何展國，張立新，孫昌茂，吳 凱

（1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038；3.無錫市錫山區(qū)水利局，江蘇 無錫 214000）

1 問題的提出

混凝土裂縫問題是工程施工質(zhì)量控制的重點和難點[1]。導致混凝土開裂的因素有很多，包括溫度、結(jié)構(gòu)自重、混凝土的收縮等，其中溫度變化對裂縫的產(chǎn)生具有重要影響[2]。楊房溝水電工程所在地氣溫隨季節(jié)變化較大，夏季平均溫度21.8 ℃，冬季平均溫度7.9 ℃。為有效控制混凝土內(nèi)部溫度降幅，避免因溫度應(yīng)力過大導致裂縫的發(fā)生，需要嚴格控制混凝土施工期的內(nèi)部最高溫度。楊房溝水電工程水墊塘混凝土結(jié)構(gòu)尺寸大，較大的溫度變化容易引發(fā)危害性裂縫，水墊塘作為泄洪消能建筑物，防裂抗?jié)B要求較高。研究不同季節(jié)水墊塘混凝土溫度控制標準，對混凝土澆筑方案、冷卻方式、表層保溫等工程措施的選擇具有重要意義。

2 工程特點和材料特性

2.1 水墊塘工程特點

楊房溝水電站壩后水墊塘總長約215.0 m，采用平底（局部倒圓角）的復(fù)式梯形斷面。底板采用平底設(shè)計，厚度為3.0 m。水墊塘底寬形狀不規(guī)則，自上游至下游方向水墊塘底寬為75.0～45.0 ～73.0 m 不等。水墊塘邊坡坡度為1∶0.3，設(shè)有高程為2 002.0 m、1 988.5 m 和1 968.0 m 的3 級馬道，邊墻厚度為3.0 m。水墊塘混凝土分縫長度以12.0 m 為主。水墊塘表層0.5 m 采用C9040 抗沖磨混凝土，內(nèi)部2.5 m 采用C9025 混凝土。

楊房溝水電站樞紐區(qū)干濕季分明、日照強，冬季干燥，夏季氣溫高、多雨。不同時段的月平均氣溫波動較大（見表1）。

表1 楊房溝水電站樞紐區(qū)氣溫表 ℃

2.2 混凝土材料性狀

2.2.1 熱力學特性

根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果和回歸統(tǒng)計，水墊塘混凝土熱力學參數(shù)見表2。

表2 水墊塘混凝土熱力學參數(shù)表

2.2.2 徐變

楊房溝水電站混凝土徐變應(yīng)力見表3。

表3 混凝土徐變應(yīng)力表

2.2.3 自生體積變形

混凝土自生體積變形為先收縮后膨脹（見表4）。

表4 混凝土自生體積變形表

3 三維溫控仿真分析研究

本工程采用SAPTIS 和WKFLRJB 計算程序進行仿真分析。SAPTIS 采用FORTRAN 程序編制的可用于計算大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度場與應(yīng)力場的計算程序[3]。WKFLRJB 軟件由中國水利水電科學研究院研發(fā)，可用于解決混凝土結(jié)構(gòu)溫控研究問題[4]。

3.1 計算模型與邊界條件

選取水墊塘第11 段建立水墊塘模型，應(yīng)力計算邊界條件選擇地基四周為法向約束，底面為固定約束。水墊塘計算模型見圖1，水墊塘溫度邊界條件見圖2，水墊塘應(yīng)力邊界條件見圖3。

圖1 計算模型圖

圖2 溫度邊界條件圖

圖3 應(yīng)力邊界條件圖

3.2 計算結(jié)果

夏季開始澆筑，澆筑溫度不高于14.0 ℃（低溫季節(jié)自然入倉，澆筑溫度為氣溫+2.0 ℃，高溫季節(jié)控制澆筑溫度不高于14.0 ℃），無通水冷卻措施，表面采取保溫措施（表面散熱系數(shù)為10 kJ/（m2· h · ℃））。邊墻表面冬季澆筑部位最高溫度為31.8 ℃，最大應(yīng)力為1.53 MPa，安全系數(shù)為2.19，發(fā)生在澆筑后第二年冬季；邊墻表面夏季澆筑部位最高溫度為37.1 ℃，最大應(yīng)力為3.04 MPa，安全系數(shù)為1.08，發(fā)生在澆筑后冬季。邊墻內(nèi)部冬季澆筑部位最高溫度為32.6 ℃，最大應(yīng)力為1.14 MPa，安全系數(shù)為2.21，發(fā)生在澆筑后冬季；邊墻內(nèi)部夏季澆筑部位最高溫度為35.8 ℃，最大應(yīng)力為1.94 MPa，安全系數(shù)為1.30，發(fā)生在澆筑后冬季。計算過程及結(jié)果見圖4～7 及表5。

表5 水墊塘邊墻溫度及應(yīng)力摘要表

圖5 邊墻內(nèi)部典型高程溫度過程線圖

圖6 邊墻表面典型高程順河向應(yīng)力過程線圖

圖7 邊墻內(nèi)部典型高程順河向應(yīng)力過程線圖

綜上所述，冬季澆筑邊墻混凝土最高溫度為32.6 ℃，夏季澆筑邊墻混凝土最高溫度為37.1 ℃，應(yīng)力基本滿足 NB/T 35092—2017《混凝土壩溫度控制設(shè)計規(guī)范》9.2.2 中對施工期混凝土溫度應(yīng)力的要求。

4 結(jié) 論

經(jīng)過仿真分析，明確水墊塘混凝土溫度控制標準：夏季最高溫度不應(yīng)超過37.1 ℃，冬季最高溫度不應(yīng)超過32.6 ℃。研究結(jié)果為后續(xù)混凝土澆筑方案、冷卻方式、表層保溫等工程措施的選擇提供指導，為水墊塘混凝土全過程溫控防裂控制提供科學依據(jù)。