日温差对碾压混凝土大坝表面温度应力影响分析

王伶俐，任喜平

（1.西安思源学院,陕西 西安 710038；2.陕西引汉济渭工程建设有限公司,陕西 西安 710010）

0 概况

碾压混凝土薄拱坝施工期由于温差的原因产生温度裂缝现象向来是困扰着工程建设,影响原因和产生过程错综复杂,根据裂缝产生的原理,工程人员基本认为温度荷载是产生裂缝的关键机理[1],遏制此类问题的发生最有效的手段是从温度的控制方面出发,避免碾压混凝土结构在施工过程中的温度大幅变化。

坝址区气温的变化能使碾压混凝土坝体表面、外漏面的相应温度同时产生改变,而大坝碾压混凝土里层温度受外界气温的影响一般比较小,混凝土内部和外部温度发生的变化不同,同时由温度变化产生的变形不同,伴随着相应的不同变形出现额外的应力,这样的混凝土应力大于其抗拉强度以后出现相应的拉裂裂缝[2],一般在坝体表面1 m~3 m 深度,坝体表面的裂缝经过演变有可能产生贯穿性裂缝,对大坝的安全产生一定的影响,所以分析探讨日温差对坝体碾压混凝土温度场的作用十分必要[3]。本文以三河口水利枢纽碾压混凝土薄拱坝为例,采用ANSYS 有限元软件仿真模拟大坝的分层浇筑、表层养护、外界气温变化和坝体本身混凝土材料特性的改变过程,分别取日温差为10℃、15℃和20℃ 进行,计算不同龄期、和采用无保护措施、聚苯乙烯泡沫等效放热系数为β=5 kJ/（m2・h・℃）、7 kJ/（m2・h・℃）保护三种工况下的的温度应力,为类似大坝的温控设计、施工措施选择起到参考作用。

1 工程概况

引汉济渭的三河口水利枢纽是调水工程的调节中枢,具有自流供水、可逆机组抽水储备水、发电等综合效益和功能,大坝为一座大（Ⅱ）型碾压混凝土双曲拱坝,河床坝段的坝体原设计高度145 m,在现场实际施工中根据坝基开完过程揭露的地质情况抬高了3.5 m,实际最大坝高141.5 m,在同类型坝型中高度位于国内第二,坝体顶部弧长369 m,河床段坝体坝基37 m,其余坝段均为岸坡段坝体,工程大坝主体、消力塘及导流洞封堵等大体积混凝土总量约为109.8 万m3,其中碾压混凝土约为90.68 万m3。根据坝址区2011年~2016年各月日温差可知：

（1）本地区气温变化幅度较大,天数多,全年日温差大于等于10℃的平均达205 天,大于等于15℃的平均有78 天,大于等于20℃的平均有6 天。日温差ΔT ≥10℃、15℃、20℃发生的次数占全年的百分比分别为56.2%、21.4%和1.6%。

（2）2011年~2016年的6年间,日温差大于等于20℃的天数总共有35 天,其中日温差为20℃的天数有24 天,日温差为21℃的天数有7 天,日温差为22℃的天数有2 天,日温差为23℃的天数有2 天,最大日温差23℃。日温差ΔT 为20℃、21℃、22℃、23℃发生的次数占全年的百分比分别为1.1%、0.3%、0.09%和0.09%,可以认为全年几乎不会出现日温差大于22℃的天气。

（3）日温差ΔT ≥15℃发生的月份主要集中在10 月~翌年6 月,特别是3 月~5 月,出现日温差较大的天数较多。

2 计算处理

2.1 不稳定的温度场

在求解的区域R 范围内的任意一个位置,不断变化的温度场取值T（x,y,z,t）能够适合热传导方程：

式中：T 为温度值,℃；∂ 为导温系数值,m2/h；为混凝土相应的绝热温升值,℃；t 为时间数值,d；τ为龄期值,d。

通过变分的理论对表达式（1）使用空间域进行离散处理、时间域进行差分处理,引进开始的前提和边界条件之后,可以通过差分处理的温度场有限元求解表达式。通过敷设冷却水管来降低混凝土温度,按照傅立叶的热量传递定律和热量均衡的前提,计算求得混凝土内部冷却水管水温的增加值[3]。

2.2 混凝土应力场

混凝土自身在比较杂乱的应力条件下,应变过程的增加值主要含有弹性过程的增加值、 徐变过程增加值、 温度的变化过程增加值、 干缩的变化过程增加值和自身体积的变化过程增加值[4]，求解方程为：

式中：{Δεne}为弹性应变的增加值；{Δεnc}为徐过程的增加量；{ΔεnT}为温度的变化过程增加量；{Δεns}为干缩的变化过程增加量；{Δεno}为自身体积变化过程的增加量。

