沈思朝，頡志強(qiáng)，王首豪

(1. 長(zhǎng)江科學(xué)院 材料與結(jié)構(gòu)研究所，武漢 430010； 2.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

水閘作為非常重要的水工建筑，應(yīng)用十分廣泛。截至2019年底，全國(guó)已建成流量5 m3/s及以上的水閘103 575座[1]。與此同時(shí)，水閘結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的情況十分普遍，與“無(wú)壩不裂”的現(xiàn)狀類似，水閘結(jié)構(gòu)也存在“無(wú)閘不裂”的問(wèn)題。江蘇石梁河[2]新建泄洪水閘在中間9個(gè)閘墩和1個(gè)邊墩上都發(fā)現(xiàn)了貫穿性裂縫。獻(xiàn)縣樞紐節(jié)制閘[3]兩邊孔底板共有5條裂縫，其中左邊孔一裂縫已上下貫通，裂縫總長(zhǎng)48.06 m。湘江土谷塘右岸一期[4]泄水閘澆筑初期，先后在4個(gè)閘室底板發(fā)現(xiàn)9條裂縫。貢川水電站[5]出現(xiàn)多條閘墩裂縫，最深可達(dá)1.25 m。沙潁河節(jié)制閘[6]在混凝土澆筑后對(duì)12個(gè)閘墩進(jìn)行檢查后，發(fā)現(xiàn)其中9個(gè)閘墩均有不同程度的裂縫共計(jì)45條，主要裂縫已貫通閘墩橫截面。還有北京永定河閘、北京小清河閘、湖北荊江分洪北閘、江蘇三河閘等工程中都出現(xiàn)了不同程度的裂縫[7]。

薄壁大體積混凝土結(jié)構(gòu)主要由薄板、薄墻結(jié)構(gòu)構(gòu)成，與常規(guī)水工大體積混凝土結(jié)構(gòu)開裂機(jī)理一樣，薄壁大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫也是由收縮變形在受到約束所產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)混凝土強(qiáng)度所致。對(duì)于薄壁混凝土結(jié)構(gòu)開裂問(wèn)題，學(xué)者開展了大量工作[8]。王振紅等[9]利用三維有限元法對(duì)施工期某水閘閘墩進(jìn)行仿真計(jì)算，分析閘墩混凝土施工期溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的時(shí)空變化規(guī)律，確定了閘墩易裂部位，提出表面保溫和內(nèi)部水管降溫相結(jié)合的溫控措施，既能減小結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差，又能降低結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)溫差，具有良好的防裂效果。吉順文等[10]根據(jù)混凝土熱力學(xué)特性研究成果, 對(duì)混凝土裂縫產(chǎn)生機(jī)理和溫控防裂措施進(jìn)行分析研究，得出合適的保溫結(jié)合內(nèi)部水管冷卻可有效防止裂縫的產(chǎn)生這一結(jié)論；牛道昌[11]研究了水工混凝土裂縫與干縮的關(guān)系，探討濕度及干縮應(yīng)力的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)混凝土干縮是引起水工混凝土開裂的重要因素之一，水工混凝土的干縮應(yīng)力僅發(fā)生在表層較淺的范圍內(nèi)，降低混凝土的水泥漿含量可減少混凝土干縮；朱伯芳院士[12]提出水工建筑物施工中除了嚴(yán)格控制基礎(chǔ)溫差外，還需要加強(qiáng)表面保護(hù)，在重要部位建議進(jìn)行永久保溫；朱岳明等[13]主要從混凝土溫度的角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)水工建筑物施工中溫度應(yīng)力的仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)降低混凝土的澆筑溫度可以明顯地降低壩體內(nèi)的最高溫升。

