澆筑溫度對(duì)碾壓混凝土重力壩溫度應(yīng)力的影響

尉陽陽

中國水利水電第四工程局有限公司，青海西寧 810000

碾壓混凝土重力壩在施工時(shí)，將質(zhì)地非常硬的混凝土使用土石壩碾壓技術(shù)，進(jìn)行平倉、填筑成壩。由于施工時(shí)充分地吸收了土石壩施工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，因此，該水利壩體在施工時(shí)所需的用水量和凝膠材料相對(duì)較少，花費(fèi)的施工成本低，施工人員可以在較短的時(shí)間內(nèi)快速完工。但是在施工階段由于氣候、溫度等因素的影響，使得澆筑混凝土的溫差較大，導(dǎo)致材料會(huì)發(fā)生伸直或者收縮表現(xiàn)，進(jìn)而使得材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)混凝土材料中的拉伸值低于該種應(yīng)力值后，即就會(huì)造成水壩混凝土結(jié)構(gòu)變形、裂縫等問題。本文的研究，選取我國西南某地的一處碾壓混凝土重力壩作為研究對(duì)象，通過有限元軟件對(duì)混凝土澆筑溫度進(jìn)行仿真計(jì)算，使得溫度應(yīng)力和混凝土結(jié)構(gòu)的拉伸值之間處于平衡的狀態(tài)下，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水壩高質(zhì)量、高效率的施工建設(shè)。該重力壩位于我國的廣西省，總高程和壩高需要達(dá)到240m和140m，壩體的大部分區(qū)域使用碾壓混凝土施工，基底層應(yīng)用常態(tài)混凝土來施工，此外，碾壓混凝土還應(yīng)用在水壩的防滲層中。由于碾壓混凝土重力壩在施工時(shí)的碾壓層較多，因此在施工方案中明確規(guī)定每層的厚度控制在40cm，經(jīng)過八、九層的碾壓施工后，需要停工一周左右的時(shí)間。該項(xiàng)目施工的時(shí)間從當(dāng)年的1月開始，直至當(dāng)年的12月結(jié)束，基底層的施工時(shí)間在1月份，后面即可開始?jí)误w的混凝土澆筑施工，直至6月停工，10月繼續(xù)進(jìn)行施工直至在工期內(nèi)完成重力壩的全部施工。

1 碾壓混凝土重力壩降溫分析

重力壩在施工時(shí)，需要借助于碾壓設(shè)備來對(duì)混凝土進(jìn)行大面積的碾壓作業(yè)，使用的水泥量較少，以此在水化熱反應(yīng)少的情況下使得溫差可以控制在較低的程度，進(jìn)而保證混凝土的質(zhì)量。重力壩的溫度應(yīng)力，在項(xiàng)目施工的全過程中在3個(gè)階段中均有存在：首先為早期應(yīng)力。該種應(yīng)力開始于澆筑作業(yè)的起始階段。在澆筑作業(yè)完工和水泥放熱結(jié)束后，部分應(yīng)力遺留在結(jié)構(gòu)內(nèi)部。處于該時(shí)期的應(yīng)力具有以下的特點(diǎn)：重力壩施工使用的水泥，在水的混合作用下會(huì)放出大量的熱量，以此產(chǎn)生的溫度應(yīng)力無法及時(shí)有效的排出，導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度等性能降低，進(jìn)而在澆筑材料的表面上留有較多的裂縫[1]。同時(shí)，澆筑的物料處于彈性期時(shí)，受到外界應(yīng)力的影響，使得混凝土整體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。其次是中期應(yīng)力。產(chǎn)生于水放熱結(jié)束后，隨著混凝土熱量的逐步降低，聯(lián)合早期應(yīng)力共同對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行影響，直至混凝土溫度完全降低且穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)力會(huì)消失[2]。最后則為晚期應(yīng)力。在氣候、水文條件的影響下，使得澆筑溫度在穩(wěn)定狀態(tài)下的混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力會(huì)發(fā)生變化，在早期、中期殘余的應(yīng)力聯(lián)合作用下，造成重力壩混凝土結(jié)構(gòu)的諸多問題。

