堆石混凝土壩澆筑倉施工期溫度場及應(yīng)力場研究

鐘佳

摘 要：基于遵義市茅坡水庫在建堆石混凝土大壩，實(shí)測其澆筑倉施工期的溫度及應(yīng)變的分布與變化，根據(jù)應(yīng)變分布和本構(gòu)關(guān)系，得到大壩的應(yīng)力場分布。數(shù)據(jù)顯示，每一倉堆石混凝土中層點(diǎn)溫度最高，中部沿堆石混凝土壩短邊方向應(yīng)力最大。

關(guān)鍵詞：堆石混凝土；現(xiàn)場實(shí)測；溫度場；應(yīng)力場

中圖分類號：TV544 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）11-0081-06

1 引言

堆石混凝土是在自密實(shí)混凝土技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型大體積混凝土，即使自密實(shí)混凝土在堆石體中流動充滿堆石體以形成完整的混凝土[1]。堆石混凝土大壩具有大量巨石，能夠吸收一部分自密實(shí)混凝土硬化產(chǎn)生的水化熱，達(dá)到減少大體積混凝土水化熱的目的[2]。

但是實(shí)際施工中，由于巨石的存在，堆石混凝土大壩的溫度分布是不確定的，混凝土應(yīng)變發(fā)展規(guī)律也是未知的；所以需要對堆石混凝土大壩的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行研究[3]，總結(jié)其分布規(guī)律以指導(dǎo)現(xiàn)場施工，減少由施工工藝不當(dāng)引起的溫度裂縫問題[4]。課題組依托遵義市茅坡水庫，通過實(shí)測數(shù)據(jù)，得出堆石混凝土施工期的溫度變化及應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。

2 實(shí)測方案

遵義市茅坡水庫位于新蒲新區(qū)新舟鎮(zhèn)綠塘村境內(nèi)湘江二級支流、湄江一級支流洛安江中游河段，屬于長江流域?yàn)踅?。為了保證堆石混凝土結(jié)構(gòu)的完整性，盡最大可能地減少有害裂縫的出現(xiàn)，實(shí)測實(shí)施“溫度應(yīng)變動態(tài)監(jiān)控”。本方案選用XHX-115型振弦式應(yīng)變傳感器和XHS-DS18型溫度傳感器，前者可同時(shí)進(jìn)行應(yīng)變和溫度監(jiān)控，后者可以對溫度進(jìn)行精確測量，具有精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

考慮到大壩的對稱性、澆筑厚度以及施工澆筑順序，共設(shè)置7個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，測點(diǎn)按上、中、下三層布置，上層測點(diǎn)稱為1點(diǎn)，中層測點(diǎn)稱為2點(diǎn)，下層測點(diǎn)稱為3點(diǎn)，大壩每倉澆筑高度2m，所以1點(diǎn)距離澆筑倉面300mm，2點(diǎn)距離澆筑倉面1000mm，3點(diǎn)距離澆筑倉面1700mm，連續(xù)測量3倉（標(biāo)高823m-829m，每倉澆筑高度2m）堆石混凝土大壩。其中第1倉和第2倉測量溫度與應(yīng)變，其中，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)上、下兩層布置一個(gè)溫度傳感器測量溫度，中層布置一個(gè)三向應(yīng)變計(jì)組測量應(yīng)變；考慮到對混凝土應(yīng)變測試值的修正，在每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置一個(gè)無應(yīng)力點(diǎn)。第3倉只測量溫度，分別布置在每個(gè)測點(diǎn)的上、中、下三層。監(jiān)測點(diǎn)位布置圖詳見圖1。

遵義茅坡水庫大壩施工溫度和應(yīng)變監(jiān)控從第一監(jiān)測倉（高程823m-825m）第一罐混凝土澆筑開始，直至第三監(jiān)測倉（827m-829m）澆筑完成至溫度、應(yīng)變趨于穩(wěn)定之后停止監(jiān)控，總共檢測周期60天左右?？紤]混凝土澆筑后以及養(yǎng)護(hù)初期，結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變變化較大，而后期變化則比較平緩，因此監(jiān)測頻率以前期高頻，后期低頻的原則進(jìn)行，具體的監(jiān)測周期以及頻率如表1所示。

