日溫差對碾壓混凝土大壩表面溫度應力影響分析

王伶俐，任喜平

（1.西安思源學院,陜西 西安 710038；2.陜西引漢濟渭工程建設有限公司,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生溫度裂縫現象向來是困擾著工程建設,影響原因和產生過程錯綜復雜,根據裂縫產生的原理,工程人員基本認為溫度荷載是產生裂縫的關鍵機理[1],遏制此類問題的發生最有效的手段是從溫度的控制方面出發,避免碾壓混凝土結構在施工過程中的溫度大幅變化。

壩址區氣溫的變化能使碾壓混凝土壩體表面、外漏面的相應溫度同時產生改變,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,混凝土內部和外部溫度發生的變化不同,同時由溫度變化產生的變形不同,伴隨著相應的不同變形出現額外的應力,這樣的混凝土應力大于其抗拉強度以后出現相應的拉裂裂縫[2],一般在壩體表面1 m~3 m 深度,壩體表面的裂縫經過演變有可能產生貫穿性裂縫,對大壩的安全產生一定的影響,所以分析探討日溫差對壩體碾壓混凝土溫度場的作用十分必要[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、表層養護、外界氣溫變化和壩體本身混凝土材料特性的改變過程,分別取日溫差為10℃、15℃和20℃ 進行,計算不同齡期、和采用無保護措施、聚苯乙烯泡沫等效放熱系數為β=5 kJ/（m2?h?℃）、7 kJ/（m2?h?℃）保護三種工況下的的溫度應力,為類似大壩的溫控設計、施工措施選擇起到參考作用。

1 工程概況

引漢濟渭的三河口水利樞紐是調水工程的調節中樞,具有自流供水、可逆機組抽水儲備水、發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計高度145 m,在現場實際施工中根據壩基開完過程揭露的地質情況抬高了3.5 m,實際最大壩高141.5 m,在同類型壩型中高度位于國內第二,壩體頂部弧長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、消力塘及導流洞封堵等大體積混凝土總量約為109.8 萬m3,其中碾壓混凝土約為90.68 萬m3。根據壩址區2011年~2016年各月日溫差可知：

（1）本地區氣溫變化幅度較大,天數多,全年日溫差大于等于10℃的平均達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℃發生的次數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℃的天數總共有35 天,其中日溫差為20℃的天數有24 天,日溫差為21℃的天數有7 天,日溫差為22℃的天數有2 天,日溫差為23℃的天數有2 天,最大日溫差23℃。日溫差ΔT 為20℃、21℃、22℃、23℃發生的次數占全年的百分比分別為1.1%、0.3%、0.09%和0.09%,可以認為全年幾乎不會出現日溫差大于22℃的天氣。

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

2 計算處理

2.1 不穩定的溫度場

在求解的區域R 范圍內的任意一個位置,不斷變化的溫度場取值T（x,y,z,t）能夠適合熱傳導方程：

式中：T 為溫度值,℃；? 為導溫系數值,m2/h；為混凝土相應的絕熱溫升值,℃；t 為時間數值,d；τ為齡期值,d。

通過變分的理論對表達式（1）使用空間域進行離散處理、時間域進行差分處理,引進開始的前提和邊界條件之后,可以通過差分處理的溫度場有限元求解表達式。通過敷設冷卻水管來降低混凝土溫度,按照傅立葉的熱量傳遞定律和熱量均衡的前提,計算求得混凝土內部冷卻水管水溫的增加值[3]。

2.2 混凝土應力場

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

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

根據物理性質表達式、幾何特性表達式和等效平衡表達式可以求解得到任何時間段Δt1范圍內的R1里面的有限元求解方程。

3 日溫差的溫度應力有限元分析

3.1 計算模型

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的混凝土溫度應力,采用三維有限元精細網格進行模擬[5],計算模型共14800 個單元,計算網格剖分見圖1。

3.2 計算參數

據三河口水利樞紐大壩混凝土的設計文件和相應的圖紙,大壩壩體碾壓和常態混凝土的物理特性參數見表1。

表1 壩體碾壓和常態混凝土的物理特性參數表

3.3 計算工況

本文計算日溫差產生的溫度應力時分別取日溫差為10℃、15℃、20℃ 進行,計算不同齡期、和采用無保護措施、聚苯乙烯泡沫等效放熱系數為β=5 k J/（m2?h?℃）、7 kJ/（m2?h?℃）保護三種工況下的的溫度應力,三種工況下壩體混凝土表面不同日溫差引起的應力見圖2~圖4 和表2~表4,不同齡期不同保護標準下由15℃日溫差引起的溫度應力分布見圖5,不同齡期不同保護標準下由15℃日溫差引起的溫度應力分布見圖6~圖10。

圖2 無保護措施的溫度應力

圖3 β=7 kJ/（m2·h·℃）保護下的應力

圖4 β=5 kJ/（m2·h·℃）保護下的應力

表2 日溫差10℃產生的表面溫度應力 單位：MPa

表3 日溫差15℃產生的表面溫度應力 單位：MPa

表4 日溫差20℃產生的表面溫度應力 單位：MPa

圖5 不同齡期不同保護標準下由15℃日溫差引起的溫度應力

圖6 大壩表面溫度應力

圖7 大壩0.5 m 深處的溫度應力

圖8 大壩1 m 深處的溫度應力

圖9 大壩2 m 深處的溫度應力

圖10 大壩3 m 深處的溫度應力

結果表明：

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

（2）在碾壓混凝土施工期當地氣候的日溫差降幅比較大的情況下,壩體混凝土齡期較長則自身混凝土產生的應力也會相應增大,在壩體表面或外漏面產生較大拉應力,沿壩體自身內部呈大幅度遞減狀態。

（3）選擇等效放熱系數為7 kJ/（m2?h?℃）聚苯乙烯材料進行壩體混凝土表面保護對應部位的應力出現了大幅減小現象,其應力值降幅為無保護措施時的24%~25%之間；采用等效放熱系數為5 kJ/（m2?h?℃）聚苯乙烯材料保護后壩體混凝土表面的應力值的降幅為無保護措施時的18%~19%,壩體混凝土表面利用恰當的保溫材料實施保護后取得了很好的效果,因此在現場施工過程中實施混凝土的表面保護工作,能使大壩混凝土表面由日溫差較大變化產生的相應部位拉應力大幅減小。

4 結論

（1）三河口工程壩址區位于南北氣候分界地帶具有非常特殊氣候條件,氣候條件相對較差,日溫差的變化幅度大,且全年出現頻次多,而碾壓混凝土施工期在當地日溫差降幅比較大的情況下,伴隨著混凝土齡期的增加在壩體表面或外漏面產生較大拉應力,存在產生裂縫的安全隱患,所以在壩體混凝土澆筑施工過程中要按照設計方案嚴格落實壩體混凝土表面保護、保溫措施。

（2）做好當地天氣預報信息的密切跟蹤關注工作,尤其關注寒潮、溫度驟降等一些特殊氣候現象,以便及時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流洞封堵蓄水之前,根據三河口水利樞紐蓄水過程進度計劃逐漸拆除壩體相應部位的保溫材料。

（3）對壩體上、下游側表面和一些持續外露面要選擇全年進行保溫的措施,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到等效放熱系數為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度計劃在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對流作用使該部位混凝土表面溫度驟降出現裂縫現象。