淺談某水閘施工過程中的溫度場(chǎng)

熊浩波

邯鄲市漳滏河灌區(qū)灌溉供水管理處，河北 邯鄲 056000

1 溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力的基本原理

1.1 溫度場(chǎng)

溫度場(chǎng)是通過時(shí)間與空間函數(shù)來計(jì)算和表達(dá)，其空間概念在函數(shù)中同時(shí)需x, y, z3個(gè)坐標(biāo)來定義，在時(shí)間概念上有穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩種情況，穩(wěn)定狀態(tài)不考慮時(shí)間變量，表示為T=f（x），此時(shí)溫度場(chǎng)不隨時(shí)間變化而變化，非穩(wěn)態(tài)考慮時(shí)間變量的限制，表示為T=f（x, t），溫度場(chǎng)會(huì)隨時(shí)間變化而變化。

根據(jù)上述公式得出溫度場(chǎng)的3種定義：

1）穩(wěn)態(tài)：指溫度在單位空間內(nèi)的分布情況。

2）代入時(shí)間變量：物體內(nèi)部單位時(shí)間內(nèi)或某一瞬間各空間點(diǎn)上溫度的分布情況。

3）代入時(shí)間變量和維度：指單位時(shí)間內(nèi)或某一瞬間，在一定空間范圍內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布情況的集合。

以上3個(gè)定義分別從不同角度對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行描述，所運(yùn)用的范圍也不盡相同，基于水閘工程中需要考慮的各種因素，在本文中將與第一和第二定義的理念來進(jìn)行研究和探討。

1.2 溫度應(yīng)力

溫度應(yīng)力與溫度場(chǎng)具有緊密的聯(lián)系，是溫度場(chǎng)分布下的具體研究表現(xiàn)。溫度應(yīng)力的定義是：物體溫度產(chǎn)生變化時(shí)物體產(chǎn)生變形，受到約束從而產(chǎn)生的應(yīng)力。物體由于溫度高低變化會(huì)產(chǎn)生一定膨脹和收縮效應(yīng)，通常物體內(nèi)部本身還存在各個(gè)空間點(diǎn)溫度分布不均勻的現(xiàn)象，各個(gè)空間點(diǎn)按照自身溫度變化造成伸縮變化，整體上看導(dǎo)致物體物理結(jié)構(gòu)變化的限制和約束，從而會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力。在水閘施工過程中就存在水閘部件內(nèi)部溫度空間點(diǎn)分布廣，空間點(diǎn)溫度變化不均的現(xiàn)象。

2 溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力對(duì)水閘施工帶來的主要問題

我國子公元前起就有攔河建壩的水利工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)水閘建設(shè)的設(shè)計(jì)理論和施工方法都已發(fā)展得比較成熟?，F(xiàn)代水閘工程的基本建設(shè)原料都是混凝土，常常由于溫度，濕度的作用導(dǎo)致施工過程中混凝土底板和閘墩開裂，這幾乎是現(xiàn)代水閘工程中長期存在的通病，本節(jié)試通過運(yùn)用溫度場(chǎng)基本原理分析水閘施工的兩個(gè)主要部分會(huì)出現(xiàn)的主要問題。

2.1 水閘底板開裂問題

混凝土是現(xiàn)代建筑工程運(yùn)用的基本材料，而現(xiàn)代水閘也是運(yùn)用混凝土與水混合澆筑而成，其中水泥成分在遇水融合時(shí)會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生大量熱量，根據(jù)能量定律和流散原理，底板的設(shè)計(jì)需要與空氣直接接觸，以便能夠使反應(yīng)熱量向空氣中流散，但不能達(dá)到完全散失。底板底面溫度較低，且與地基直接接觸，因此有一部分熱量會(huì)根據(jù)冷熱傳導(dǎo)的性質(zhì)由地基傳送而散發(fā)，從理想狀態(tài)來分析，熱量應(yīng)該通過這兩種方式全部散發(fā)，以此達(dá)到溫度場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，但由于混凝土物理結(jié)構(gòu)的特征，具有導(dǎo)熱性較差的缺陷，在水化反應(yīng)過程中，如果反應(yīng)速度大于混凝土傳熱散熱速度，那就會(huì)導(dǎo)致一部分熱量仍囤積在混凝土內(nèi)部，尤其是在冬季，比較寒冷的狀態(tài)下，外部凝固速度加快，內(nèi)部熱量無法順利散出，于是會(huì)相續(xù)出現(xiàn)以下情況：

