碾壓混凝土壩溫度應力研究

王復元

摘 要：本文從碾壓混凝土的材料特性、施工特定、溫度場溫度應力變化特點出發，對其仿真方法、目前進展及具體要求和應注意的問題進行介紹，結合工程總結了碾壓混凝土重力壩、拱壩的分縫方式，降低澆筑溫度、水管冷卻、表面保溫和斜層碾壓等溫控措施，采用微膨脹混凝土，提高材料抗裂性能的溫控防裂措施。

關鍵詞：碾壓混凝土；仿真分析；溫控

中圖分類號： TV5 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）16-92-2

0 引言

在混凝土壩設計施工的過程中，防裂是主要的一項措施，因為混凝土中存在著溫度應力，如果處理不當，極容易導致裂縫的產生，要想在源頭上對裂縫進行防范，就要做好溫度的控制工作，對結構措施進行采用，從而達到控制溫度應力的目的，這種混凝土壩和傳統混凝土比起來，其材料參數和施工程序等都不具有相似性。需要有針對性的對其溫度應力采用溫控措施。

1 碾壓混凝土壩的溫度和應力的特點

1.1 材料性質的影響

第一是絕熱溫升，因為在施工過程中，水泥遇水會生成一定的熱量，其熱量之大非粉煤灰所能比擬，所以跟常規的混凝土對比，碾壓混凝土需要使用的水泥數量非常小，保證其絕熱溫升低于常規混凝土，在對碾壓混凝土進行使用的過程中要對粉煤灰進行應用，所以一定要添加，之所以這樣做，因為粉煤灰和水泥相比，其發熱比具有極大延遲的特點，將其應用到碾壓混凝土中后，水化熱過程中，溫度提高非常慢，后期溫度也會具有非常高的提升，所以在很多情況下，在完成混凝土澆筑后，溫度升高問題還是普遍存在的，第二是徐變度，其主要受到重要材料影響，因為材料的性質不同，容易對溫度應力產生影響，在徐變過程中，溫度應力會存在松弛情況，因為其成分中膠凝材料還比較少，膠凝材料主要是硬性混凝土，這和其他混凝土比起來，具有非常小的徐變力，所以裂縫問題更加容易產生。第三是極限拉伸，因為在施工過程中，碾壓混凝土容易受到配合比和施工方法的影響，所以和常態混凝土相比，它的極限拉伸參數比較低，最近，雖然混凝土在配合過程中應用了較新型的技術，在實驗過程中其精度也能在一定程度上得到增長，碾壓混凝土在極限拉伸參數上對比過去，有了顯著的增長，在實驗情況下，部分碾壓混凝土極限拉伸的數值和其他普通混凝土相比，還是特別高的。但是在大多數情況下，三個月后的碾壓混凝土比起其他相同材料的混凝土來極限拉伸非常低，鉆孔取芯實測值也較低，所以，碾壓混凝土和其他常規混凝土比起來，其抗拉能力非常低，裂縫也會因此更加容易出現。

1.2 具體施工方式的影響

在常態混凝土澆筑過程中最重要的溫控措施是降低冷卻溫度和通水冷卻，但是這兩種方法在碾壓混凝土中卻難以使用，因為工序繁多，會給整個工程帶來難度，而且溫控效果不佳。所以對碾壓混凝土壩不進行二期水冷，主要靠其后期散熱或者自身散熱，這種散熱方法非常緩慢，需要花費大量的時間，有些大壩要冷卻一百年才能保證內部溫度達到穩定溫度，因為冷卻的時間太長，其內部溫度長時間居高不下，這就導致了每逢寒冷季節，碾壓混凝土壩會因為內外溫差大出現裂縫現象。

1.3 溫度應力和溫度的特點

碾壓混凝土及其施工方法具有一定的特殊性，這就導致了它的溫度和應力也有一些特點，首先是在對大壩進行降溫的時候，其速度較慢，溫度很難降下來，其次，在控制溫差的過程中，內外溫差是最主要的，上下層溫差是其次，在對順河向應力的作用中，基礎溫差最弱。再次，碾壓混凝土壩其壩上游面中的強約束區很容易遭受內外和基礎兩大溫差的影響，這就更加增加了劈頭裂縫出現的可能，然后是在分層之間，其強度較低，因為內外溫差的影響，裂縫極其容易出現。接著是在上游面的混凝土中有一定的防滲層，其產生拉應力較大，而且出現概率非常高。最后是在混凝土的基礎墊層中，其超標拉應力出現概率也容易增加。

