日溫差對(duì)碾壓混凝土大壩表面溫度應(yīng)力影響分析

王伶俐，任喜平

（1.西安思源學(xué)院,陜西 西安 710038；2.陜西引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司,陜西 西安 710010）

0 概況

碾壓混凝土薄拱壩施工期由于溫差的原因產(chǎn)生溫度裂縫現(xiàn)象向來(lái)是困擾著工程建設(shè),影響原因和產(chǎn)生過(guò)程錯(cuò)綜復(fù)雜,根據(jù)裂縫產(chǎn)生的原理,工程人員基本認(rèn)為溫度荷載是產(chǎn)生裂縫的關(guān)鍵機(jī)理[1],遏制此類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生最有效的手段是從溫度的控制方面出發(fā),避免碾壓混凝土結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的溫度大幅變化。

壩址區(qū)氣溫的變化能使碾壓混凝土壩體表面、外漏面的相應(yīng)溫度同時(shí)產(chǎn)生改變,而大壩碾壓混凝土里層溫度受外界氣溫的影響一般比較小,混凝土內(nèi)部和外部溫度發(fā)生的變化不同,同時(shí)由溫度變化產(chǎn)生的變形不同,伴隨著相應(yīng)的不同變形出現(xiàn)額外的應(yīng)力,這樣的混凝土應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度以后出現(xiàn)相應(yīng)的拉裂裂縫[2],一般在壩體表面1 m~3 m 深度,壩體表面的裂縫經(jīng)過(guò)演變有可能產(chǎn)生貫穿性裂縫,對(duì)大壩的安全產(chǎn)生一定的影響,所以分析探討日溫差對(duì)壩體碾壓混凝土溫度場(chǎng)的作用十分必要[3]。本文以三河口水利樞紐碾壓混凝土薄拱壩為例,采用ANSYS 有限元軟件仿真模擬大壩的分層澆筑、表層養(yǎng)護(hù)、外界氣溫變化和壩體本身混凝土材料特性的改變過(guò)程,分別取日溫差為10℃、15℃和20℃ 進(jìn)行,計(jì)算不同齡期、和采用無(wú)保護(hù)措施、聚苯乙烯泡沫等效放熱系數(shù)為β=5 kJ/（m2?h?℃）、7 kJ/（m2?h?℃）保護(hù)三種工況下的的溫度應(yīng)力,為類(lèi)似大壩的溫控設(shè)計(jì)、施工措施選擇起到參考作用。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭的三河口水利樞紐是調(diào)水工程的調(diào)節(jié)中樞,具有自流供水、可逆機(jī)組抽水儲(chǔ)備水、發(fā)電等綜合效益和功能,大壩為一座大（Ⅱ）型碾壓混凝土雙曲拱壩,河床壩段的壩體原設(shè)計(jì)高度145 m,在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工中根據(jù)壩基開(kāi)完過(guò)程揭露的地質(zhì)情況抬高了3.5 m,實(shí)際最大壩高141.5 m,在同類(lèi)型壩型中高度位于國(guó)內(nèi)第二,壩體頂部弧長(zhǎng)369 m,河床段壩體壩基37 m,其余壩段均為岸坡段壩體,工程大壩主體、消力塘及導(dǎo)流洞封堵等大體積混凝土總量約為109.8 萬(wàn)m3,其中碾壓混凝土約為90.68 萬(wàn)m3。根據(jù)壩址區(qū)2011年~2016年各月日溫差可知：

（1）本地區(qū)氣溫變化幅度較大,天數(shù)多,全年日溫差大于等于10℃的平均達(dá)205 天,大于等于15℃的平均有78 天,大于等于20℃的平均有6 天。日溫差ΔT ≥10℃、15℃、20℃發(fā)生的次數(shù)占全年的百分比分別為56.2%、21.4%和1.6%。

（2）2011年~2016年的6年間,日溫差大于等于20℃的天數(shù)總共有35 天,其中日溫差為20℃的天數(shù)有24 天,日溫差為21℃的天數(shù)有7 天,日溫差為22℃的天數(shù)有2 天,日溫差為23℃的天數(shù)有2 天,最大日溫差23℃。日溫差ΔT 為20℃、21℃、22℃、23℃發(fā)生的次數(shù)占全年的百分比分別為1.1%、0.3%、0.09%和0.09%,可以認(rèn)為全年幾乎不會(huì)出現(xiàn)日溫差大于22℃的天氣。

