寒潮作用下矩形渡槽運行期抗裂性能試驗研究

徐靜偉 盧少為 吳利華

摘要：針對渡槽工程中常見的溫度裂縫問題，利用人工氣候環境實驗室模擬寒潮降溫，開展鋼筋混凝土單廂矩形渡槽模型抗裂性能試驗研究，通過監測運行期空槽、通水兩種工況下的溫度及應變，分析混凝土溫度、應變變化規律及開裂風險區域。試驗結果表明：寒潮發生時，空槽時底板表面及側墻外壁混凝土為開裂風險區域，通水工況下側墻外壁混凝土具有更大的開裂危險;在降溫期間應加強渡槽混凝土內外表面的保溫措施。

關鍵詞：矩形渡槽;抗裂性能;運行期;模型試驗;寒潮

中圖分類號：TU528.1：TV672.3

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）06-0095-05

工程實踐中，渡槽常因溫度作用出現不同程度的裂縫[1][2]，嚴重影響結構的安全運營和使用壽命。《水工混凝土結構設計規范》[3]（SL191-2008）指出，“結構運用期的溫度作用應考慮外界氣溫、水溫、結構表面日照等影響”，因此外界氣溫變化對渡槽運行期的影響值得關注和研究[4]。南水北調西線工程沿線氣候條件復雜多變，寒潮頻繁，將給渡槽帶來較大的開裂風險。目前對渡槽運行期抗裂性研究成果主要集中在太陽輻低0.7℃;②正常使用時的通水工況：室溫變化情況為初始19℃- 緩慢降溫2h→13.6℃- 寒潮降溫2.5h→最低2.8℃。

2 試驗結果及分析

2.1 運行期空槽工況 本工況主要模擬空槽時寒潮降溫的氣候變化情況：初始室溫15℃，在1.5h后室溫緩慢降至12.5℃，隨后寒潮來臨，出現大幅降溫，最低溫度0.7℃，室內氣溫下降幅度達到14.3℃。圖4為加載過程中室內氣溫變化情況。

2.1.1 溫度試驗結果

圖5反映了加載過程中沿高度方向典型測點的混凝土溫度變化情況，主要選取3斷面左側墻的4個典型測點進行分析，即側墻壁厚125mm處截面的頂部（距地高度1470mm）、中部（距地970mm）、底部（距地135mm），以及底板中部75mm高度處測點。可以看出，沿高度方向由于各部位的截面特征、與空氣接觸范圍不同，溫度變化情況有所差異。其中，側墻頂部溫度變化幅度較大，而側墻中部、底部以及底板處混凝土溫度下降較為緩慢。

為進一步研究不同時刻沿壁厚方向的溫度變化，取斷面3左側墻970mm高度處7個典型測點進行分析，如圖6所示。可以看出，沿壁厚方向，內部混凝土溫降緩慢，加載4.5h后壁厚35 - 215mm之間的混凝土溫度下降1.8 - 2.5℃，表面混凝土隨環境溫度變化敏感，溫降趨勢相對明顯，4.5h后下降2.8 - 4.5℃。

2.1.2 應變試驗結果

圖7、圖8分別為側墻豎向及底板水平方向上的內部混凝土應變變化。由圖8可知，側墻外壁的中部及底部混凝土應變發展相對較快，寒潮降臨時為受拉狀態，加載4.5h后分別緩慢達到5με、11με。而側墻內壁的溫度變化相對滯后，應變變形很小，發展緩慢。由圖9可以看出，底板由于尺寸相對較薄，隨溫度變化產生變形，應變發展趨勢明顯，加載4.5h后上、下層混凝土應變分別達到7-8με、10με。由試驗結果來看，寒潮降溫過程會導致混凝土產生拉應變。雖然在短時間內拉應變較小，不足以構成開裂風險，但如果持續降溫數日，拉應變將持續發展，渡槽表面混凝土具有較大的開裂風險。

2.2 運行期通水工況

本工況主要模擬渡槽通水時寒潮降溫的環境氣候：初始室溫19℃，降溫2h溫度達到13.6℃，隨后發生寒潮降溫，溫度最低降為2.8℃。室內氣溫下降幅度達16.2℃。這期間室內溫度變化曲線如圖9所示。設計為半槽通水，水位約0.8m高。加載過程中水溫從14.9℃緩慢下降至14.6℃，如圖10所示。