2 溫度應力仿真分析研究

碾壓混凝土溫度應力仿真分析和其他混凝土相比具有相似性，它們具有非常相似的基本方程，然而相比起來，碾壓混凝土其薄層碾壓特點更加突出，因此對施工溫度應力保證其模擬合理性非常必要，碾壓層能夠用兩個單元進行顯示，對大壩進行三維仿真分析，其計算規模較大，現在的計算機技術還無法滿足其操作目的。所以采用并層解法和分區異步長算法對于仿真分析具有必要性和實用性。并層解法的含義是在剛完成澆筑的混凝土中采用薄層精細單元技術，從而對溫度控制工作，碾壓層厚度的方向也會被應用，在模擬的過程中，其分布更加具有梯度化，厚度超過閾值之后，溫度梯度逐漸減少，單元完成合并工作，分層積分，并層求解，在混凝土早期工作中，因為水化會散發出大量的熱量，隨著時間的推移，溫度會具有顯著的變化，到了后期溫度變化會逐漸平和，對時間步長的使用要有針對性，如果在早期，時間步長要小，用計算機就可以進行百萬自由度的仿真分析問題。仿真分析需要的對三個問題進行回答，分別是溫度和應力的最大值、最大值和超標值出現的部位和范圍，第三是最大值出現的時間，通過這三個問題進行解答，有針對性的采取措施，對溫度和應力進行控制。

3 碾壓混凝土的分縫

分縫是防止碾壓混凝土裂縫的主要措施，常規混凝土的橫縫間距不能超過二十米，而碾壓混凝土因為所用水泥少，水化熱溫升低，針對分縫有自己獨特的措施。第一是重力壩，國內外在之前都層采用不設橫縫的方法，然而通過實踐，如果壩段之間距離比較寬，裂縫問題非常容易產生，從而造成了壩段被無形之中分裂成了很多段，進行仿真分析之后，可以得出相對結果，在壩段寬度大于三十米的時候，在高溫天氣進行澆筑的混凝土，其上游壩面的壩軸向拉應力往往較大，其上游面也會更加容易出現豎向的裂縫，在蓄水的情況下，劈頭裂縫出現的概率也急劇增加，因此在對橫縫間距進行處理的過程中，要保證間距為二十米，沿著河流方向采用通倉澆筑的方法，在仿真之后，可以發現拱壩厚度比較小，其厚度一般在十六到三十米之間，游面散熱比較好，如果壩內溫度很高，溫差內外較小，在它表面的拉應力也會比較低。因為內外溫度在回落時候，溫差變小，在蓄水的私活，壩內溫度會顯著降低，重力壩其冷擊效果較差，在拱作用下，蓄水的壓力拱向中完成壓應力，豎直向裂縫產生概率也極大減少，如果壩中間其壩段較寬，過水缺口會出現，局部產生較高的應力，在缺口位置裂縫更加容易產生，通過對仿真分析進行應用，對地質、水文、材料等條件進行參照，其寬度會適時放寬。寬度能夠達到一百米，拱壩連桿壩段橫縫之間的距離要進行縮減，按照仿真結果對寬度進行設定。

4 溫度控制措施

對溫度進行控制，并進行簡化工作，最后停止對溫度進行控制，這是碾壓混凝土相比其他混凝土不具備的優點，如果高壩體積較大，另外施工的過程中溫度較高，對溫度進行控制在所難免，采用的方法主要是對骨料進行預冷，添加冰塊進行拌合，在倉面進行噴霧，并對倉面進行保溫，做好通水工作進行充分冷卻，對斜層進行碾壓。

第一是對澆筑溫度進行降低，這主要是對加冰方法進行充分應用，這樣機口溫度能夠有效降低，如果溫度比較高，在對混凝固土進行澆筑的時候，采用的方式主要是薄層碾壓，這種方式其入倉的部分，溫度上升比較快，對噴霧和覆膜方式進行應用，能降低澆筑時候的溫度。

第二是倉面保溫，在表面覆蓋一層1.5厘米的聚乙烯保溫被。

第三是水管冷卻，不在贅述。第四是采用微膨脹混凝土，可以采用MgO作為輔助原料，保證其具有微膨脹性，對溫度進行控制，降低約束區和拉應力，能防止裂縫產生。

參 考 文 獻

[1] 馮明琿，魯林，張鐘鼎，武永存，叢惠.碾壓混凝土壩溫度應力仿真計算[J].大連理工大學學報，2000，02：228-232.

[2] 黃達海，宋玉普，趙國藩.碾壓混凝土壩溫度徐變應力仿真分析的進展[J].土木工程學報，2000，04：97-100.

[3] 朱伯芳，許平.碾壓混凝土重力壩的溫度應力與溫度控制[J].水利水電技術，1996，04：18-25.

[4] 李守義，陳堯隆，王長江.高碾壓混凝土壩溫度應力研究[J].西安理工大學學報，1997，03：226-231.

[5] 朱岳明，馬躍峰，王弘，張建斌.碾壓混凝土壩溫度和應力仿真計算的非均質層合單元法[J].工程力學，2006，04：

120-124+113.

[6] 董福品，朱伯芳.碾壓混凝土壩溫度徐變應力的研究[J].水利水電技術，1987，10：22-30.