（3）日溫差ΔT ≥15℃發(fā)生的月份主要集中在10 月~翌年6 月,特別是3 月~5 月,出現(xiàn)日溫差較大的天數(shù)較多。

2 計(jì)算處理

2.1 不穩(wěn)定的溫度場(chǎng)

在求解的區(qū)域R 范圍內(nèi)的任意一個(gè)位置,不斷變化的溫度場(chǎng)取值T（x,y,z,t）能夠適合熱傳導(dǎo)方程：

式中：T 為溫度值,℃；? 為導(dǎo)溫系數(shù)值,m2/h；為混凝土相應(yīng)的絕熱溫升值,℃；t 為時(shí)間數(shù)值,d；τ為齡期值,d。

通過(guò)變分的理論對(duì)表達(dá)式（1）使用空間域進(jìn)行離散處理、時(shí)間域進(jìn)行差分處理,引進(jìn)開(kāi)始的前提和邊界條件之后,可以通過(guò)差分處理的溫度場(chǎng)有限元求解表達(dá)式。通過(guò)敷設(shè)冷卻水管來(lái)降低混凝土溫度,按照傅立葉的熱量傳遞定律和熱量均衡的前提,計(jì)算求得混凝土內(nèi)部冷卻水管水溫的增加值[3]。

2.2 混凝土應(yīng)力場(chǎng)

混凝土自身在比較雜亂的應(yīng)力條件下,應(yīng)變過(guò)程的增加值主要含有彈性過(guò)程的增加值、 徐變過(guò)程增加值、 溫度的變化過(guò)程增加值、 干縮的變化過(guò)程增加值和自身體積的變化過(guò)程增加值[4]，求解方程為：

式中：{Δεne}為彈性應(yīng)變的增加值；{Δεnc}為徐過(guò)程的增加量；{ΔεnT}為溫度的變化過(guò)程增加量；{Δεns}為干縮的變化過(guò)程增加量；{Δεno}為自身體積變化過(guò)程的增加量。

根據(jù)物理性質(zhì)表達(dá)式、幾何特性表達(dá)式和等效平衡表達(dá)式可以求解得到任何時(shí)間段Δt1范圍內(nèi)的R1里面的有限元求解方程。

3 日溫差的溫度應(yīng)力有限元分析

3.1 計(jì)算模型

為模擬不同澆筑月份、不同齡期的混凝土在氣溫年變化、水化熱、初始溫差共同作用下的混凝土表面一定范圍內(nèi)的混凝土溫度應(yīng)力,采用三維有限元精細(xì)網(wǎng)格進(jìn)行模擬[5],計(jì)算模型共14800 個(gè)單元,計(jì)算網(wǎng)格剖分見(jiàn)圖1。

3.2 計(jì)算參數(shù)

據(jù)三河口水利樞紐大壩混凝土的設(shè)計(jì)文件和相應(yīng)的圖紙,大壩壩體碾壓和常態(tài)混凝土的物理特性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壩體碾壓和常態(tài)混凝土的物理特性參數(shù)表

3.3 計(jì)算工況

本文計(jì)算日溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力時(shí)分別取日溫差為10℃、15℃、20℃ 進(jìn)行,計(jì)算不同齡期、和采用無(wú)保護(hù)措施、聚苯乙烯泡沫等效放熱系數(shù)為β=5 k J/（m2?h?℃）、7 kJ/（m2?h?℃）保護(hù)三種工況下的的溫度應(yīng)力,三種工況下壩體混凝土表面不同日溫差引起的應(yīng)力見(jiàn)圖2~圖4 和表2~表4,不同齡期不同保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下由15℃日溫差引起的溫度應(yīng)力分布見(jiàn)圖5,不同齡期不同保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下由15℃日溫差引起的溫度應(yīng)力分布見(jiàn)圖6~圖10。