3 數(shù)據(jù)修正

得到實(shí)測數(shù)據(jù)后，使用廠家提供的說明書里面的修正公式對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理修正。其中，最主要的修正以溫度修正為主，溫度修正的公式為：

（式3-1）

式中：

——i時(shí)刻的溫度，單位℃；

——選取的初始值的溫度，單位℃；

盡管使用溫度應(yīng)變器能夠測得應(yīng)變值，但由于混凝土隨著內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化以及水分增減的不同會產(chǎn)生一定的收縮與膨脹，而且在持續(xù)荷載的作用下產(chǎn)生一定的徐變，此外，混凝土本身經(jīng)受化學(xué)變化和再結(jié)晶，會隨著時(shí)間膨脹。也就是說，混凝土自身也將導(dǎo)致混凝土應(yīng)力的變化。

故使用無應(yīng)力桶來測量除外部荷載及徐變導(dǎo)致的應(yīng)變，即自身體積變形，如使用無應(yīng)力桶測得的應(yīng)變?yōu)棣艧o，其他應(yīng)變計(jì)測到的應(yīng)變?yōu)榭倯?yīng)變ε總，則混凝土的應(yīng)變?yōu)椋?/p>

ε=ε總-ε無 （式3-2）

4 溫度實(shí)測結(jié)果

根據(jù)溫控得到的溫度數(shù)據(jù)，分別作出第一倉A-G點(diǎn)、第二倉A-G點(diǎn)溫度監(jiān)控點(diǎn)的溫度曲線如圖2-圖14所示，第一倉F點(diǎn)儀器損壞，故無第一倉F點(diǎn)各層溫度曲線圖。

通過對各倉測點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線的分析，可以得出：

（1）所有測點(diǎn)溫度在混凝土澆筑后呈大幅度上升趨勢，最高溫度都出現(xiàn)在每一倉的中部點(diǎn)（D點(diǎn)和E點(diǎn)），并且會持續(xù)12h左右保持最高溫度不變。此后，溫度逐漸降低，但是下降幅度比較緩慢，在60d時(shí)，大部分測點(diǎn)的溫度均降到30℃以下，但是此時(shí)各倉中部點(diǎn)（D點(diǎn)和E點(diǎn)）溫度仍較高，主要是由于這兩個(gè)點(diǎn)處于中部，散熱條件較差，導(dǎo)致降溫緩慢。（2）對比第一倉D、E兩點(diǎn)，這兩點(diǎn)處于結(jié)構(gòu)中部點(diǎn)，溫峰值出現(xiàn)的時(shí)間、大小及曲線（圖5-圖6）波動幅度基本接近，規(guī)律與A、B、C三點(diǎn)間的規(guī)律相同之外，D、E點(diǎn)的上層點(diǎn)（1點(diǎn)）有一段上升階段，這是由于第二倉混凝土的澆筑完成之后，水化散熱導(dǎo)致第一倉上層點(diǎn)的溫度上升，溫度上升持續(xù)72h左右，上升溫度為4℃左右；這說明混凝土散熱影響深度超過300mm。中層點(diǎn)（2點(diǎn)）則無該現(xiàn)象。第二倉D、E兩點(diǎn)的規(guī)律與此類同。（3）對比第二倉F、G兩點(diǎn)（第一倉F點(diǎn)儀器損壞），這兩點(diǎn)均屬于下游面點(diǎn)，他們的各點(diǎn)曲線（圖13-圖14）溫升曲線基本一致，而且無論是溫峰值出現(xiàn)的時(shí)間、大小以及曲線的波動幅度基本接近，這些規(guī)律與上游點(diǎn)的A、B、C三點(diǎn)規(guī)律基本相同，說明在施工期階段，由于大壩尚未蓄水，在溫度發(fā)展規(guī)律上，上游面和下游面并無太大區(qū)別。

