矩形渡槽运行期人工模拟环境抗裂性能试验研究

吴 利 华

(南京市水利规划设计院有限责任公司， 江苏 南京 210022)



矩形渡槽运行期人工模拟环境抗裂性能试验研究

吴 利 华

(南京市水利规划设计院有限责任公司， 江苏 南京 210022)

针对已建渡槽运行期普遍出现的间接荷载作用下的裂缝问题，在人工气候模拟环境下开展单厢钢筋混凝土矩形渡槽模型试验研究，通过测量瞬态温度变化时空槽、通水两工况下的混凝土温度、应变的变化，分析矩形渡槽模型温度、应变规律及开裂风险区域。结果表明：空槽工况下渡槽的内外表面混凝土为开裂风险区域，通水时外表面及水位上方的内表面混凝土为开裂风险区域；降温前裸露部位应采取保温措施。

矩形渡槽；抗裂性能；模型试验；人工模拟环境；运行期

在大体积混凝土工程中，裂缝作为最常见的病害形式普遍存在，且严重危及到结构的正常使用及使用寿命[1]。南水北调约50座大型渡槽的建设，使得水工渡槽的抗裂性能研究成为保障引水工程顺利运行的重要前提。由于我国大型渡槽的设计规范或设计指南迟迟没有面世，大型渡槽工程设计只能借鉴其他相关的设计规范或规程[2]。工程人员已指出，仅依据现有的水工钢筋混凝土结构设计规范进行渡槽结构设计，非直接荷载作用这方面考虑不周。因此，有必要对渡槽结构间接荷载作用下的抗裂性能进行系统研究。目前国外修建的现代渡槽工程不多，缺乏相关的渡槽抗裂研究。国内学者所开展的渡槽抗裂性研究大多基于有限元仿真计算[3-15]。但是由于缺乏相应的实测数据和试验资料，运行期仿真计算很难真实模拟。鉴于现在研究领域中存在的诸多问题，迫切需要寻找一种新的研究方法来解决渡槽运行期的裂缝问题。

针对渡槽运行期的裂缝问题，在人工气候模拟环境实验室内开展渡槽模型运行期的抗裂性能试验研究，通过分析渡槽混凝土运行期的温度及应变变化，从中总结出渡槽模型存在开裂风险的区域，从而最终达到有效控制渡槽裂缝的目的。

1　模型试验方法

1.1总体布置

人工气候模拟环境实验室主要由气候室、机房和控制室构成，含主室体系统、空气循环系统、风机系统、日照系统、加湿系统、除湿系统、制冷系统、加热系统等。人工气候模拟环境试验室的各个子系统可独立运行，进行某一项因素的环境模拟，同时还可调动各子系统协调工作进行多项因素综合环境模拟，以实现综合环境下的混凝土环境模拟试验。

渡槽模型浇筑于室内气候，进入运行期后，利用实验室内人工气候的温湿度环境模拟系统实现不同气候条件下渡槽模型空槽及通水试验研究，同时对渡槽模型混凝土的各项参数进行全程监测。人工气候模拟环境下渡槽模型布置见图1，传感器经各采集设备通过计算机输出数据。

图1人工气候模拟环境下渡槽模型试验平面布置图

1.2模型设计

由于矩形渡槽模型的几何尺寸变动范围较大，因此设计中结合已建渡槽断面尺寸的同时，综合考虑各种因素，包括渡槽模型成型的可行性、试验结果的准确度、实验室人工气候的场地条件以及设备能力，从而确定最优的几何尺寸。

矩形单厢钢筋混凝土渡槽模型长4 m，宽1.8 m，高1.5 m，底板厚150 mm，两侧墙厚为250 mm。模型横向两端不封闭，通过钢板及橡胶止水装置以实现运行期槽内通水。

1.3传感器布置

渡槽模型对称选取5个典型横断面，布置248个数字温度传感器，其中混凝土内部温度传感器159个，混凝土表面温度传感器89个，各断面温度传感器布置见图2～图3。选取4个断面，布置72个混凝土表面应变片，侧墙部位应变片竖向布置，底板应变片沿模型横向宽度方向布置。选取渡槽内侧端部1.6 m处的断面布置振弦式应变计，共计10个，方向与应变片一致，振弦式应变计布置见图4。

