大壩澆筑過(guò)程中溫差裂縫形成研究及防控

(陜西引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710010)

熱脹冷縮是混凝土普遍存在的一種物理特性。在施工期，由于外界氣溫的變化，混凝土外部和內(nèi)部溫度存在一定差異時(shí)，自身體積會(huì)發(fā)生熱脹冷縮改變，形狀的變化受到阻力后，在混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一種溫度應(yīng)力。引起溫度變化的主要因素有：水化熱、初始溫差(澆筑溫度與準(zhǔn)穩(wěn)定或穩(wěn)定溫度之差)、氣溫年變化、氣溫日變化(日溫差)。氣溫驟降導(dǎo)致的混凝土溫度應(yīng)力一般可分為基礎(chǔ)溫度應(yīng)力和表層溫度應(yīng)力?；A(chǔ)溫度應(yīng)力主要由水化熱產(chǎn)生的應(yīng)力和初始溫差產(chǎn)生的應(yīng)力、氣溫年變化產(chǎn)生的應(yīng)力構(gòu)成，通過(guò)計(jì)算基礎(chǔ)溫度應(yīng)力，確定澆筑塊中央部位水平應(yīng)力以及沿基礎(chǔ)面的剪應(yīng)力是否滿足混凝土允許應(yīng)力要求，從而判斷混凝土是否產(chǎn)生貫穿裂縫。表層溫度應(yīng)力主要由氣溫年變化產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和水化熱溫度應(yīng)力等疊加構(gòu)成[1]。

通常氣溫驟降導(dǎo)致的應(yīng)力是持續(xù)時(shí)間較短的荷載，其影響深度在1～3m左右。因此，壩體上下游表面附近的混凝土應(yīng)在考慮水化熱、氣溫年變化、初始溫差產(chǎn)生的應(yīng)力基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮氣溫驟降產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，確定大壩上下游表面不同齡期的應(yīng)力是否滿足允許拉應(yīng)力要求。本文通過(guò)計(jì)算壩體表面溫度應(yīng)力，對(duì)秦嶺腹地南北分界線復(fù)雜氣候區(qū)域碾壓混凝土大壩澆筑過(guò)程溫差裂縫成因進(jìn)行研究，為該特殊地區(qū)碾壓混凝土大壩澆筑過(guò)程產(chǎn)生的溫度裂縫采取相對(duì)合理防控措施提供參考。

1 工程概況

三河口水利樞紐碾壓混凝土大壩位于陜西省漢中市佛坪縣和寧陜縣交接處的子午河上，是一座壩高為141.5m的碾壓混凝土雙曲拱壩，大壩的上下游表面、壩體與岸坡連接處、表孔和底孔的結(jié)構(gòu)部位均采用常態(tài)混凝土，大壩施工過(guò)程中混凝土的澆筑總量約為109.8萬(wàn)m3，其中壩體碾壓混凝土為90.68萬(wàn)m3。根據(jù)三河口大壩水利樞紐壩址區(qū)施工期近6年各月的氣象資料，統(tǒng)計(jì)分析當(dāng)?shù)貧鉁卦?～5天內(nèi)的下降變化過(guò)程，可知溫度持續(xù)降低的天數(shù)以4天比較多，4天中氣溫的累計(jì)降低區(qū)間介于13～15℃之間，

大壩混凝土澆筑后，在水化熱作用下，混凝土內(nèi)部溫度迅速上升，其內(nèi)部溫度達(dá)到最高值后緩慢下降，最后降低到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的溫度。對(duì)于表面混凝土，由于受外界氣溫的影響，其溫度由最高降到與氣溫接近，此后隨年氣溫變化而變化，因此，混凝土表面溫度應(yīng)力也隨外界氣溫的變化而變化，外界氣溫達(dá)到最低時(shí)，混凝土表面溫度也達(dá)到最低，此時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力最大。本工程外界月平均氣溫7月最高(25.3℃)，1月最低(2.8℃)，氣溫年變化達(dá)22.5℃，地區(qū)氣溫年變化過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 地區(qū)氣溫年變化過(guò)程線

