大壩澆筑過程中溫差裂縫形成研究及防控

(陜西引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710010)

熱脹冷縮是混凝土普遍存在的一種物理特性。在施工期，由于外界氣溫的變化，混凝土外部和內部溫度存在一定差異時，自身體積會發生熱脹冷縮改變，形狀的變化受到阻力后，在混凝土內部會產生一種溫度應力。引起溫度變化的主要因素有：水化熱、初始溫差(澆筑溫度與準穩定或穩定溫度之差)、氣溫年變化、氣溫日變化(日溫差)。氣溫驟降導致的混凝土溫度應力一般可分為基礎溫度應力和表層溫度應力。基礎溫度應力主要由水化熱產生的應力和初始溫差產生的應力、氣溫年變化產生的應力構成，通過計算基礎溫度應力，確定澆筑塊中央部位水平應力以及沿基礎面的剪應力是否滿足混凝土允許應力要求，從而判斷混凝土是否產生貫穿裂縫。表層溫度應力主要由氣溫年變化產生的溫度應力和水化熱溫度應力等疊加構成[1]。

通常氣溫驟降導致的應力是持續時間較短的荷載，其影響深度在1～3m左右。因此，壩體上下游表面附近的混凝土應在考慮水化熱、氣溫年變化、初始溫差產生的應力基礎上，同時考慮氣溫驟降產生的溫度應力，確定大壩上下游表面不同齡期的應力是否滿足允許拉應力要求。本文通過計算壩體表面溫度應力，對秦嶺腹地南北分界線復雜氣候區域碾壓混凝土大壩澆筑過程溫差裂縫成因進行研究，為該特殊地區碾壓混凝土大壩澆筑過程產生的溫度裂縫采取相對合理防控措施提供參考。

1 工程概況

三河口水利樞紐碾壓混凝土大壩位于陜西省漢中市佛坪縣和寧陜縣交接處的子午河上，是一座壩高為141.5m的碾壓混凝土雙曲拱壩，大壩的上下游表面、壩體與岸坡連接處、表孔和底孔的結構部位均采用常態混凝土，大壩施工過程中混凝土的澆筑總量約為109.8萬m3，其中壩體碾壓混凝土為90.68萬m3。根據三河口大壩水利樞紐壩址區施工期近6年各月的氣象資料，統計分析當地氣溫在1～5天內的下降變化過程，可知溫度持續降低的天數以4天比較多，4天中氣溫的累計降低區間介于13～15℃之間，

大壩混凝土澆筑后，在水化熱作用下，混凝土內部溫度迅速上升，其內部溫度達到最高值后緩慢下降，最后降低到一個相對穩定的溫度。對于表面混凝土，由于受外界氣溫的影響，其溫度由最高降到與氣溫接近，此后隨年氣溫變化而變化，因此，混凝土表面溫度應力也隨外界氣溫的變化而變化，外界氣溫達到最低時，混凝土表面溫度也達到最低，此時產生的應力最大。本工程外界月平均氣溫7月最高(25.3℃)，1月最低(2.8℃)，氣溫年變化達22.5℃，地區氣溫年變化過程見圖1。

圖1 地區氣溫年變化過程線

2 溫度的仿真計算處理

2.1 溫度初始條件

在計算過程剛開始的瞬間，混凝土自身和基礎內部的溫度特性是重要的求解前提。大壩混凝土澆筑之前，首先以外界的地表和深層恒定的溫度為前提，對恒定的溫度場進行計算，所得的結果作為大壩混凝土開始澆筑前的基礎初始溫度。采用新澆筑大壩混凝土的入倉溫度作為澆筑溫度。新、老混凝土相互結合部位的初始溫度，選用兩層混凝土結合點之間的平均值[2]。

2.2 溫度邊界條件

大壩基礎的邊界采用絕熱情況來實施，大壩與外界氣候接觸的界面是第三類的邊界情況，對于不同時間段的表層放熱系數，依據本地風速和時間的推移關系以及物體表面釋放熱量的系數伴隨著風的變化過程而設定。

2.3 膠凝材料水化熱

膠凝材料產生的水化熱以體積力的特性施加到壩體混凝土的各個單元上，在有限元仿真模擬計算的過程中，選取模擬計算過程產生的前后兩個獨立時間間隔水化熱之差：ΔQ(t)=Q(tn)-Q(tn-1)。Q(t)依據施工現場實際實驗情況的曲線擬合[5]。

2.4 材料力學性質

壩體混凝土的彈性模量與時間變化之間的關系，可通過工程現場施工過程中的實驗數據模擬，為指數形式?；炷廉a生的徐變度和自身體積變化過程是荷時間與加載齡期之間的函數，通過實驗結果將其擬合成為指數函數。通過模擬的過程仿真計算混凝土內部溫度應力時，將一個特定的計算時間點用材料力學的物理特性擬合成曲線并對其賦予一定的數值[3,6]。