1）施工前期（高溫期）

底板外部四周的溫度較混凝土底板內(nèi)部溫度低，內(nèi)部與表面溫度有差異，且根據(jù)反應(yīng)速率和傳熱速率差距溫度差異可能增大，底板作為物體的整體表面，因物體內(nèi)部整體溫度較高而產(chǎn)生膨脹外拉的溫度應(yīng)力，而內(nèi)部各點(diǎn)之間由于各自膨脹在相互間產(chǎn)生互相擠壓的溫度應(yīng)力，這樣一來底板面就容易從內(nèi)而外產(chǎn)生開裂。

2）施工后期（降溫期）

底板內(nèi)部混凝土溫度逐漸散發(fā)，整體溫度下降，從而出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，導(dǎo)致內(nèi)部變形，同時(shí)，由于底板與地基相連，在收縮過程中會(huì)受到地基的約束，產(chǎn)生相應(yīng)的拉應(yīng)力，導(dǎo)致開裂問題出現(xiàn)。

2.2 水閘閘墩開裂原因

閘墩的溫度分布規(guī)律與閘底板相似，在施工過程中同樣以兩個(gè)時(shí)期來分析：

1）高溫期

施工早期水閘閘墩同樣存在外冷內(nèi)熱的現(xiàn)象，且閘墩會(huì)受到來自水流的水力影響，產(chǎn)生大量溫降，形成較大的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于其混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就形成裂縫。

2）降溫期

閘墩內(nèi)部同樣也會(huì)由于降溫而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性收縮，但收縮又受到下方底板的約束，在水流的影響下，形成的強(qiáng)大拉應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致閘墩較脆弱的閘門及槽區(qū)先出現(xiàn)裂縫。

從整個(gè)時(shí)期上看，閘墩在整個(gè)升溫和降溫階段，墩內(nèi)外已形成非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，內(nèi)外溫差的產(chǎn)生使水流方面對(duì)混凝土表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度而開裂。

3 施工過程中溫控防裂工作

通過上節(jié)對(duì)水閘底板和閘墩開裂的探討可得出這樣的結(jié)論：水閘施工溫控防裂的重點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

1）基本建筑材料的缺陷導(dǎo)致開裂；

2）澆筑溫度的控制影響混凝土材料的散熱情況；

3）混凝土表面的與內(nèi)部溫差控制。

3.1 針對(duì)建筑材料的優(yōu)化建議

在上節(jié)中混凝土材料的缺陷中可看出，造成早期開裂的主要原因是混凝土中水泥成分在水化反應(yīng)過程中產(chǎn)生熱量過大過快，總體溫度升幅過大而導(dǎo)致散熱問題，因此混凝土材料的優(yōu)化應(yīng)首先針對(duì)降低其熱升溫來減小溫度升幅，可以通過選用低熱的水泥，并在材料中加入適量粉煤灰，和對(duì)水泥成分中產(chǎn)熱放熱速度快的硅酸三鈣和鋁酸三鈣含量進(jìn)行調(diào)整，以減小混凝土的絕熱升溫，同時(shí)也應(yīng)改善混凝土的傳染性能。

另一方面，提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉應(yīng)強(qiáng)度也非常重要，通過在成分中加入具有張力的纖維材料可以提高混凝土物理結(jié)構(gòu)中的韌性和互聯(lián)作用，在溫度變化和水力沖擊過程中具有一定張力和彈性，減小開裂的可能性。

3.2 針對(duì)溫度的控制建議

溫度控制是一個(gè)整體的過程，由以下幾個(gè)方面組成：

1）減小澆筑溫度

減小澆筑溫度直接影響混凝土中水泥成分的水化反應(yīng)放熱速度和放熱量，尤其在高溫季節(jié)進(jìn)行水閘施工，更應(yīng)注意澆筑溫度的控制。澆筑溫度越低，混凝土在早期的溫度升幅最高值就越低，這樣內(nèi)外溫差就相對(duì)小一些，而后期溫度降幅也相對(duì)較小，閘底板和閘墩造成的拉應(yīng)力也就相對(duì)小。降溫可以通過簡(jiǎn)單加入冰塊來實(shí)現(xiàn)。

2）混凝土表面內(nèi)表溫差控制

減小混凝土內(nèi)表溫差通過表面保溫來實(shí)現(xiàn)。通過減少表面熱擴(kuò)散，降低表層溫差，或者延長散熱時(shí)間等手段可達(dá)到效果。表面保溫措施可以調(diào)節(jié)表面溫度下降的速度，從而減小混凝土內(nèi)外溫差，減小拉應(yīng)力，防止表面開裂。