5 應(yīng)變實(shí)測結(jié)果

分別導(dǎo)出各應(yīng)變測點(diǎn)的應(yīng)變，經(jīng)過處理即扣除無應(yīng)力筒的部分值后，得到凈應(yīng)變數(shù)值，分別作出第一倉B-G點(diǎn)、第二倉A-G點(diǎn)的應(yīng)變曲線如圖15-圖26所示，其中X代表澆筑倉短邊方向，Y代表澆筑倉長邊方向，Z代表澆筑高度方向；第一倉A和F點(diǎn)應(yīng)變儀器部分損壞，數(shù)據(jù)不全，故不作圖。

通過對各倉測點(diǎn)的應(yīng)變-時(shí)間曲線的分析，可以得出：

（1）第一倉中應(yīng)變最大的是D點(diǎn)（約220με），其次為E點(diǎn)（約200με），第二倉中應(yīng)變最大的是D點(diǎn)（約240με），其次為E點(diǎn)（約220με）。這兩個(gè)點(diǎn)屬于結(jié)構(gòu)中部點(diǎn)，因溫峰值最高，故而結(jié)構(gòu)膨脹變化幅度較大，所以表現(xiàn)在應(yīng)變值上的數(shù)據(jù)最大。（2）峰值點(diǎn)出現(xiàn)的應(yīng)變方向是不同的，在D、E兩點(diǎn)，峰值應(yīng)變出現(xiàn)在Z方向，即澆筑高度方向，主要原因是因?yàn)樵擖c(diǎn)溫峰值最高，同時(shí)直接承受后澆倉混凝土的重力載荷，故而應(yīng)變最高，而在上游點(diǎn)A、B、C點(diǎn)和下游點(diǎn)F、G點(diǎn)，峰值應(yīng)變出現(xiàn)在X方向，即短邊方向，主要原因是因?yàn)閄方向有模板約束，在模板拆除以后，X方向應(yīng)變會迅速發(fā)展，導(dǎo)致X方向的應(yīng)變最大。

6 結(jié)語

每一倉堆石混凝土豎向溫度方面，中層點(diǎn)溫度最高，上下層溫度較低；上游面與下游面溫度分布規(guī)律在施工期表現(xiàn)一致，并無差異；每倉堆石混凝土中層溫度降低幅度明顯小于上下層點(diǎn)溫度降低幅度，中層點(diǎn)散熱困難，上下層散熱較好，其中上層點(diǎn)散熱條件最好；下一倉混凝土澆筑完成，會對上一倉混凝土表面層溫度產(chǎn)生影響，造成上一倉混凝土表面一定厚度范圍的混凝土溫度上升，但是對中間層和下層的溫度沒有影響。

由公式σ（t）=E（t）ε和應(yīng)變場推導(dǎo)出堆石混凝土壩澆筑倉高度方向的中部在施工期間的應(yīng)力場規(guī)律上游側(cè)和下游側(cè)的應(yīng)力是X方向最大，Y、Z方向次之，X、Y、Z方向應(yīng)力發(fā)展趨勢都是在一段時(shí)間之后達(dá)到其峰值，之后緩慢減小，隨著混凝土強(qiáng)度增加，逐漸保持平衡；結(jié)構(gòu)中部的應(yīng)力則是Z方向最大，X、Y方向次之，Z方向應(yīng)力緩慢增加到最大，然后隨著混凝土強(qiáng)度增加，緩慢減小，減小幅度很小，之后逐漸保持平衡；X、Y方向應(yīng)力則是在一段時(shí)間之后達(dá)到其最大值，然后緩慢減小，隨著下一倉混凝土澆筑完成，X、Y方向應(yīng)力會相應(yīng)變大，然后隨著混凝土強(qiáng)度增加，逐漸保持平衡。

參考文獻(xiàn)

[1]金峰，安雪暉，石建軍，張楚漢.堆石混凝土及堆石混凝土大壩[J].水利學(xué)報(bào)，2005（11）：78-83.

[2]Raphael M. The optimum gravity dam[A]. Proceedings of Conference on Rapid Construction of Concrete DamsI[C]. Asilomar，1970.

[3]徐俊，江昔平.堆石混凝土在大體積混凝土中的溫度場分析[J].混凝土，2013（07）：33-36.

[4]潘定才.堆石混凝土熱學(xué)性能試驗(yàn)與溫度應(yīng)力研究[D].清華大學(xué)，2009.