淺談溫度驟降類型對碾壓混凝土溫度應力的影響

【摘要】碾壓混凝土的溫控防裂一直是碾壓混凝土壩建設的關鍵問題。雖然國內外關于碾壓混凝土的溫控防裂問題進行了較多的研究工作，但至今仍不能完全避免。水電站壩體剖面較大，工期長，受季節影響大，溫控防裂仍然是面臨的關鍵技術問題。為了給實際工程中表面保護材料的選擇和氣溫驟降情況下的溫控方案提供參考，對廠房壩段行進了氣溫驟降的敏感性研究，揭示了大壩溫度與應力隨氣溫驟降速度和時間的變化規律。

【關鍵詞】碾壓混凝土壩；溫度應力；溫控防裂；溫控措施

碾壓混凝土壩由于采用水泥用量少的干硬性混凝土和薄層碾壓連續澆筑的方法施工，其單位體積混凝土所用水泥用量比常態混凝土少，其水化熱較常態混凝土少，絕熱溫升也較低，這對于溫控來說是個有利的條件。另外，碾壓混凝土壩通常無縱縫通倉澆筑或橫縫間距較大，因而澆筑塊較長，上下層溫差和基礎溫差引起的應力均較大。水庫開始蓄水時，壩體混凝土內部溫度還比較高，壩體上游面與低溫庫水接觸后，產生拉應力，有可能促使施工過程中出現的表面裂縫擴展為大的劈頭裂縫。溫度應力貫穿了整個施工期和運行期的全過程，使碾壓混凝土壩的溫度場和溫度應力發展規律和時空分布與常態混凝土壩有重大差別。

氣溫驟降容易使壩面發生了裂縫。因此有必要進行氣溫驟降對壩面溫度和溫度應力影響的敏感性研究。為了體現溫度驟降類型對壩體溫度和溫度應力的影響程度，在敏感性分析中均保持著單參數變化。

1、工程實例

8#廠房壩段的計算剖面尺寸及材料分區示于圖1。該壩段長34m，底寬154.8m，底部有4m厚的常態混凝土墊層。計算中同樣將地基與壩體作為一個整體來考慮。溫度場結果中的所有選點都位于結構段中央。應力場的整理成果中，上游壩面及防滲層選點均位于短縫和結構段中央，其余選點都位于結構段中央。

本次仿真模擬計算采用ANSYS有限元軟件，模型采用六面體8節點等參單元，為了提高計算精度，在劃分有限元網格時，沿壩體的高度方向每一澆筑層等分為兩層單元。

壩體從11月1日開始澆筑，每6天上升一層。每個澆筑層厚度1.5m。施工期間的基本溫控措施包括通水冷卻、倉面噴霧、表面保護。

2、不同氣溫驟降類型的溫度和應力敏感性分析

氣溫突然降低容易使壩面發生開裂，因此有必要對不同氣溫驟降類型及降溫幅度情況下的壩面混凝土溫度和應力變化規律進行計算研究。

工況①：降溫兩天，溫度回升兩天，降溫與升溫速度均為5℃/d；

工況②：降溫五天，溫度回升五天，降溫與升溫速度均為5℃/d；

工況③：降溫兩天，溫度回升兩天，降溫與升溫速度均為10℃/d。

由于氣溫驟降開始的時間是次年5月1日，即壩體混凝土開澆后的第182天。此時施工進度正處在澆筑層第31層，也是強弱約束區的分界面附近。本次分析只針對上游壩面強約束區代表點的溫度及溫差歷程曲線進行相關分析。為分析氣溫驟降對不同齡期壩面混凝土溫度的影響，分別將三種工況下氣溫驟降前30、24、18、12、6天及驟降當天澆筑的混凝土層上游面選點的橫河向溫度應力歷程曲線示于圖2～圖4。

從圖2～圖4之間的對比可以看出：

2.1 工況①中，約束區的橫河向應力只會在氣溫驟降期及其之后的短時間內發生變化，而其余時期基本不變。并且最大拉應力也不會發生改變。工況②中，由于驟降時間變長，約束區的橫河向應力在驟降期及其之后的短時間內發生了比工況①更大的變化，并使約束區壩面混凝土的最大拉應力及出現時間發生改變，由原來的冷卻結束變為氣溫驟降到最低的時刻，而其余時期基本不變。工況③中，約束區的橫河向應力仍只會在氣溫驟降期及其之后的短時間內發生變化，而其余時期基本不變。并且由于驟降坡度的增大，使得應力突變的幅度比工況①更大。

2.2 由于壩面突然遇冷收縮，使壩面以內一定范圍的混凝土受到壩面混凝土的擠壓，壓應力增大（參見圖2～圖4）。驟降時間越長，驟降速度越快，壓應力就越大。

2.3 圖2～圖4的橫河向應力歷程曲線共同表明了，對于距驟降期較遠時間（包括驟降前與驟降后）澆筑的混凝土，氣溫驟降不會使其橫河向應力在總體規律上發生變化，仍與基本工況相同。只是在驟降期及其之后的一段時間范圍內，應力會發生突變。

3、結論

綜合本章對三種不同氣溫驟降類型的分析，可以獲得以下幾方面認識：

3.1 驟降的時間越長，速度越快，對壩面混凝土溫度和應力的影響就越大。

3.2 在論文的三種氣溫驟降類型中，驟降時間對壩面混凝土的溫度和應力的影響程度要大于驟降速度。對工況①和工況②的分析，相同的驟降速度（5℃/d）情況下，工況②的驟降時間是工況①的2.5倍，驟降期間的溫度突降幅度卻是工況①的4～5倍，應力增大的幅度是工況①的5倍。而將工況①和工況③的計算成果進行對比可以看出，相同的驟降時間（2天）情況下，工況③的驟降速度是工況①的2倍，而驟降期間的溫度突降卻只有工況①的1.5倍左右，應力增大的幅度也只是工況①的2倍左右。

3.3 氣溫驟降只會影響壩面混凝土較短時間內的溫度和應力，而對后期的溫度及應力基本不造成影響。但必須做好驟降期內壩面（特別是墊層）的防裂工作，否則如遇上更不利的驟降類型，壩面混凝土將很有可能在驟降期發生開裂。

參考文獻：

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