總體而言，當(dāng)前的研究主要集中在干縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力對(duì)混凝土裂縫的成因方面，而溫控措施對(duì)水閘應(yīng)力敏感性分析等研究鮮有報(bào)道。對(duì)于預(yù)防水工混凝土裂縫而言，明確各項(xiàng)溫控措施對(duì)裂縫生成的影響，是制定并優(yōu)化防裂指標(biāo)及措施的基礎(chǔ)和前提。鑒于此，本文以某在建低溫季節(jié)施工的水閘結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，首先對(duì)不采取任何溫控措施情況下的水閘澆筑施工過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬，研究了水閘施工期溫度應(yīng)力時(shí)空分布特性，明確了水閘易裂部位及易裂時(shí)段，在此基礎(chǔ)上，對(duì)澆筑溫度、表面保溫、通水冷卻等對(duì)閘墩和底板應(yīng)力的影響進(jìn)行了敏感性分析，明確了各種因素對(duì)水閘不同部位抗裂特性的影響。

2 基本理論及分析工具

大體積混凝土溫控仿真分析主要涉及混凝土非穩(wěn)定溫度場(chǎng)理論、混凝土非線性彈性徐變應(yīng)力理論及相應(yīng)的有限元法，相關(guān)理論及方法已經(jīng)極為成熟[8]，本文不再贅述。本文計(jì)算分析采用了由長(zhǎng)江科學(xué)院自主研發(fā)的混凝土結(jié)構(gòu)溫控仿真分析軟件，溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力計(jì)算分析采用大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力三維有限元仿真計(jì)算軟件包Ckysts1.0。該軟件是在長(zhǎng)江科學(xué)院大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力三維有限元仿真計(jì)算程序包(包括溫度場(chǎng)程序3DUSTEMP、應(yīng)力程序3DCRCPCG及前后處理程序)基礎(chǔ)上完善升級(jí)而成。溫度場(chǎng)程序3DUSTEMP及溫度應(yīng)力程序3DCRCPCG是為滿足三峽工程建設(shè)相關(guān)研究的需要，1992年由長(zhǎng)江科學(xué)院材料與結(jié)構(gòu)研究所自主研發(fā)，經(jīng)過(guò)了丹江口、三峽等國(guó)內(nèi)大型工程的檢驗(yàn)。尤其在三峽工程中，該軟件包完成了所有主體建筑結(jié)構(gòu)(大壩、廠房、船閘、升船機(jī)等)的溫控仿真分析，成果獲各方一致認(rèn)可和好評(píng)。經(jīng)過(guò)近30 a的發(fā)展和完善，該軟件包已經(jīng)發(fā)展成為一整套具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型水工數(shù)值分析工具，并實(shí)現(xiàn)了CPU+GPU的異構(gòu)并行化改造[14-15]。軟件包先后應(yīng)用于三峽、南水北調(diào)穿黃工程、丹江口大壩加高工程、隔河巖、水布埡、構(gòu)皮灘、彭水、廣西平班、廣西長(zhǎng)洲、小南海、沐若、向家壩、溪洛渡、烏東德、引江濟(jì)淮、引漢濟(jì)渭等大型工程的溫控防裂研究及溫控方案設(shè)計(jì)中。

3 計(jì)算模型及條件

3.1 工程概況及模型

依托某引調(diào)水工程在建水閘工程建設(shè)，該水閘具有引水和排洪兩大功能，引水流量150 m3/s，設(shè)計(jì)排洪流量1 150 m3/s；節(jié)制閘采用開敞式平底閘型式，共7孔，單孔凈寬8.0 m，總凈寬56.0 m。水閘底檻高程為4.10 m，閘頂高程18.35 m，閘室順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)23.0 m，中墩厚1.70 m，邊墩厚1.15 m。閘室采用多孔一聯(lián)整體式結(jié)構(gòu)，共3聯(lián)，中孔段為三孔一聯(lián)、邊孔段為左右兩側(cè)2個(gè)邊孔與岸墻一聯(lián)，中孔段、邊孔段閘室底板寬度分別為29.7 m和36.6 m，底板厚1.5 m。

