某大孔口水闸底板施工温控数值模拟

金鑫鑫，张建华，张国新

（1.中国水利水电科学研究院 结构材料研究所，北京 100038；2.江西省水利规划设计研究院，江西 南昌 330029）

1 研究背景

目前，国内水闸单孔宽度基本在8～12 m，20 m以上水闸较少，相比常规水闸，大孔口水闸闸孔尺寸均超过30 m。水闸底板平面尺寸大而厚度薄，易受环境温度影响；水闸底板与地基、闸墩之间的约束较强；且水闸结构大多采用高性能混凝土，其水泥用量多，水化热量大，弹性模量大，开裂风险高，因此大孔口水闸结构的温控防裂问题具有特殊性，温差及约束是产生温度应力的主要原因。尤其早期（通常1～2 d之内）的通水降温易形成内外温差而产生表面浅层裂缝。大孔口水闸底板的温控防裂主要从降低内外温差和改善约束两方面入手。降低内外温差的手段主要包括内部合理降温、仓面保温等。在改善约束方面，主要包括避免基础过大起伏和刚度的不均匀、减少浇筑尺寸，合理的设置分缝、分块，调整施工顺序，合理设置间歇期等等［1-3］。目前大孔口水闸建设仍存在以下问题：（1）规范不足：目前还没有专门针对大孔口水闸的设计施工规范，且由于已建的工程较少，因此缺乏实际工程经验及相应的温控标准［4-5］。（2）通水冷却问题：铺设水管将影响施工进度，且初期降温防裂难度较大。针对上述问题，有必要对大孔口水闸在施工期的温控防裂问题进行研究，降低开裂的风险。本文依托某大孔口水闸仿真计算在不同季节浇筑下施工期水闸底板的温度场和应力场，把握其分布规律和演化过程，并针对应力超标问题提出有效的工程和结构措施，为大孔口水闸底板的温控防裂提供参考。

2 某大孔口水闸底板施工期温控数值分析

2.1 工程概况本文计算的水闸单孔孔口净宽62 m，闸墩厚7 m，底板厚7 m。闸底板高程为6.5 m，闸顶高程为25 m，闸室顺流向长45 m。闸室内设有升卧式翻板门，泄水闸上游混凝土铺盖长20 m，厚1.5 m，泄水闸下游消力池长30 m。具体的结构布置及材料分区见图1。

2.2 有限元程序简介本文采用中国水利水电科学研究开发的SAPTIS程序对施工期廊道应力进行数值模拟，SAPTIS历经30年的发展，能够全面模拟混凝土工程的整个施工及运行过程，已成功应用于上百座工程，包括混凝土坝、渡槽、桥梁和隧洞等［9-10］。在温度场计算模块中，可以考虑不同通水条件、通水期数、表面保温等对温度演化过程产生影响的多种因素，计算结果能够反映实际温度场特点。

图1 水闸剖面（单位：m）

2.3 计算参数选取水闸所在地区的实测月平均气温见表1，水闸混凝土材料采用C9025W6F50，混凝土的热学和力学参数见表2。水闸地基为软土地基，在地基处理上，进行了回填和桩基结合的方式，具体参数见表3。泊松比采用0.3。地基与水闸底板混凝土间不设置接触模型。

表1 实测坝址区多年月平均气温 （单位：℃）

表2 混凝土及基岩热学参数

表3 地基材料参数

混凝土C9025W6F50绝热温升随时间的变化采用下式拟合：

通过对试验数据拟合，混凝土C9025W6F50弹性模量随时间的变化采用指数形式进行拟合，如下式：

2.4 数值网格建模及计算工况水闸网格模型见图2，模型共有实体单元69 564个，节点72 905个。为了分析不同季节浇筑水闸底板的温度场和应力场的特点，本文计算4个不同起浇时间的工况，分别为2月1日、5月1日、8月1日和11月1日，浇筑间歇期为20 d，层厚1.5 m，不同浇筑层在图2中彩色区分。采用自然入仓方式，不设置通水冷却，对冬季浇筑的混凝土进行适当的保温。由于底板浇筑完成后，涉及到上部结构的浇筑以及不同的表面处理措施，因此本文仅计算到浇筑完成时刻。

