堆石混凝土壩澆筑倉施工期溫度場及應力場研究

鐘佳

摘 要：基于遵義市茅坡水庫在建堆石混凝土大壩，實測其澆筑倉施工期的溫度及應變的分布與變化，根據應變分布和本構關系，得到大壩的應力場分布。數據顯示，每一倉堆石混凝土中層點溫度最高，中部沿堆石混凝土壩短邊方向應力最大。

關鍵詞：堆石混凝土；現場實測；溫度場；應力場

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

1 引言

堆石混凝土是在自密實混凝土技術的基礎上發展起來的一種新型大體積混凝土，即使自密實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混凝土硬化產生的水化熱，達到減少大體積混凝土水化熱的目的[2]。

但是實際施工中，由于巨石的存在，堆石混凝土大壩的溫度分布是不確定的，混凝土應變發展規律也是未知的；所以需要對堆石混凝土大壩的溫度場和應力場進行研究[3]，總結其分布規律以指導現場施工，減少由施工工藝不當引起的溫度裂縫問題[4]。課題組依托遵義市茅坡水庫，通過實測數據，得出堆石混凝土施工期的溫度變化及應力應變規律。

2 實測方案

遵義市茅坡水庫位于新蒲新區新舟鎮綠塘村境內湘江二級支流、湄江一級支流洛安江中游河段，屬于長江流域烏江水系。為了保證堆石混凝土結構的完整性，盡最大可能地減少有害裂縫的出現，實測實施“溫度應變動態監控”。本方案選用XHX-115型振弦式應變傳感器和XHS-DS18型溫度傳感器，前者可同時進行應變和溫度監控，后者可以對溫度進行精確測量，具有精度高、穩定性好、抗干擾能力強等特點。

考慮到大壩的對稱性、澆筑厚度以及施工澆筑順序，共設置7個監測點，測點按上、中、下三層布置，上層測點稱為1點，中層測點稱為2點，下層測點稱為3點，大壩每倉澆筑高度2m，所以1點距離澆筑倉面300mm，2點距離澆筑倉面1000mm，3點距離澆筑倉面1700mm，連續測量3倉（標高823m-829m，每倉澆筑高度2m）堆石混凝土大壩。其中第1倉和第2倉測量溫度與應變，其中，每個監測點上、下兩層布置一個溫度傳感器測量溫度，中層布置一個三向應變計組測量應變；考慮到對混凝土應變測試值的修正，在每個監測點設置一個無應力點。第3倉只測量溫度，分別布置在每個測點的上、中、下三層。監測點位布置圖詳見圖1。

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

3 數據修正

得到實測數據后，使用廠家提供的說明書里面的修正公式對數據進行處理修正。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時刻的溫度，單位℃；

——選取的初始值的溫度，單位℃；

盡管使用溫度應變器能夠測得應變值，但由于混凝土隨著內部結構強度變化以及水分增減的不同會產生一定的收縮與膨脹，而且在持續荷載的作用下產生一定的徐變，此外，混凝土本身經受化學變化和再結晶，會隨著時間膨脹。也就是說，混凝土自身也將導致混凝土應力的變化。

故使用無應力桶來測量除外部荷載及徐變導致的應變，即自身體積變形，如使用無應力桶測得的應變為ε無，其他應變計測到的應變為總應變ε總，則混凝土的應變為：

ε=ε總-ε無 （式3-2）

4 溫度實測結果

根據溫控得到的溫度數據，分別作出第一倉A-G點、第二倉A-G點溫度監控點的溫度曲線如圖2-圖14所示，第一倉F點儀器損壞，故無第一倉F點各層溫度曲線圖。

通過對各倉測點的溫度-時間曲線的分析，可以得出：

（1）所有測點溫度在混凝土澆筑后呈大幅度上升趨勢，最高溫度都出現在每一倉的中部點（D點和E點），并且會持續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，大部分測點的溫度均降到30℃以下，但是此時各倉中部點（D點和E點）溫度仍較高，主要是由于這兩個點處于中部，散熱條件較差，導致降溫緩慢。（2）對比第一倉D、E兩點，這兩點處于結構中部點，溫峰值出現的時間、大小及曲線（圖5-圖6）波動幅度基本接近，規律與A、B、C三點間的規律相同之外，D、E點的上層點（1點）有一段上升階段，這是由于第二倉混凝土的澆筑完成之后，水化散熱導致第一倉上層點的溫度上升，溫度上升持續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（2點）則無該現象。第二倉D、E兩點的規律與此類同。（3）對比第二倉F、G兩點（第一倉F點儀器損壞），這兩點均屬于下游面點，他們的各點曲線（圖13-圖14）溫升曲線基本一致，而且無論是溫峰值出現的時間、大小以及曲線的波動幅度基本接近，這些規律與上游點的A、B、C三點規律基本相同，說明在施工期階段，由于大壩尚未蓄水，在溫度發展規律上，上游面和下游面并無太大區別。

5 應變實測結果

分別導出各應變測點的應變，經過處理即扣除無應力筒的部分值后，得到凈應變數值，分別作出第一倉B-G點、第二倉A-G點的應變曲線如圖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點應變儀器部分損壞，數據不全，故不作圖。

通過對各倉測點的應變-時間曲線的分析，可以得出：

（1）第一倉中應變最大的是D點（約220με），其次為E點（約200με），第二倉中應變最大的是D點（約240με），其次為E點（約220με）。這兩個點屬于結構中部點，因溫峰值最高，故而結構膨脹變化幅度較大，所以表現在應變值上的數據最大。（2）峰值點出現的應變方向是不同的，在D、E兩點，峰值應變出現在Z方向，即澆筑高度方向，主要原因是因為該點溫峰值最高，同時直接承受后澆倉混凝土的重力載荷，故而應變最高，而在上游點A、B、C點和下游點F、G點，峰值應變出現在X方向，即短邊方向，主要原因是因為X方向有模板約束，在模板拆除以后，X方向應變會迅速發展，導致X方向的應變最大。

6 結語

每一倉堆石混凝土豎向溫度方面，中層點溫度最高，上下層溫度較低；上游面與下游面溫度分布規律在施工期表現一致，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溫度降低幅度，中層點散熱困難，上下層散熱較好，其中上層點散熱條件最好；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和應變場推導出堆石混凝土壩澆筑倉高度方向的中部在施工期間的應力場規律上游側和下游側的應力是X方向最大，Y、Z方向次之，X、Y、Z方向應力發展趨勢都是在一段時間之后達到其峰值，之后緩慢減小，隨著混凝土強度增加，逐漸保持平衡；結構中部的應力則是Z方向最大，X、Y方向次之，Z方向應力緩慢增加到最大，然后隨著混凝土強度增加，緩慢減小，減小幅度很小，之后逐漸保持平衡；X、Y方向應力則是在一段時間之后達到其最大值，然后緩慢減小，隨著下一倉混凝土澆筑完成，X、Y方向應力會相應變大，然后隨著混凝土強度增加，逐漸保持平衡。

參考文獻

[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].水利學報，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.堆石混凝土熱學性能試驗與溫度應力研究[D].清華大學，2009.