面临温度由高温到低温的季节转变，因此，出现了多数混凝土水电站建设过程中容易出现的混凝土裂缝问题，需要对该项目中的混凝土裂缝的性质进行判断，并就这一问题进行质量控制，以减少施工期闸墩的裂缝条数。

为了进一步掌握混凝土浇筑过程中出现裂缝的原因，通过对国内一些大中型水电站进行调研，得到一年内各施工时段单个坝段出现的裂缝条数统计表(平均值)(见表2)，图3为表2的对应饼分图。

图3 国内一些大中型水电站施工期间的裂缝条数统计饼分图

表2 一年内各施工时段单个坝段出现的裂缝条数统计表(平均值)

通过对以上裂缝统计进行对照，可以判断这些工程存在的共同点是：从高温到低温季节的转变时期裂缝出现概率较大，且这些裂缝均属于温度裂缝。综合本工程的裂缝统计结果及混凝土施工的时段为9月中旬至10月上旬，且9月18—23日气温降幅较大，经历了一次寒潮，因此，可以判断该工程中出现的裂缝属于温度转变时期出现的温度裂缝，即从高温到低温季节的转变时期裂缝出现较多。

3 基于加权因果分析图和AHP的混凝土闸墩裂缝质量管理模型

3.1 混凝土闸墩裂缝处理项目质量管理原因分析

通过现场勘察，资料梳理，集思广益，从质量控制五要素，即人的因素、材料因素、方法因素、机械设备因素和环境因素五方面出发，分析导致项目质量问题的原因。

结合2.1节中介绍的项目质量管理现状中的混凝土施工流程和混凝土施工时段气温资料，并调查相关技术和施工专家，从质量控制五要素出发，详细分析混凝土闸墩“从高温到低温季节的转变时期裂缝出现较多”的原因。其中，机械设备因素下没有明显影响项目质量问题的原因，因为该水电站的施工承建单位具备合格的建设资质，并同时配备有包括混凝土泵车、混凝土泵(拖泵、车载泵)、混凝土搅拌站、混凝土搅拌运输车等完整且先进的机械设备，机械设备的主要性能参数均能满足工程的需求，并已在许多工程中得到成熟运用。由于机械设备因素导致裂缝出现的可能性极低。因此，从人为的因素、材料因素、方法因素和环境因素四方面来寻找可能的原因。

根据以上四方面因素分析，绘制贵州省沙沱水电站混凝土闸墩裂缝处理项目中“从高温到低温季节的转变时期裂缝出现较多”这一问题的因果分析图，如图4所示。

通过原因分析，找到了“从高温到低温季节的转变时期裂缝出现较多”的12条末端原因，即培训时间少、绩效考核及奖惩机制不完善、责权制度不完善、频遇寒潮、对已浇筑混凝土养护和保温不到位、混凝土保湿不到位、未布置冷却水管、未布置监测仪器、未进行分仓浇筑、预冷费用高、混凝土拌和楼较远、普通水泥水化热较多。

3.2 层次分析法裂缝原因权重确定

a.构造层次分析结构。确定层次结构图的目标层、准则层和最底层，并结合图4中所示的因果分析图，将层次模型转换为因果分析图，如5所示。其中，目标层是解决从高温到低温季节的转变时期裂缝出现较多这一问题；准则层分为四个方面，即人的因素、环境因素、方法因素及材料因素；最底层是准则层四方面因素各自范畴内的具体因素。

图4 “从高温到低温季节的转变时期裂缝出现较多”因果分析图

b.各层指标数据统计结果。混凝土闸墩裂缝处理项目层次结构模型的准则层的指标为：人的因素、环境因素、方法因素、材料因素。准则层指标的权重是质量管理小组通过采访10名专家确定的，这些专家包括水利水电设计施工领域的专家、项目施工团队的核心管理人员、项目主要负责人等。通过收集他们的评分结果，用SPSS软件分析调查问卷结果的可信度，均取得可信结果，接着，对评分结果进行进一步的计算分析。

图5 贵州省沙沱水电站混凝土闸墩裂缝处理项目质量管理层次结构模型

c.各因素权重结果。通过各专家经验或判断打分和计算，结合计算结果，各因子的权重结果见表3。

从表3可以看出，从质量控制五要素的角度来看，贵州省沙沱水电站混凝土闸墩裂缝处理工程质量问题的主要原因是材料因素和方法因素。两者都对项目质量有很大影响，影响程度相近，权重分别为0.3884和0.3689；其次是环境因素，权重为0.1885；人的因素影响较小，机械设备因素几乎没有影响。从最终原因分解的角度来看，权重排在前四位的因素是普通水泥水化热较大、未布置冷却水管、对已浇筑混凝土养护和保温不到位、未进行分仓浇筑。其中属于方法因素的末端因素有两个，属于材料因素的末端因素有一个，属于环境因素的末端因素有一个。因此，本文主要针对这四个终端因素及其所属的因素类别提出合理的质量控制对策。

表3 各因子权重结果

根据类似工程经验，如果能够保证对已浇筑混凝土的养护和保温措施落实到位，及时应对各种不利天气变化的影响，混凝土面一般较少出现温度裂缝。因此，对已浇筑混凝土养护和保温不到位是要因之一。

3.3 混凝土闸墩裂缝处理项目质量加权因果分析图

结合3.1和3.2的分析内容，做出贵州省沙沱水电站混凝土闸墩裂缝处理项目质量管理的加权因果分析图，如图6所示。

图6 贵州省沙沱水电站混凝土闸墩裂缝处理项目质量管理的加权因果分析图

4 混凝土闸墩裂缝处理项目质量控制对策

根据前面的计算分析，导致贵州省沙沱水电站混凝土闸墩裂缝处理项目“从高温到低温季节的转变时期裂缝出现较多”的主要因素中，权重最高的四个因素为：普通水泥水化热较大、未布置冷却水管、对已浇筑混凝土养护和保温不到位、未进行分仓浇筑。针对这四种主要因素，分析这些因素导致温度裂缝出现的机理，并从质量管理的几大要素出发，对闸墩后续浇筑混凝土分别制定针对性的质量控制对策(见表4)。

表4 贵州省沙沱水电站混凝土闸墩裂缝处理项目的针对性质量控制对策

5 混凝土闸墩施工前的质量管控

加权因果分析图和AHP分析方法也经常应用于施工前的准备工作中，即对人、机、料、法、环五个方面的因素进行逐条罗列和分析预评价，找出制约混凝土施工质量的核心风险因素，将核心风险因素列表并逐条制定相关措施，特别是对关键核心因素责任落实到人，做好施工前的质量把控和事前预防。本工程若在施工准备期内即找到并制定闸墩混凝土裂缝的控制性措施，如结合工程区气候条件研究是否采用中热水泥、闸墩混凝土预埋通水冷却水管等，则可大幅度降低其开裂的概率，且将有利于缩短工程的工期。

6 结语

目前，在混凝土裂缝处理项目领域，质量管理研究相对较少，尤其是从定量研究的角度。本文的创新在于将工程质量管理的概念与具体的混凝土闸墩裂缝处理项目结合起来，在质量管理的框架内，运用定性与定量相结合的方法，使混凝土闸墩裂缝处理工程的研究成果更好地发挥其作用，及时消除潜在的安全隐患，确保泄水建筑物施工、运行的安全与可靠。对混凝土闸墩裂缝处理问题的研究不仅可为贵州省类似水利水电工程提供实际指导，也可对其他地区类似工程提供借鉴。