選取最先澆筑的左聯(lián)邊孔段進(jìn)行概化(長(zhǎng)×寬尺寸為23.0 m×36.6 m)，建立包括水閘及一定范圍(地基各方向尺寸均為該方向水閘結(jié)構(gòu)最大尺寸的1.5倍)內(nèi)地基三維有限元模型(閘身有限元模型見(jiàn)圖1)，采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元128 518個(gè)、節(jié)點(diǎn)148 668個(gè)。充分考慮工程實(shí)際的環(huán)境、材料、結(jié)構(gòu)、施工特點(diǎn)，對(duì)施工全過(guò)程溫度、應(yīng)力及變形進(jìn)行仿真模擬，并分別進(jìn)行澆注溫度、表面保溫、通水冷卻的敏感性分析。此外，考慮到薄壁大體積混凝土結(jié)構(gòu)的特殊性，采用了改進(jìn)埋置單元法(埋置單元見(jiàn)圖1(b))對(duì)通水冷卻降溫過(guò)程進(jìn)行了精細(xì)化模擬[16]。在底板中心高程間距1.0 m×1.0 m布置一層冷卻水管，閘墩中墩2/3高度范圍內(nèi)間距1 m×1 m布置冷卻水管，空箱外邊墻距底板頂面2 m范圍內(nèi)，間距1 m×1 m布置1根2層冷卻水管。計(jì)算工況在表1中列出。表1中，措施1：底板頂面覆蓋一層塑料薄膜的基礎(chǔ)上再蓋1～2層2 cm厚的草袋，在草袋上再添加一層防雨塑料膜/“一布一膜”型土工膜，底板頂面等效熱交換系數(shù)為16.20 kJ/(m·h·℃) ;閘墩上下游圓弧段鋼板內(nèi)貼保溫材料;側(cè)面木質(zhì)模板，15 d拆模，邊界等效熱交換系數(shù)為20 kJ/(m·h·℃)。措施2：在底板中心高程間距1.0 m布置內(nèi)徑為32 mm、壁厚為2 mm的高密聚乙烯(HDPE)冷卻水管進(jìn)行冷卻，冷卻水溫≤13 ℃，冷卻通水流量為3.75 m3/h，持續(xù)通水15 d。措施3：在中墩中心2/3高度范圍內(nèi)布置相同型號(hào)塑料管，間距1 m，冷卻水溫≤10℃，通水流量為3.75 m3/h，持續(xù)通水15 d。

圖1 計(jì)算模型Fig.1 Calculation model

表1 計(jì)算工況Table 1 Calculation conditions

3.2 計(jì)算條件及參數(shù)

3.2.1 混凝土及地基材料熱力學(xué)參數(shù)

3.2.1.1 混凝土熱力學(xué)參數(shù)

水閘采用C25泵送混凝土，混凝土為非線性彈性徐變體，仿真計(jì)算考慮混凝土水化、硬化、徐變特性，相關(guān)參數(shù)根據(jù)長(zhǎng)江科學(xué)院試驗(yàn)成果取值，其中熱學(xué)及變形參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 水閘混凝土推薦配合比的熱學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of thermal performance of sluiceconcrete with recommended mix proportion

基于長(zhǎng)江科學(xué)院試驗(yàn)結(jié)果，擬合混凝土絕熱溫升T、彈性模量E、混凝土強(qiáng)度f(wàn)(t)分別為：

(1)

E=37×(1.0-e-0.92t0.39) ；

(2)

f(t)=3.7(1.0-e-0.65τ0.4) 。

(3)

式中：t為混凝土齡期；τ為時(shí)刻。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，混凝土徐變度按式(4)計(jì)算，即

C(t,τ)=C1(1+9.20τ-0.45)[1-e-0.30(t-τ)]+

C2(1+1.70τ-0.45)[1-e-0.005 0(t-τ)] 。

(4)

式中：C1=0.23/E∞；C2=0.52/E∞；E∞=1.20E28d。

3.2.1.2 地基材料熱、力學(xué)性能參數(shù)

該水閘采用樁土復(fù)合地基，考慮到水閘底板正下方有樁和土組成的復(fù)合地基，根據(jù)單位面積上樁(混凝土樁為C20混凝土攪拌樁)和土所占面積比例，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)[17]，偏于安全考慮，地基考慮為彈性體，估算綜合等效彈模為300 MPa，此外相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表3。

表3 地基材料熱、力學(xué)計(jì)算參數(shù)Table 3 Thermal and mechanical calculation parameters of foundation materials

