混凝土大壩施工期環境氣溫影響下的溫度應力

李 彤 韓緒博

(水利部建設管理與質量安全中心, 北京 100038)

混凝土大壩施工期環境氣溫影響下的溫度應力

李 彤 韓緒博

(水利部建設管理與質量安全中心, 北京 100038)

本文針對大體積混凝土施工期受氣溫影響易產生裂縫問題，介紹了混凝土結構的環境氣溫影響機理，認定環境氣溫變化是導致混凝土裂縫產生的主要原因，掌握和預測混凝土應力狀況，采取實時合理的針對性保溫措施是防止裂縫產生的重要措施。以實際工程的兩個壩段為例，借助三維有限元單元法，通過仿真計算模擬混凝土在過去一周和未來一周內大壩的溫度和應力情況，為工程溫控防裂提供決策支持。該方法和結論可以為類似工程建設提供重要參考。

混凝土； 大壩； 溫控防裂； 天氣預報； 仿真計算

1 前 言

隨著社會的發展，清潔能源越來越受到重視，中國西南地區水資源豐富，水電工程越來越受到青睞。大壩屬大體積混凝土結構，在施工前或者運行期由于多種原因，容易產生裂縫[1-5]，威脅其結構的耐久性和穩定性，影響工程的安全性。工程經驗表明，裂縫的影響因素很多，形成機理非常復雜[6-8]，而環境氣溫是影響混凝土安全的重要因素。環境氣溫高，混凝土溫度就高，環境溫度低，混凝土溫度就低，隨著環境氣溫的周期性變化，混凝土溫度也會出現周期性變化。混凝土溫度變化，將導致溫度應力的產生，當應力超過混凝土強度時，裂縫就會產生。

工程中，為了解環境氣溫的影響程度，進行仿真計算、研究實際環境氣溫條件下的混凝土溫度和應力情況[9]，掌握工程的安全性，進一步預測混凝土的溫度和應力，在天氣預報信息基礎上，對混凝土溫度和應力進行預測，為后續施工提供決策支持，其成為一個不可或缺的途徑。針對這一問題，本文以溪洛渡水電站為依據，對新澆筑兩個壩段中的兩倉混凝土仿真計算，得出過去一周和未來一周內大壩的溫度和應力情況，為工程溫控防裂提供決策支持，服務工程建設。

2 混凝土結構的環境氣溫影響機理

混凝土結構在外界環境影響下，會產生較大的影響，尤其是混凝土表面。環境氣溫升高，混凝土膨脹，環境氣溫降低，混凝土收縮變形，當收縮變形受到地基約束或者周圍結構的約束時，產生拉應力，易導致裂縫產生。工程經驗表明，寒潮、晝夜溫差、蓄水冷擊等短周期氣溫變化將導致結構產生較大的溫度應力，是裂縫產生的重要因素。

針對裂縫產生的原因，工程上一般采用保溫的方式予以解決，即削弱環境氣溫對混凝土表面的影響程度。但采用的保溫力度或保溫材料的厚度，一般需通過仿真計算和工程經驗來確定，仿真計算需要以當地氣候條件作為邊界條件，包括當地的晝夜溫差和氣溫驟降等信息。

3 大壩施工期環境氣溫的影響分析

3.1 工程概況

金沙江下游溪洛渡水電站，總裝機容量為1260萬kW，年發電量位居世界第三，為571.2億kW·h，是中國第二大水電站。水電站樞紐由攔河壩、泄洪、引水、發電等建筑物組成。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程610.00m，最大壩高278m，壩頂中心線弧長698.09m。水庫正常蓄水位600.00m，死水位540.00m，水庫總容量126.7億m3。

拱壩壩高278m，為拋物線雙曲拱壩，拱頂弧長698.07m，拱冠底部厚69.0m，壩體混凝土685.6萬m3，工程規模和工程量十分巨大。混凝土方量大、壩底厚、岸坡陡峻，使壩體的溫度控制問題較為突出。

3.2 12號壩段混凝土施工期溫度應力分析

3.2.1 計算模型

根據大壩實際情況，建立12號壩段仿真計算模型，計算模型單元總數83922，節點總數99738，厚度方向0.1～0.5m一層，滿足澆筑層需要。大壩上下游面在蓄水前為氣溫邊界條件，蓄水后為水溫邊界條件；地基地面為三向約束，四周為法向約束。圖1為12號壩段三維有限元計算模型。

圖1 12號壩段三維有限元計算模型

3.2.2 施工期溫度應力仿真分析

仿真反饋計算本周、預報下周溫度應力時，模擬了12號壩段的施工期澆筑過程。

12號壩段自2009年9月15日15∶00開始澆筑至2010年5月16日已澆了12倉混凝土(高程為335.00～364.80m)。2010年5月10—16日，12號壩段僅澆筑1倉混凝土。澆筑期間，最高氣溫28.8℃，最低氣溫15.1℃，晝夜溫差在5.5～11.8℃之間。模擬氣溫特點，從計算的溫度和應力發展過程來看，混凝土計算最高溫度能滿足溫控技術要求，均小于27℃，最大應力出現在和基巖接觸的混凝土部位，且發生在通水冷卻末期。

如圖2所示，該倉混凝土澆筑完后的幾天內短周期溫度變化較為頻繁，混凝土倉面不斷受到溫降冷擊作用，至5月1日前后，雖然不考慮溫降冷擊時的應力仍為壓應力，但疊加溫降冷擊后的應力已達到臨界值，開裂風險較大。