2 溫度的仿真計(jì)算處理

2.1 溫度初始條件

在計(jì)算過(guò)程剛開(kāi)始的瞬間，混凝土自身和基礎(chǔ)內(nèi)部的溫度特性是重要的求解前提。大壩混凝土澆筑之前，首先以外界的地表和深層恒定的溫度為前提，對(duì)恒定的溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，所得的結(jié)果作為大壩混凝土開(kāi)始澆筑前的基礎(chǔ)初始溫度。采用新澆筑大壩混凝土的入倉(cāng)溫度作為澆筑溫度。新、老混凝土相互結(jié)合部位的初始溫度，選用兩層混凝土結(jié)合點(diǎn)之間的平均值[2]。

2.2 溫度邊界條件

大壩基礎(chǔ)的邊界采用絕熱情況來(lái)實(shí)施，大壩與外界氣候接觸的界面是第三類(lèi)的邊界情況，對(duì)于不同時(shí)間段的表層放熱系數(shù)，依據(jù)本地風(fēng)速和時(shí)間的推移關(guān)系以及物體表面釋放熱量的系數(shù)伴隨著風(fēng)的變化過(guò)程而設(shè)定。

2.3 膠凝材料水化熱

膠凝材料產(chǎn)生的水化熱以體積力的特性施加到壩體混凝土的各個(gè)單元上，在有限元仿真模擬計(jì)算的過(guò)程中，選取模擬計(jì)算過(guò)程產(chǎn)生的前后兩個(gè)獨(dú)立時(shí)間間隔水化熱之差：ΔQ(t)=Q(tn)-Q(tn-1)。Q(t)依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況的曲線擬合[5]。

2.4 材料力學(xué)性質(zhì)

壩體混凝土的彈性模量與時(shí)間變化之間的關(guān)系，可通過(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬，為指數(shù)形式。混凝土產(chǎn)生的徐變度和自身體積變化過(guò)程是荷時(shí)間與加載齡期之間的函數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果將其擬合成為指數(shù)函數(shù)。通過(guò)模擬的過(guò)程仿真計(jì)算混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力時(shí)，將一個(gè)特定的計(jì)算時(shí)間點(diǎn)用材料力學(xué)的物理特性擬合成曲線并對(duì)其賦予一定的數(shù)值[3,6]。

3 氣溫驟降的溫度應(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，計(jì)算模型共劃分成14800個(gè)單元，三河口大壩壩體三維有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 三河口大壩壩體三維有限元模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

根據(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)

3.3 計(jì)算條件

三河口大壩在施工過(guò)程中，采用3m澆筑層厚。本文選取無(wú)保護(hù)措施并采用等效熱交換系數(shù)為5kJ/(m2·h·℃)、7kJ/(m2·h·℃)的材料進(jìn)行混凝土表面保護(hù)的三種工況。根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蚯闆r，對(duì)氣溫連續(xù)下降天數(shù)居多的4日型氣溫驟降最大降幅15℃進(jìn)行有限元計(jì)算，分析壩體混凝土表層到3m深度的氣溫驟降過(guò)程產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。在當(dāng)?shù)貧鉁爻霈F(xiàn)驟降現(xiàn)象時(shí)，混凝土的外界溫度可以采用降溫歷時(shí)和幅度來(lái)擬合構(gòu)成相應(yīng)的線性函數(shù)，將函數(shù)按第三類(lèi)邊界條件來(lái)求解[4]。不同保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)下不同齡期由4日型最大降幅15℃在壩體不同深度產(chǎn)生的溫度應(yīng)力見(jiàn)表2和圖3～圖7。

表2 4日型最大降幅15℃產(chǎn)生的表面溫度應(yīng)力 單位：MPa

圖3 不同齡期下壩體表面溫度應(yīng)力變化過(guò)程曲線

圖4 不同齡期下壩體0.5m深處溫度應(yīng)力變化過(guò)程曲線

圖5 不同齡期下壩體1m深處溫度應(yīng)力變化過(guò)程曲線

圖6 不同齡期下壩體2m深處溫度應(yīng)力變化過(guò)程曲線

圖7 不同齡期下壩體3m深處溫度應(yīng)力變化過(guò)程曲線

結(jié)果表明：

a.在壩體外界氣溫出現(xiàn)驟降的過(guò)程中，壩體表面混凝土氣溫降幅較大、時(shí)間較短、體內(nèi)溫度變化的梯度較大，導(dǎo)致壩體混凝土熱脹冷縮過(guò)程中自身徐變無(wú)法得到足夠的發(fā)揮，所以壩體混凝土表面出現(xiàn)了較大的溫度應(yīng)力。