3.2.2 環(huán)境溫度

施工期日均溫度Ta按當(dāng)?shù)囟嗄暝缕骄鶜鉁財(cái)M合，即

式中tm為月份。

考慮到薄壁混凝土結(jié)構(gòu)受日氣溫變化影響，根據(jù)工程當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，一般午后兩點(diǎn)為當(dāng)天日最高氣溫到達(dá)時(shí)刻，最大晝夜溫差為12 ℃，氣溫日變化Td為

式中：τ為時(shí)刻；Tc為月均日溫差。

3.2.3 抗裂安全度標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，本次計(jì)算抗裂安全度標(biāo)準(zhǔn)取1.65。為便于后續(xù)分析，按式(7)定義仿真計(jì)算得到混凝土抗裂安全度k(t)，即

(7)

式中：f(t)為齡期t時(shí)混凝土強(qiáng)度；σ1(t)為齡期t時(shí)混凝土第一主應(yīng)力?；炷翝仓蟾鞑课徊煌瑫r(shí)間的抗裂安全度的最小值應(yīng)≥1.65的抗裂安全度標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.4 初始及邊界條件

溫度邊界：地基表面為散熱面，底部及側(cè)面考慮為絕熱邊界，從澆筑日期向前推算30 a開始計(jì)算地基溫度場(chǎng)獲取澆筑日地基溫度?；炷粮髅嫔崆闆r根據(jù)不同工況確定。應(yīng)力邊界：地基底部及四周采用法向約束。

3.2.5 施工進(jìn)度安排

仿真計(jì)算按水閘實(shí)際澆筑進(jìn)度模擬，該水閘左邊聯(lián)樁基施工于2019年10月中旬完成，2019年11月初開始底板墊層施工，2019年11月底(28日)開始底板澆筑，2019年12月中旬(15日)開始閘墩澆筑,2020年1月初(5日)開始左岸空箱澆筑；此外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，底板及閘墩均采用連續(xù)澆筑施工方式，高程方向未分層，各部分均在1～2 d內(nèi)連續(xù)澆筑完成。

3.3 特征點(diǎn)布置

為方便問(wèn)題分析，經(jīng)過(guò)優(yōu)選， 選取以下典型截面(見(jiàn)圖2)和特征點(diǎn)(見(jiàn)表4)，其中特征點(diǎn)主要用于分析邊界溫度、應(yīng)力、內(nèi)外溫差及內(nèi)部的溫度應(yīng)力、峰值溫度等數(shù)據(jù)。

圖2 典型截面及特征點(diǎn)布置Fig.2 Typical sections and characteristic points

表4 典型截面及特征點(diǎn)位置Table 4 Typical cross-sections and feature points

4 計(jì)算成果分析

4.1 水閘溫度應(yīng)力時(shí)空分布

4.1.1 水閘溫度應(yīng)力空間分布特性研究

開展水閘溫度應(yīng)力時(shí)空分布特性分析，主要目的是為了明確水閘結(jié)構(gòu)在施工期的易裂部位。仿真計(jì)算結(jié)果表明：

(1)溫度分布方面，在不采取任何溫控措施情況下，由于水化熱和散熱共同作用，底板及閘墩溫度場(chǎng)整體均呈現(xiàn)內(nèi)部溫度高、表面溫度低的特點(diǎn)。而由于底板較閘墩厚，且主要靠頂面散熱，因此底板內(nèi)部溫度峰值(見(jiàn)圖3(a))明顯高于閘墩，11月底水閘底板內(nèi)部峰值溫度達(dá)到了58 ℃左右，較厚的閘墩內(nèi)部峰值溫度達(dá)到了51 ℃，較薄的邊墩內(nèi)部峰值溫度在45 ℃左右。

圖3 無(wú)溫控措施溫度應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculation results of temperature field and stress field in the absence of temperature control measures

(2)應(yīng)力及開裂風(fēng)險(xiǎn)方面，在不采取任何溫控措施的情況下，受溫度和約束條件影響，底板中部(尤其是上下游中部)、閘墩中下部、空箱下部底板及側(cè)邊厚邊墻底板在施工期均產(chǎn)生了極大的拉應(yīng)力(見(jiàn)圖3(b))。其中，對(duì)于閘墩而言，中下部約束最大，因此最大拉應(yīng)力最大，達(dá)2.78 MPa(見(jiàn)圖3(b))，最小抗裂安全度<1.0(見(jiàn)圖3(c)和圖3(d))，開裂風(fēng)險(xiǎn)極高，這也解釋了類似工程中閘墩中部容易出現(xiàn)“棗核型”裂縫的原因。