1.4加载工况

渡槽在检修期为空槽状态，在正常使用时为通水状态。为研究渡槽在运行后不同阶段的抗裂性能，利用人工气候模拟环境技术对空槽及通水渡槽模型进行温度加载，加载工况见表1。

注：断面3距模型端部距离2 m

图2　渡槽模型断面3预埋温度传感器布置图

注：断面1、2、4、5距模型端部距离依次为：0.48 m、1.23 m、2.77 m、3.52 m

图3　渡槽模型断面1、2、4、5预埋温度传感器布置图

图4　振弦式应变计布置图

2　试验结果

2.1空槽状态

本工况模拟空槽渡槽夏季高温辐射后遭遇暴雨降温这一气象过程。室内初始温度为15.0℃，前7.5 h经太阳辐射作用持续升温至40.7℃，至12.0 h暴雨降温至17.0℃。

2.1.1温度试验结果

加载过程中室内气温及渡槽中间断面4个典型测点(侧墙壁厚125 mm处顶部、中部、底部及底部中部75 mm高度处)混凝土温度变化情况如图5所示。

图5空槽加载后典型部位内部混凝土温度变幅

随着室温先升高后降低的过程，渡槽模型各部位温度均随之变化：在升温阶段，各测点均为温升趋势，侧墙顶部温度上升17.5℃，侧墙中部温度上升12.1℃、侧墙底部温度上升10.5℃、底板中部温度上升9.0℃；但在8.0 h后的降温阶段，各测点温度趋势有差异，侧墙顶部温度随室温降低而出现降落趋势，而其余各部位温度保持缓慢平稳的升温趋势。

为了解空槽渡槽沿壁厚方向的温度变化情况，选取中间横截面3侧墙970 mm高度处加载后不同时刻温度变幅ΔT进行分析，如图6所示。在温升阶段，表面混凝土温度始终比内部混凝土温度高。至6.0 h，侧墙厚度35 mm～215 mm处混凝土温度上升8.5℃～9.5℃，外侧表面温度上升12.0℃，内侧表面温度上升9.6℃。加载12.0 h后，外侧表面的温度变幅降至8.8℃，而其余部位温度变化不大。侧墙内外侧温度梯度较大，而侧墙壁厚35 mm～215 mm处混凝土温度梯度相对较小。

图6空槽加载后断面3左侧墙970 mm高度处沿壁厚方向温度变化

由温度试验结果可知，在空槽运行过程中，随着环境温度的变化，渡槽混凝土温度变化与其结构部位有较大关系，热量自顶部至下部、自外侧向内部结构逐渐传递，内部混凝土温度存在滞后和削弱的效应。

2.1.2应变试验结果

混凝土内部应变变化如图7所示，升温过程中各部位混凝土内部以受压为主，应变持续增大，7.5 h～8.0 h后由于环境降温，各部位应变趋势有所差异。侧墙外部混凝土在降温后压应变出现明显的减小趋势，其余部位混凝土压应变增长趋缓。混凝土应变发展规律与温度变化规律基本一致。外侧混凝土应变发展较内侧混凝土更显著，内部混凝土应变发展具有一定的滞后性。

2.2通水状态

本工况模拟通水矩形渡槽夏季高温下突降暴雨的瞬态环境气候变化。为研究水位线上下方的混凝土随环境温度的变化情况，设计为半槽通水，水位0.80 m高，侧墙上部约0.55 m暴露于空气中。初始时刻室内气温约30.0℃，太阳辐射3.4 h后温度升高至42.0℃后开始降温，至8.0 h室温降至29.6℃，随后突降暴雨，10.0 h室温急剧下降至16.5℃。此过程中槽内水温由初始的9.2℃经9.0 h缓慢至13.0℃，后期水温降至12.3℃。加载过程室内气温、槽内水温变幅如图8所示。

图7　空槽加载后侧墙和底板混凝土应变时程变化曲线

图8瞬态室内温度变化

2.2.1温度试验结果

中间断面的4个典型部位的测点，即侧墙壁厚125 mm处顶部(水面上方)、中部(水面线附近)、底部(水面下方)及底板中部75 mm高度(水面下方)处混凝土温度变化情况如图9所示。随着室温的不断变化，各部位温度变化趋势有差异。在升温过程基本保持上升的趋势，至7.7 h侧墙顶部温度上升15.1℃，侧墙中部温度上升12.9℃，侧墙底部温度上升7.4℃，底板中部温度上升3.1℃。7.5 h暴雨降温后，侧墙顶部温度首先开始下降，9.0 h后侧墙中部温度也开始下降。由于自上而下的传热过程较为缓慢，因此侧墙底部及底板中部后期温度发展依然缓慢，并未出现下降趋势。9.0 h～11.0 h阶段，侧墙顶部及中部温度分别下降5.0℃、3.0℃。