圖2 無(wú)保護(hù)措施的溫度應(yīng)力

圖3 β=7 kJ/（m2·h·℃）保護(hù)下的應(yīng)力

圖4 β=5 kJ/（m2·h·℃）保護(hù)下的應(yīng)力

表2 日溫差10℃產(chǎn)生的表面溫度應(yīng)力 單位：MPa

表3 日溫差15℃產(chǎn)生的表面溫度應(yīng)力 單位：MPa

表4 日溫差20℃產(chǎn)生的表面溫度應(yīng)力 單位：MPa

圖5 不同齡期不同保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下由15℃日溫差引起的溫度應(yīng)力

圖6 大壩表面溫度應(yīng)力

圖7 大壩0.5 m 深處的溫度應(yīng)力

圖8 大壩1 m 深處的溫度應(yīng)力

圖9 大壩2 m 深處的溫度應(yīng)力

圖10 大壩3 m 深處的溫度應(yīng)力

結(jié)果表明：

（1）三河口碾壓混凝土大壩施工期日溫差作用時(shí)間短（1 天）,因此,對(duì)混凝土影響深度有限,超過(guò)1 m 以后影響明顯減弱,不同保溫工況下1 m 處的日溫差應(yīng)力約為表面的11%~13%。

（2）在碾壓混凝土施工期當(dāng)?shù)貧夂虻娜諟夭罱捣容^大的情況下,壩體混凝土齡期較長(zhǎng)則自身混凝土產(chǎn)生的應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)增大,在壩體表面或外漏面產(chǎn)生較大拉應(yīng)力,沿壩體自身內(nèi)部呈大幅度遞減狀態(tài)。

（3）選擇等效放熱系數(shù)為7 kJ/（m2?h?℃）聚苯乙烯材料進(jìn)行壩體混凝土表面保護(hù)對(duì)應(yīng)部位的應(yīng)力出現(xiàn)了大幅減小現(xiàn)象,其應(yīng)力值降幅為無(wú)保護(hù)措施時(shí)的24%~25%之間；采用等效放熱系數(shù)為5 kJ/（m2?h?℃）聚苯乙烯材料保護(hù)后壩體混凝土表面的應(yīng)力值的降幅為無(wú)保護(hù)措施時(shí)的18%~19%,壩體混凝土表面利用恰當(dāng)?shù)谋夭牧蠈?shí)施保護(hù)后取得了很好的效果,因此在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中實(shí)施混凝土的表面保護(hù)工作,能使大壩混凝土表面由日溫差較大變化產(chǎn)生的相應(yīng)部位拉應(yīng)力大幅減小。

4 結(jié)論

（1）三河口工程壩址區(qū)位于南北氣候分界地帶具有非常特殊氣候條件,氣候條件相對(duì)較差,日溫差的變化幅度大,且全年出現(xiàn)頻次多,而碾壓混凝土施工期在當(dāng)?shù)厝諟夭罱捣容^大的情況下,伴隨著混凝土齡期的增加在壩體表面或外漏面產(chǎn)生較大拉應(yīng)力,存在產(chǎn)生裂縫的安全隱患,所以在壩體混凝土澆筑施工過(guò)程中要按照設(shè)計(jì)方案嚴(yán)格落實(shí)壩體混凝土表面保護(hù)、保溫措施。

（2）做好當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)信息的密切跟蹤關(guān)注工作,尤其關(guān)注寒潮、溫度驟降等一些特殊氣候現(xiàn)象,以便及時(shí)合理地做好壩體混凝土表面保溫措施,在混凝土模板拆除后至導(dǎo)流洞封堵蓄水之前,根據(jù)三河口水利樞紐蓄水過(guò)程進(jìn)度計(jì)劃逐漸拆除壩體相應(yīng)部位的保溫材料。

（3）對(duì)壩體上、下游側(cè)表面和一些持續(xù)外露面要選擇全年進(jìn)行保溫的措施,在混凝土澆筑完成后立刻做好保溫工作,并使壩體混凝土表面達(dá)到等效放熱系數(shù)為β=5.0 kJ/（m2?h?℃）的要求；大壩的表孔和底孔、壩體廊道、電梯井等一些孔洞位置要采取加厚保溫的措施,按照三河口水利樞紐壩體混凝土澆筑總進(jìn)度計(jì)劃在10 月份之前使用保溫材料封住孔洞口,避免由于冷空氣通過(guò)對(duì)流作用使該部位混凝土表面溫度驟降出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象。