2.2.1 溫度試驗結果

圖11為斷面3上4個典型部位測點的溫度變化情況，測點位置與空槽工況時一致。可以看出，溫度變化與空槽狀態相比，相對較為緩慢。加載過程中，渡槽各部位混凝土溫度變化速率不一，其中側墻頂部溫度變化最快，加載4.5h后溫度下降2.3℃;側墻中部、底部及底板溫度變化極其緩慢，甚至有滯后現象。分析原因，主要是由于槽內通水，接觸水的下部結構混凝土受水溫影響，溫度變化較為緩慢，而不接觸水的側墻上部結構受環境溫度影響，溫度變化較快。

為進一步研究水位線上、下方渡槽混凝土沿側墻壁厚方向上的溫度變化情況，分別選取水位線上（距地高度1470mm處）、水位線下（距地720mm處）的測點，其沿側墻壁厚方向每2h的溫度變化曲線如圖12、圖13所示。從試驗結果可以看出，水位線上、下方側墻沿壁厚方向溫度變化相差很大。水位線上方的側墻混凝土，沿壁厚方向溫度變化基本對稱，并且表面混凝土的溫度變化速率遠大于內部混凝土;因側墻內、外壁均與大氣接觸，溫度變化較快，4h內、外壁溫度分別下降6.8℃、8.6℃。而水位線下方的側墻，外壁暴露在空氣中，混凝土溫度隨氣溫變化，變化幅度較大，4h后外表面混凝土溫降5.8℃;內壁與水接觸，加載過程中溫度變化幅度小，4h后溫度僅僅下降0.5℃，并且外壁表面溫度變化速率大于內壁表面溫度變化速率。由試驗結果可以看出，寒潮發生時，暴露在空氣中的側墻外壁溫度梯度最大，具有更大的開裂風險。

2.2.2 應變試驗結果

圖14、圖15分別為側墻及底板混凝土內部應變變化，可以看出，加載2h后出現寒潮降溫，與水接觸的側墻內壁以及底板，應變發展緩慢，甚至表現為微小的受壓狀態。而直接與空氣接觸的側墻外壁開始產生拉應變，若實際寒潮降溫持續時間較長，將存在較大的開裂風險。

3 結語

1）渡槽模型空槽時，底板表面及側墻外壁處溫度梯度較大，而側墻內壁的溫度變化相對滯后;底板應變發展趨勢明顯，側墻外壁應變發展相對較快，均呈受拉狀態。若寒潮降溫持續數日，拉應變將持續發展，一旦超過極限抗拉能力，必然導致渡槽表面混凝土開裂。

2）渡槽模型通水時，溫度變化較空槽時緩慢。沿側墻壁厚方向的溫度分布與其內壁是否接觸水有關，水位線上方的側墻內外壁溫度梯度大于水位線下方的側墻外壁;側墻外壁表面拉應變較大。寒潮作用下，暴露在空氣中的側墻外壁混凝土具有更大的開裂危險。

3）渡槽運行期時，在空槽及通水情況下，都需要關注氣象預報，加強抗裂措施。在渡槽的外表面應覆蓋永久保溫板，而內表面暴露空氣的部分也應覆蓋保溫材料，或在頂部加蓋封閉。、

參考文獻

[1]陳浩，李小久，岳朝俊，南水北調中線工程沙河渡槽槽墩裂縫成因分析[J].中國農村水利水電，2013（10）：64-67.

[2]劉曉鵬，呂斌，新疆某供水工程渡槽裂縫成因分析及處理措施[J].人民黃河，2018，40（1）：123-126.

[3]中華人民共和國水利部.水工混凝土結構設計規范SL191-2008[S].北京：中國水利水電出版社，2008：67-68.

[4]梁飛，季日臣，寒潮期間早齡期箱形渡槽的溫度效應分析[J].人民黃河，2017，39（4）：118-121.

[5]許軍才，任青文，張勝，渡槽混凝土結構施工期溫控防裂研究[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2011，31（4）：553-556。

[6]吳利華，矩形渡槽運行期人工模（下轉第170頁）

作者簡介：徐靜偉（1984-），女，回族，河南南陽人，碩士研究生，講師，研究方向：建筑結構。