2 仿真計(jì)算概述

在對(duì)碾壓混凝土重力壩溫度應(yīng)力的控制中，需要對(duì)應(yīng)力進(jìn)行仿真計(jì)算。具體的步驟包括：首先，構(gòu)建三維仿真計(jì)算模型。本次仿真計(jì)算中使用的軟件為ANSYS有限元軟件，將整體的壩體結(jié)構(gòu)劃分為一個(gè)個(gè)區(qū)域較小的單元，在其中輸入施工相關(guān)參數(shù)（施工日期、澆筑溫度）進(jìn)行假定性的應(yīng)力計(jì)算，以此將獲得的施工各個(gè)結(jié)構(gòu)單元區(qū)域中存在的溫度應(yīng)力進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算，獲得重力壩整體的溫度應(yīng)力[3]。其次，模擬不同的工況，得出對(duì)應(yīng)的溫度應(yīng)力。最后，分析溫度應(yīng)力受到澆注溫度產(chǎn)生的具體影響。

3 仿真計(jì)算原理、方法、參數(shù)

3.1 仿真計(jì)算原理分析

首先，溫度場(chǎng)計(jì)算原理。計(jì)算時(shí)依據(jù)能量守恒定律，在有限元軟件中假設(shè)一個(gè)包含有大量熱量的同性體（劃分為均勻的六面體），研究該結(jié)構(gòu)吸收、釋放、外界干擾的三者能量之間是否處于平衡狀態(tài)。計(jì)算后的溫度場(chǎng)需符合公式的要求。其次，應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算原理。根據(jù)得出的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，與碾壓后的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合，以此在仿真軟件中分析劃分出的各個(gè)單元結(jié)構(gòu)中的彈性應(yīng)力。計(jì)算公式為：。最后，徐變分析原理。重力壩的混凝土材料屬于非均質(zhì)材料，并非是重力壩施工時(shí)的最佳彈性材料。非均質(zhì)材料的性質(zhì)隨著使用坐標(biāo)的變化，導(dǎo)熱性也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，最終在荷載穩(wěn)定的狀態(tài)下材料會(huì)發(fā)生蠕變。通過徐變計(jì)算公式，即可得出蠕變的參數(shù)值，進(jìn)而降低溫度應(yīng)力[4]。

3.2 計(jì)算方法

水壩混凝土碾壓施工時(shí)間多需要在溫度較低的春秋冬季節(jié)來進(jìn)行，夏季氣候炎熱施工時(shí)的澆筑溫度過高。同時(shí)，在施工時(shí)每層碾壓混凝土施工的時(shí)間需要控制在7h左右，每次施工的層數(shù)超過9層以后，施工單位需停工一段時(shí)間，工期內(nèi)溫度較高時(shí)則需長時(shí)間停工，以此避開夏季的高溫[5]。因此，在模擬計(jì)算時(shí)，需要沿著壩體高度以網(wǎng)格狀劃分為區(qū)塊，結(jié)合溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、徐變計(jì)算公式，來對(duì)每層每個(gè)網(wǎng)格中的混凝土進(jìn)行計(jì)算，但是計(jì)算時(shí)的時(shí)間步長、運(yùn)行期步長時(shí)間有著較大的差異性，使得澆筑全過程中的溫度應(yīng)力計(jì)算工作量非常大。為了減輕計(jì)算量，加快應(yīng)力計(jì)算的效率，可以先對(duì)碾壓完工的混凝土層進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算，如果下層的應(yīng)力值較小時(shí)，可以將每個(gè)小網(wǎng)格進(jìn)行聯(lián)合形成大網(wǎng)格，以此減少計(jì)算的階點(diǎn)，獲得精度較高的溫度應(yīng)力，合理的對(duì)澆筑溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.3 計(jì)算參數(shù)