4.1.2 水閘溫度應(yīng)力隨時(shí)間變化規(guī)律

開展水閘溫度、應(yīng)力隨時(shí)間變化規(guī)律研究，主要是為了明確水閘不同部位易裂時(shí)段，并在此基礎(chǔ)上明確不同部位關(guān)鍵致裂因素。計(jì)算結(jié)果(圖4)表明：

圖4 特征點(diǎn)溫度及應(yīng)力歷程Fig.4 Time histories of temperature and stress at characteristic points

(1)在溫度方面，不采取任何措施的情況下，受澆筑初期水化熱影響，底板及閘墩內(nèi)部在齡期2 d左右達(dá)到溫度峰值，此后隨氣溫下降和表面散熱，各部位溫度快速下降，澆筑后2個(gè)月基本下降到當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度10 ℃左右。由于未采取保溫措施，底板峰值內(nèi)外溫差超過(guò)了28 ℃，而閘墩較薄峰值內(nèi)外溫差13 ℃左右。

(2)與溫度變化歷程對(duì)應(yīng)，在應(yīng)力方面，受內(nèi)外溫差和晝夜溫度變化的影響，底板及閘墩表面在澆筑初期即產(chǎn)生了超過(guò)混凝土強(qiáng)度的表面拉應(yīng)力，后期隨著溫度降低，溫差減小，底板、閘墩由于整體降溫收縮受到底部約束，內(nèi)部應(yīng)力開始逐漸上升，并在齡期20 d左右內(nèi)部應(yīng)力基本達(dá)到峰值，而閘墩在澆筑完1周左右，其內(nèi)部應(yīng)力超過(guò)混凝土允許拉應(yīng)力(開裂風(fēng)險(xiǎn)較高)。值得注意的是，澆筑后20 d左右，底板降溫幅度約25 ℃，拉應(yīng)力增幅2.0 MPa，閘墩兩面散熱，降溫幅度38 ℃左右，應(yīng)力增幅3.0 MPa，單位降溫在底板和閘墩內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力接近(約0.08 MPa/℃)。究其原因，面板主要受底部地基及樁基礎(chǔ)約束，雖然地基和樁對(duì)底板水平向約束較小，但約束面積較大；而閘墩雖然底部受面板約束面積較小，但底板強(qiáng)度高，最終整體約束程度與前者基本相當(dāng)，因此在各自澆筑后相同齡期內(nèi)產(chǎn)生了接近的應(yīng)力增加率。總之，對(duì)于低溫季澆筑的水閘而言，若不采取任何溫控措施，在澆筑后1～2 d內(nèi)，極有可能出現(xiàn)表面裂縫；底板在澆筑后1個(gè)月內(nèi)，極有可能出現(xiàn)深層甚至貫穿性裂縫，而閘墩在澆筑后一周左右即有可能在中下部開裂，出現(xiàn)常見(jiàn)的“棗核型”裂縫。

4.2 澆筑溫度對(duì)水閘溫度應(yīng)力的影響分析

在低溫季節(jié)，混凝土澆筑后20 d以內(nèi)的整體降溫收縮會(huì)引起底板及閘墩應(yīng)力的大幅上升，對(duì)防裂極其不利。而澆筑溫度是混凝土進(jìn)行結(jié)構(gòu)和溫度場(chǎng)計(jì)算分析的起始溫度，其大小直接影響結(jié)構(gòu)峰值溫度和整體降溫幅度。為明確澆筑溫度對(duì)水閘溫度應(yīng)力的影響，同時(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況(當(dāng)月均溫20 ℃左右)，分別選擇20、23、25 ℃的澆筑溫度進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，澆筑溫度越低，水閘各部位最高溫度越低、應(yīng)力越小、抗裂安全度越高；澆筑溫度越高，最高溫度越高、應(yīng)力越大、抗裂安全度越小。在20～25 ℃之間，澆筑溫度每下降1 ℃，最高溫度下降0.4～0.9 ℃，應(yīng)力減小0～0.085 MPa，抗裂安全度增加0～0.08(見(jiàn)表5)。但降低澆筑溫度后，水閘底板和閘墩表面及內(nèi)部部分區(qū)域的最小抗裂安全度仍然無(wú)法滿足1.65的抗裂安全度指標(biāo)要求，因此單純控制澆筑溫度，防裂作用有限，需要采取其他防裂措施。