为研究瞬态气候环境下矩形渡槽侧墙壁厚方向的温度变化情况，分别绘制高度为720 mm(水面下方)、1470 mm(水面上方)处的右侧墙壁厚方向混凝土不同时刻温度变幅ΔT的分布曲线，如图10、图11所示。水位线上、下方侧墙截面温度变化相差很大。水位线下方的侧墙，外侧与空气接触，内侧与水接触，随着室温的不断变化，侧墙截面沿壁厚方向温度分布不对称，大体呈抛物线形式，并且在内侧表面温度梯度小，外侧表面温度梯度大。而水位线上方的侧墙顶部混凝土，内外侧均与空气接触，加载过程中沿着壁厚方向温度分布较为对称，且内外侧表面的温度梯度远远大于内部混凝土的温度梯度。

由此可知，通水渡槽在运行中，渡槽混凝土温度变化不仅与其结构部位有较大关系，还与水温有关系。随着环境温度的变化，渡槽侧墙无水部位混凝土温度变化快，变幅大；而与水体接触的渡槽下部结构，尤其是底板混凝土温度变化极为缓慢，变幅也较小。沿着壁厚方向，水温对混凝土温度的影响更加显著。

图9　通水加载后典型部位内部混凝土温度变幅

图10右侧墙中部720 mm高度处(水下)沿壁厚方向的温度变化

2.2.2应变试验结果

通水工况中应变计均位于水面下方。根据图12混凝土内部应变的试验结果可知，通水渡槽运行中，随着环境温度的变化，与水接触的一侧混凝土的变形发展相对较缓，而暴露在空气中的外侧混凝土随环境变化变形相对明显，尤其是急剧暴雨后应变会出现突变。应变的发展规律与温度变化规律基本一致。

图11　右侧墙顶部1470 mm高度处(水上)沿壁厚方向的温度变化

图12通水加载后侧墙和底板混凝土应变时程变化曲线

3　结　论

根据空槽及通水工况下矩形渡槽模型的温度及应变试验结果，得到下列结论：

(1) 渡槽模型空槽时，随着环境温度的变化，内外表面温度、应变发展相对于内部混凝土较快，内外表面的温度梯度较大。当周围环境急剧降温时，内外表面混凝土均为开裂风险区域。

(2) 渡槽模型通水时，随着环境温度的变化，水位线上方的混凝土内外表面温度梯度最大，水位线下方外表面混凝土温度梯度较大，内表面混凝土温度梯度较小。当周围环境急剧降温时，暴露在空气中的内外表面混凝土均为开裂风险区域，且水位上方内外表面混凝土开裂风险最高。

(3) 大中型渡槽无论处于空槽检修期还是通水运行期，都应及时关注气象变化，加强抗裂防护。检修期遭遇降温前，应对内外表面混凝土采取保温措施，运行期遭遇降温时，水位上方裸露部位及外表面裸露部位应采取保温措施。必要时在顶部加盖封闭，以确保渡槽的正常运行及使用寿命。

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Experimental Study of Anti-cracking Performance of Rectangular Aqueduct Under Artificial Simulation Environment

WU Lihua

(NanjingWaterPlanningandDesigningInstituteCo.,Ltd.，Nanjing,Jiangsu210022，China)

In order to solve the crack problem of existing aqueducts because of indirect load during operation period, the anti-cracking experiment in an artificial climate laboratory was carried out. The model is single-box reinforced concrete rectangular aqueduct. Variation of temperature and strain of rectangular aqueduct model was measured during the operation period of empty and holding water. Regularity of temperature, strain and crack risk areas of rectangular aqueduct was also analyzed. The results show that internal and external surfaces of the aqueduct have high cracking risk when it is empty, and external surfaces and inner surfaces above water level have high cracking risk under the condition of holding water. Heat preservation measures of the areas contact with air should be taken before temperature drop.

rectangular aqueduct; anti-cracking performance; model experiment; artificial simulation environment; operation period

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.030

2016-03-01

2016-03-28

吴利华(1984—)，女，安徽肥东人，硕士，工程师，主要从事水利工程设计与管理工作。E-mail：wulihua0830@sina.com

TU528.01

A

1672—1144(2016)04—0152—05