圖2 大壩典型位置溫度及順河向應力過程線

此外，5月5—7日36h內氣溫變幅近22℃，由此帶來的表面應力增幅近2MPa。由于該倉混凝土早期壓應力儲備較大，因而溫降后拉應力僅為0.56MPa，小于該齡期的容許應力，但即便如此，開裂風險仍然不容忽視。倉面間歇時間較長時，需要做好表面保溫工作。5月11日左右混凝土層面的拉應力達到1.0MPa，安全系數略大于1.8，開裂風險仍然存在。

3.2.3 溫度和應力預報結果分析

根據氣象預報資料，計算在預報氣溫資料前提下，大壩的溫度和應力狀況。2010年5月17—23日施工現場最高氣溫在31℃左右，最低氣溫大約在18℃左右，晝夜溫差約7～11℃。如圖2所示，由于12號—12倉混凝土齡期尚小，基本處于升溫階段，但隨著溫度下降，壓應力不斷減小，自22日混凝土出現較小的拉應力。

3.3 17號壩段混凝土施工期溫度應力分析

3.3.1 計算模型

根據大壩實際情況，建立17號壩段仿真計算模型，計算模型單元總數94982，節點總數106738，厚度方向0.05～0.5m一層，滿足澆筑層需要。大壩上下游面在蓄水前為氣溫邊界條件，蓄水后為水溫邊界條件；地基地面為三向約束，四周為法向約束。圖3為17號壩段三維有限元計算模型。

圖3 17號壩段三維有限元計算模型示意圖

3.3.2 施工期溫度應力仿真分析

仿真反饋本周、預報下周溫度應力時，模擬17號壩段的施工期澆筑過程。

17號壩段自2009年4月16日02∶46開始澆筑至2010年5月16日已澆了26倉混凝土(高程為324.50～386.00m)。2010年5月10—16日，17號壩段僅澆筑一倉混凝土。夏季澆筑混凝土倉面在無保護或保護不當的情況下，最高溫度能達到30℃，其他部位混凝土最高溫度能滿足溫控技術要求，均控制在27℃以內。最大應力出現在強約束區336.00～339.50m高程附近，339.50m高程有近2個月的長間歇，層面溫度及應力變化梯度較大，順河向應力的安全系數小于1.8。

本周17號—26倉混凝土自2010年5月11日澆筑，齡期近6d，混凝土處于升溫階段，在逐日氣溫影響下，混凝土的壓應力變化幅度在0.3MPa左右，壓應力總體趨勢為緩慢減少(見圖4)，從長周期應力過程看，開裂風險不大。

3.3.3 溫度和應力預報結果分析

根據氣象預報資料，計算在預報氣溫前提下，大壩的溫度和應力狀況。2010年5月17—23日施工現場最高氣溫在31℃左右，最低氣溫在18℃左右，晝夜溫差約7～11℃。

圖4 17號—26倉典型位置溫度及順河向應力過程線

17號壩段未來一周只有17號—26倉間歇，如圖4所示，未來一周溫度將呈現緩慢下降趨勢，壓應力水平不斷減小，自22日左右混凝土壓應力減小至-0.13MPa。

如圖5所示，典型時刻不考慮晝夜溫差溫度應力，上游、下游表面主要以壓應力或者微拉應力為主，倉面主要為壓應力，下部339.00m高程區域出現長間歇。總體而言，在不考慮短周期溫度驟降或晝夜溫差的前提下，上游和下游表面、倉面和內部應力滿足抗裂要求。

圖5 5月16日上游、中游和下游表面應力

4 結 語

a.大體積混凝土結構容易產生表面裂縫，而環境氣溫的變化是導致裂縫產生的主要原因，本文對混凝土結構的環境氣溫影響機理等方面進行了探討，認為防止它們出現有效的措施之一是準確掌握環境氣溫影響下的混凝土溫度和應力情況，進而制定實時合理的防裂措施，指導施工。

b. 12號壩段的仿真計算結果表明，混凝土最高溫度能滿足溫控技術要求，均小于27℃，寒潮溫降使混凝土層面的拉應力達到1.0MPa，接近臨界值，存在較大風險，倉面需做好保溫措施。

c. 17號壩段的仿真計算結果表明，在目前氣溫相對較高的季節(5月)，如果僅考慮長周期應力，早齡期混凝土大部分處于溫升階段，主要以壓應力為主，開裂風險不大，但如果疊加上17日出現的11℃晝夜溫差應力，則倉面應力出現超標現象，有開裂風險存在，需做好必要的保溫措施。

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[6] 王振紅,朱岳明,李飛.墩墻混凝土結構施工期溫控防裂研究[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2008,27(2):227-229.

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[8] 馬躍峰,朱岳明,曹為民,等.閘墩內部水管冷卻和表面保溫措施的抗裂作用研究[J].水利學報,2006,37(8):963-968.

[9] 王振紅,朱岳明,于書萍.薄壁混凝土結構施工期溫控防裂研究[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版),2007,39(6):773-778.

Temperature stress during concrete dam construction period under the influence of ambient temperature

LI Tong, HAN Xubo

(MinistryofWaterResourcesConstructionManagementandQualitySecurityCenter,Beijing100038,China)

In the paper, environment temperature influence mechanisms of concrete structures are introduced aiming at the cracking problems taking place easily due to the ambient temperature influence during large mass concrete construction period. It is recognized that environment temperature change is an important reason of causing concrete cracks. Concrete stress condition should be mastered and predicted. Real-time and rational targeted heat insulation measures are important measures, which should be adopted to prevent cracks. Two dam sections in practical engineering are adopted as examples. Three-dimensional finite element unit method is applied. The dam temperature and stress condition of concrete in the past week and one future week can be simulated through simulation calculation, thereby providing decision-making support for engineering temperature control and crack prevention. The method and conclusion can provide important reference for constructing similar projects.

concrete; dam; temperature control and crack prevention; weather forecast; simulation calculation

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.03.007

TV315

A

1005-4774(2017)03- 0022- 05