根据物理性质表达式、几何特性表达式和等效平衡表达式可以求解得到任何时间段Δt1范围内的R1里面的有限元求解方程。

3 日温差的温度应力有限元分析

3.1 计算模型

为模拟不同浇筑月份、不同龄期的混凝土在气温年变化、水化热、初始温差共同作用下的混凝土表面一定范围内的混凝土温度应力,采用三维有限元精细网格进行模拟[5],计算模型共14800 个单元,计算网格剖分见图1。

3.2 计算参数

据三河口水利枢纽大坝混凝土的设计文件和相应的图纸,大坝坝体碾压和常态混凝土的物理特性参数见表1。

表1 坝体碾压和常态混凝土的物理特性参数表

3.3 计算工况

本文计算日温差产生的温度应力时分别取日温差为10℃、15℃、20℃ 进行,计算不同龄期、和采用无保护措施、聚苯乙烯泡沫等效放热系数为β=5 k J/（m2・h・℃）、7 kJ/（m2・h・℃）保护三种工况下的的温度应力,三种工况下坝体混凝土表面不同日温差引起的应力见图2~图4 和表2~表4,不同龄期不同保护标准下由15℃日温差引起的温度应力分布见图5,不同龄期不同保护标准下由15℃日温差引起的温度应力分布见图6~图10。

图2 无保护措施的温度应力

图3 β=7 kJ/（m2·h·℃）保护下的应力

图4 β=5 kJ/（m2·h·℃）保护下的应力

表2 日温差10℃产生的表面温度应力 单位：MPa

表3 日温差15℃产生的表面温度应力 单位：MPa

表4 日温差20℃产生的表面温度应力 单位：MPa

图5 不同龄期不同保护标准下由15℃日温差引起的温度应力

图6 大坝表面温度应力

图7 大坝0.5 m 深处的温度应力

图8 大坝1 m 深处的温度应力

图9 大坝2 m 深处的温度应力

图10 大坝3 m 深处的温度应力

结果表明：

（1）三河口碾压混凝土大坝施工期日温差作用时间短（1 天）,因此,对混凝土影响深度有限,超过1 m 以后影响明显减弱,不同保温工况下1 m 处的日温差应力约为表面的11%~13%。

（2）在碾压混凝土施工期当地气候的日温差降幅比较大的情况下,坝体混凝土龄期较长则自身混凝土产生的应力也会相应增大,在坝体表面或外漏面产生较大拉应力,沿坝体自身内部呈大幅度递减状态。

（3）选择等效放热系数为7 kJ/（m2・h・℃）聚苯乙烯材料进行坝体混凝土表面保护对应部位的应力出现了大幅减小现象,其应力值降幅为无保护措施时的24%~25%之间；采用等效放热系数为5 kJ/（m2・h・℃）聚苯乙烯材料保护后坝体混凝土表面的应力值的降幅为无保护措施时的18%~19%,坝体混凝土表面利用恰当的保温材料实施保护后取得了很好的效果,因此在现场施工过程中实施混凝土的表面保护工作,能使大坝混凝土表面由日温差较大变化产生的相应部位拉应力大幅减小。

4 结论

（1）三河口工程坝址区位于南北气候分界地带具有非常特殊气候条件,气候条件相对较差,日温差的变化幅度大,且全年出现频次多,而碾压混凝土施工期在当地日温差降幅比较大的情况下,伴随着混凝土龄期的增加在坝体表面或外漏面产生较大拉应力,存在产生裂缝的安全隐患,所以在坝体混凝土浇筑施工过程中要按照设计方案严格落实坝体混凝土表面保护、保温措施。

（2）做好当地天气预报信息的密切跟踪关注工作,尤其关注寒潮、温度骤降等一些特殊气候现象,以便及时合理地做好坝体混凝土表面保温措施,在混凝土模板拆除后至导流洞封堵蓄水之前,根据三河口水利枢纽蓄水过程进度计划逐渐拆除坝体相应部位的保温材料。

（3）对坝体上、下游侧表面和一些持续外露面要选择全年进行保温的措施,在混凝土浇筑完成后立刻做好保温工作,并使坝体混凝土表面达到等效放热系数为β=5.0 kJ/（m2・h・℃）的要求；大坝的表孔和底孔、坝体廊道、电梯井等一些孔洞位置要采取加厚保温的措施,按照三河口水利枢纽坝体混凝土浇筑总进度计划在10 月份之前使用保温材料封住孔洞口,避免由于冷空气通过对流作用使该部位混凝土表面温度骤降出现裂缝现象。