图2 水闸底板温控计算网格模型

3 计算结果分析

3.1 设计条件下水闸底板温度场应力场分析不同季节浇筑下的温度场计算结果见图3。由图3可见，自然入仓条件下，随着浇筑的进行混凝土的浇筑温度逐仓改变，各仓混凝土之间有明显的温度梯度。混凝土温度冬季低，夏季高。其中2月和11月起浇的混凝土的最高温度在36.8℃和34.6℃。其中8月份起浇的混凝土的最高温度达到50.1℃，最大值处的环境温度约为29℃。内外温差较大。

不同季节浇筑下的应力场计算结果见图4。水闸底板应力较大的部位一般出现在浇筑温度较高或结构较薄的部位，如门槽和上下游连接段的中部。此外，在水闸底板与上下游的连接处由于相互约束导致应力集中，拉应力水平较高。其中8月浇筑的水闸底板在门槽处的浇筑温度较高，随着环境温度不断降低，门槽处的拉应力不断增加，最大拉应力达到3.16 MPa，在上下游段的中部的拉应力达到1.9 MPa。

不同季节浇筑下的水闸底板的最高温度和应力计算结果见表4。由表4可知，在5月和8月起浇的混凝土的最高温度较大，由此产生的应力也较大，超出混凝土强度要求，尤其是8月起浇的混凝土的应力最大，因此应尽量避免夏季高温季节施工。而2月和11月起浇的混凝土应力稍小，除了应力集中区域以外，在不采取其他工程措施的条件下，2月和11月起浇的工况能够满足混凝土的强度要求。

最大应力与强度对比结果见图5，由于2月和5月起浇的两个工况的应力最大值出现在上层底板，因此其距浇筑完成的龄期较短。

图3 不同季节起浇混凝土的温度场包络图

图4 不同季节起浇混凝土的第一主应力包络图

3.2 设置分缝后的应力分析针对上述在水闸底板与上下游连接处的应力集中问题，本文采取在连接处分缝的措施，分析对结构的改善作用。其中5月和8月在分缝后的应力计算结果见图6。由图6可以看出，与未分缝结果相比，在分缝位置附近的应力集中程度下降，应力值有明显的降低。其中5月份起浇的混凝土缝附近位置的应力由原来的1.7 MPa减小为1.0 MPa，8月份的应力由原来的1.8 MPa减小为0.8 MPa。由此说明分缝有效的改善了缝附近区域的应力集中，但远离分缝区域的应力没有变化，因此分缝的作用范围是局部的。

表4 不同季节浇筑的最高温度和应力最大值结果

图5 第一主应力最大值与强度曲线对比

3.3 降低浇筑温度后的应力分析为了进一步降低5月和8月起浇的水闸底板应力，将浇筑温度降低5℃入仓。5月起浇的水闸底板的温度和应力包络见图7（a）（b）。由图7可见，降低浇筑温度后，最大温度值由原来的47.8℃减小为40.8℃，应力明显的降低，5月起浇混凝土的最大应力值1.0 MPa，可以满足强度要求。8月起浇的水闸底板在降低浇筑温度后的计算结果见图7（c）（d）。最高温度由50.1℃降为46.4℃，整体应力水平明显降低，基本在1.0 MPa以下，门槽部位最大应力为1.6 MPa。以上结果表明，通过降低浇筑温度的方式可以有效的降低混凝土结构的应力水平。但对于8月起浇的水闸门槽部位，一味的通过降低浇筑温度的方法来减小应力水平是不合适的，对于高温季节浇筑的薄底板还应采取加强保温、改变施工顺序等其他措施。

图6 5月和8月起浇的第一主应力包络图

图7 降低浇筑温度后的5月和8月起浇的水闸底板温度和应力包络图

4 结论

大孔口水闸的底板作为薄板混凝土结构，在施工期的防裂问题是施工过程中的工作重点，本文通过对某大孔口水闸底板不同条件下的施工期温度场和应力场的仿真分析得到以下结论：（1）在自然浇筑情况下，2月和11月起浇的水闸底板应力能够满足防裂要求，而5月和8月起浇的混凝土由于温度较高，内外温差较大，因此产生较大的拉应力，超出强度范围。尤其是8月份起浇的门槽部位混凝土应力过大。（2）通过在水闸底板与上游铺盖和下游消力池底板的连接处设置分缝，减小了结构在长度方向的尺寸，可以有效降低缝附近区域的应力值。（3）除了门槽局部外，通过采取降低混凝土浇筑温度的方法，可有效降低混凝土的拉应力水平，使得5月和8月起浇的混凝土应力满足抗裂要求。