3 氣溫驟降的溫度應力有限元分析

3.1 計算模型

為模擬不同澆筑月份、不同齡期的混凝土在氣溫年變化、水化熱、初始溫差共同作用下的混凝土表面一定范圍內的混凝土溫度應力，采用三維有限元精細網格進行模擬，計算模型共劃分成14800個單元，三河口大壩壩體三維有限元模型見圖2。

圖2 三河口大壩壩體三維有限元模型

3.2 計算參數

根據三河口水利樞紐大壩混凝土的設計文件和相應的圖紙，大壩壩體碾壓和常態混凝土的物理特性參數見表1。

表1 壩體碾壓和常態混凝土的物理特性參數

3.3 計算條件

三河口大壩在施工過程中，采用3m澆筑層厚。本文選取無保護措施并采用等效熱交換系數為5kJ/(m2·h·℃)、7kJ/(m2·h·℃)的材料進行混凝土表面保護的三種工況。根據當地的氣候情況，對氣溫連續下降天數居多的4日型氣溫驟降最大降幅15℃進行有限元計算，分析壩體混凝土表層到3m深度的氣溫驟降過程產生的溫度應力。在當地氣溫出現驟降現象時，混凝土的外界溫度可以采用降溫歷時和幅度來擬合構成相應的線性函數，將函數按第三類邊界條件來求解[4]。不同保護標準下不同齡期由4日型最大降幅15℃在壩體不同深度產生的溫度應力見表2和圖3～圖7。

表2 4日型最大降幅15℃產生的表面溫度應力 單位：MPa

圖3 不同齡期下壩體表面溫度應力變化過程曲線

圖4 不同齡期下壩體0.5m深處溫度應力變化過程曲線

圖5 不同齡期下壩體1m深處溫度應力變化過程曲線

圖6 不同齡期下壩體2m深處溫度應力變化過程曲線

圖7 不同齡期下壩體3m深處溫度應力變化過程曲線

結果表明：

a.在壩體外界氣溫出現驟降的過程中，壩體表面混凝土氣溫降幅較大、時間較短、體內溫度變化的梯度較大，導致壩體混凝土熱脹冷縮過程中自身徐變無法得到足夠的發揮，所以壩體混凝土表面出現了較大的溫度應力。

b.外界溫度出現4日型最大降幅15℃時，壩體的最大降溫主要出現在混凝土表層部分，同時在碾壓混凝土大壩表層的應力也最大，應力在壩體混凝土0～90天齡期之間增加較快，隨后增幅逐漸減小趨于穩定狀態。

c.外界溫度的驟降所產生的應力主要集中在壩體混凝土1～3m深處，沿壩體內部深度大幅減小，壩體混凝土內部1m部位的應力約為其外部表層的21%～25%，距表面內部3m部位的應力大約是其外部表層的8%～10%。

d.采取等效熱交換系數為7kJ/(m2·h·℃)、5kJ/(m2·h·℃)的表層保護后相應部位的應力出現了大幅減小，其值分別為不采取保護措施時表層應力的36%和24%左右，采取等效熱交換系數β為5kJ/(m2·h·℃)保護措施的效果比較顯著。

對比以上計算結果：三河口水利樞紐碾壓混凝土大壩位于秦嶺南北分界線特殊地帶，在當地氣候條件較差的情況下，不采取保護措施時壩體混凝土表面的應力在混凝土7天、28天、90天、180天不同齡期階段超過混凝土施工期允許拉應力，但在大壩混凝土表面采取效熱交換系數比較小的強保護標準保護后,能夠有效降低由氣溫驟降所產生的溫度應力，達到混凝土施工期允許拉應力要求，保護標準越強，效果越突出。

4 結 論

a.在外界氣溫驟降時，壩體表面的溫度迅速降低，相應的其拉應力在0～90天齡期內迅速增加，對于齡期較早的混凝土來說，允許承受的拉應力較小，很容易在混凝土表面產生裂縫。

b.對于大壩上、下游壩面和壩體永久外露面要采取全年保溫措施。在混凝土澆筑完成之后立刻進行保溫，混凝土表面等效熱交換系數在采取保溫措施后滿足β≤5.0kJ/(m2·h·℃)。

c.壩體混凝土的側面及倉面要采用臨時保溫措施。冬季11—3月澆筑的混凝土表面應覆蓋保溫標準β≤5.0kJ/(m2·h·℃)的保溫材料，至翌年3月下旬拆除。

d.基礎長間歇面要采用保溫標準β≤5kJ/(m2·h·℃)的保溫材料進行保溫，直至上層混凝土覆蓋前。

e.壩體底孔、表孔、內廊道等部位混凝土采取加厚保溫，保溫標準β≤5kJ/(m2·h·℃)。在9月底以前掛保溫材料封口，防止冷空氣對流而產生裂縫。

f.根據當地氣象預報，在當地氣溫驟降時段要推遲拆模時間，否則須在拆模后立即采取其他表面保護措施。當氣溫降到冰點以下時，齡期短于7天的混凝土應覆蓋高發泡聚乙烯泡沫塑料或其他合格的保溫材料作為臨時保護層。