有限元軟件在應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等指標(biāo)的計(jì)算中，需要對(duì)該項(xiàng)目施工中涉及的各項(xiàng)參數(shù)值進(jìn)行把握，以此通過對(duì)參數(shù)的計(jì)算獲得合理的計(jì)算結(jié)果。首先，重力壩具體施工位置的氣溫參數(shù)。研究中選取的位于廣西的重力壩，所處區(qū)域氣候條件為亞熱帶氣候區(qū)，降雨量較多，但是每年干燥天氣的保持時(shí)間較長，夏季太陽的日照時(shí)間長，天氣非常炎熱，夏季溫度多在38℃以上。其次，混凝土材料配比參數(shù)。該重力壩施在進(jìn)行澆筑材料的配比時(shí)，選用的材料為硅酸鹽水泥和二級(jí)配混凝土等材料，這兩項(xiàng)材料在配比中分別要占據(jù)40%、30%的含量值。然后，水溫參數(shù)。重力壩施工中不同水位下，水的溫度各有不同，隨著水深的增加，溫度值會(huì)不斷的下降，同時(shí)下游水位較深，溫度也高于上游的水溫。最后，基巖溫度參數(shù)。施工區(qū)域的巖石層為白云質(zhì)灰?guī)r，質(zhì)地非常堅(jiān)硬，對(duì)巖石表面和下部的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可知溫度為17℃左右，隨著巖石深度的不斷增加，溫度會(huì)相應(yīng)升高。此外，還需要對(duì)混凝土、基巖的實(shí)際性能、溫度場(chǎng)等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以此在材料性能的基礎(chǔ)上，聯(lián)合影響澆筑溫度的參數(shù)，共同在軟件中對(duì)重力壩的施工情況進(jìn)行全面的分析。

4 計(jì)算結(jié)果分析

本次按照仿真計(jì)算三種原理計(jì)算公式，共分為兩種工況來分析影響：溫差下的澆筑溫度、停工期的澆筑溫度。重力壩壩體溫度的溫度場(chǎng)較為穩(wěn)定時(shí)，位于壩基底部和壩體上游區(qū)域的混凝土材料處于最低值，遠(yuǎn)低于上部和下游的溫度，導(dǎo)致水壩混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部和周邊區(qū)域之間存在著較大的溫差，產(chǎn)生較大的溫度壓力。并且位于水壩各個(gè)區(qū)域的溫度應(yīng)力在不同時(shí)間，有著不同的數(shù)值表現(xiàn)，因此，可以在重力壩中選取節(jié)點(diǎn)進(jìn)行溫度應(yīng)力的仿真計(jì)算。在施工工期較為接近的時(shí)期內(nèi)，以及施工中間停工的階段，水壩的最高溫度值隨著澆筑溫度發(fā)生著相應(yīng)的變化，澆筑溫度處于最低值時(shí)，最高溫度值和溫度應(yīng)力值均為最小值。但是澆筑溫度超過18℃之后，水壩本身的溫度會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，致使水壩結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常的變化表現(xiàn)。同時(shí)，此類工程施工期間停工時(shí)間有長短的區(qū)別，澆筑溫度較高時(shí)施工單位可以短暫的停工，以此使得重力壩可以在該階段進(jìn)行熱量的釋放排出處理，減少溫度應(yīng)力的干擾。在溫度較高的氣候條件下施工，由于每天混凝土施工也會(huì)產(chǎn)生較高的熱量，兩種熱量可以共同對(duì)重力壩的溫度應(yīng)力造成不良影響，因此，重力壩水利工程盡量要避免在夏季進(jìn)行施工，夏季炎熱天氣里可以長時(shí)間的停工，待到氣溫下降后再繼續(xù)施工。

5 結(jié)語

以碾壓技術(shù)處理的混凝土重力壩施工項(xiàng)目，為了減少由于溫度應(yīng)力所致的質(zhì)量問題，在溫度較高的季節(jié)時(shí)，在材料的澆筑施工中出現(xiàn)的應(yīng)力可以采用降溫手段，使得水化熱、混凝土受熱后造成的材料溫度升高情況進(jìn)行合理的控制，以此使得溫度應(yīng)力參數(shù)處于標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，提高重力壩基體和防滲層混凝土的質(zhì)量。

[1] 張澤眾.碾壓混凝土重力壩施工期溫控措施及溫度應(yīng)力優(yōu)化研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2015.

[2] 楚段段.寒潮作用下高海拔地區(qū)混凝土重力壩防裂措施研究[D].西寧：青海大學(xué)，2015.

[3] 楊海嬌.碾壓混凝土拱壩溫控仿真研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2014.

[4] 馬志遠(yuǎn).碾壓混凝土重力壩施工溫度控制問題研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2009.

[5] 張國新.碾壓混凝土壩的溫度應(yīng)力與溫度控制[J].中國水利，2007（21）：4-6.