b.外界溫度出現(xiàn)4日型最大降幅15℃時(shí)，壩體的最大降溫主要出現(xiàn)在混凝土表層部分，同時(shí)在碾壓混凝土大壩表層的應(yīng)力也最大，應(yīng)力在壩體混凝土0～90天齡期之間增加較快，隨后增幅逐漸減小趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

c.外界溫度的驟降所產(chǎn)生的應(yīng)力主要集中在壩體混凝土1～3m深處，沿壩體內(nèi)部深度大幅減小，壩體混凝土內(nèi)部1m部位的應(yīng)力約為其外部表層的21%～25%，距表面內(nèi)部3m部位的應(yīng)力大約是其外部表層的8%～10%。

d.采取等效熱交換系數(shù)為7kJ/(m2·h·℃)、5kJ/(m2·h·℃)的表層保護(hù)后相應(yīng)部位的應(yīng)力出現(xiàn)了大幅減小，其值分別為不采取保護(hù)措施時(shí)表層應(yīng)力的36%和24%左右，采取等效熱交換系數(shù)β為5kJ/(m2·h·℃)保護(hù)措施的效果比較顯著。

對(duì)比以上計(jì)算結(jié)果：三河口水利樞紐碾壓混凝土大壩位于秦嶺南北分界線特殊地帶，在當(dāng)?shù)貧夂驐l件較差的情況下，不采取保護(hù)措施時(shí)壩體混凝土表面的應(yīng)力在混凝土7天、28天、90天、180天不同齡期階段超過(guò)混凝土施工期允許拉應(yīng)力，但在大壩混凝土表面采取效熱交換系數(shù)比較小的強(qiáng)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)后,能夠有效降低由氣溫驟降所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，達(dá)到混凝土施工期允許拉應(yīng)力要求，保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)越強(qiáng)，效果越突出。

4 結(jié) 論

a.在外界氣溫驟降時(shí)，壩體表面的溫度迅速降低，相應(yīng)的其拉應(yīng)力在0～90天齡期內(nèi)迅速增加，對(duì)于齡期較早的混凝土來(lái)說(shuō)，允許承受的拉應(yīng)力較小，很容易在混凝土表面產(chǎn)生裂縫。

b.對(duì)于大壩上、下游壩面和壩體永久外露面要采取全年保溫措施。在混凝土澆筑完成之后立刻進(jìn)行保溫，混凝土表面等效熱交換系數(shù)在采取保溫措施后滿足β≤5.0kJ/(m2·h·℃)。

c.壩體混凝土的側(cè)面及倉(cāng)面要采用臨時(shí)保溫措施。冬季11—3月澆筑的混凝土表面應(yīng)覆蓋保溫標(biāo)準(zhǔn)β≤5.0kJ/(m2·h·℃)的保溫材料，至翌年3月下旬拆除。

d.基礎(chǔ)長(zhǎng)間歇面要采用保溫標(biāo)準(zhǔn)β≤5kJ/(m2·h·℃)的保溫材料進(jìn)行保溫，直至上層混凝土覆蓋前。

e.壩體底孔、表孔、內(nèi)廊道等部位混凝土采取加厚保溫，保溫標(biāo)準(zhǔn)β≤5kJ/(m2·h·℃)。在9月底以前掛保溫材料封口，防止冷空氣對(duì)流而產(chǎn)生裂縫。

f.根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀箢A(yù)報(bào)，在當(dāng)?shù)貧鉁伢E降時(shí)段要推遲拆模時(shí)間，否則須在拆模后立即采取其他表面保護(hù)措施。當(dāng)氣溫降到冰點(diǎn)以下時(shí)，齡期短于7天的混凝土應(yīng)覆蓋高發(fā)泡聚乙烯泡沫塑料或其他合格的保溫材料作為臨時(shí)保護(hù)層。