表5 不同澆筑溫度下部分特征點(diǎn)溫度、應(yīng)力、最小抗裂安全度變化Table 5 Changes of temperature，stress,and minimum anti-cracking safety at some characteristic points underdifferent pouring temperatures

4.3 表面保溫對(duì)水閘溫度應(yīng)力影響分析

如前所述，底板及閘墩在澆筑早期，內(nèi)外溫差及晝夜溫差在表面產(chǎn)生大應(yīng)力，極易引起表面裂縫，而單純控制澆筑溫度很難有效避免表面裂縫的發(fā)生。本節(jié)討論表面保溫對(duì)各部位溫度應(yīng)力特性的影響，在澆筑過(guò)程中采用草袋和土工膜對(duì)底板倉(cāng)面進(jìn)行保溫，等效熱交換系數(shù)為16.20 kJ/(m·h·℃)，考慮閘墩木制模板保溫作用(等效熱交換系數(shù)0.837 kJ/(m·h·℃))。計(jì)算結(jié)果表明，在底板及閘墩采取表面保溫措施后，由于內(nèi)外溫差減小，底板表面最大應(yīng)力有所減小，部分區(qū)域抗裂安全度能夠接近1.65的抗裂安全度要求。如圖5所示，分縫墩附近、閘門槽等區(qū)域表面最大應(yīng)力仍達(dá)到1.8 MPa以上。中截面大部分區(qū)域應(yīng)力在1.8 MPa以下，但空箱下部，底板上下游邊界，閘墩下部應(yīng)力達(dá)到2.7～3.0 MPa。底板中部的表面抗裂安全度基本能達(dá)到1.6，但在上下游區(qū)域、門槽內(nèi)、分縫墩附近抗裂安全度均在1.6以下(接近1.0)，開裂風(fēng)險(xiǎn)極高。底板內(nèi)部大部分區(qū)域仍然<1.65，門槽內(nèi)部底板上下游面，空箱邊墻底部抗裂安全度甚至<1.4，開裂風(fēng)險(xiǎn)較高。

圖5 表面保溫后底板應(yīng)力與安全度Fig.5 Stress and safety of floor after surface heatpreservation

考慮1.5 cm厚木制模板保溫作用，兩端圓弧段采用剛模板外嵌貼2 cm厚橡塑海綿保溫后，閘墩表面絕大多數(shù)區(qū)域應(yīng)力依然較大，閘墩表面上下游端部偏下部位應(yīng)力更是超過(guò)2.2 MPa(見(jiàn)圖6)。左聯(lián)3個(gè)閘墩中，中墩表面應(yīng)力最大，分縫墩及邊墩應(yīng)力基本相當(dāng)。此時(shí)閘墩表面絕大多數(shù)區(qū)域最小抗裂安全度僅能達(dá)到1.0左右(尤其是中墩表面最小抗裂安全度最小)，開裂風(fēng)險(xiǎn)極高。閘墩內(nèi)部大應(yīng)力出現(xiàn)在閘墩中下部，應(yīng)力在2.3～2.7 MPa范圍內(nèi)，局部抗裂安全度甚至<1.0，開裂風(fēng)險(xiǎn)極高。

圖6 表面保溫后閘墩應(yīng)力與安全度Fig.6 Stress and safety of pier after surface heatpreservation

需要注意的是，采取表面保溫后，底板及閘墩內(nèi)部熱量散失變緩，底板降溫過(guò)程延后，而隨著混凝土齡期的增大，單位降溫所產(chǎn)生的應(yīng)力增大，會(huì)使底板內(nèi)部特征點(diǎn)抗裂安全度有所降低。因此，單純采用表面保溫措施早期可以在一定程度上避免表面淺層裂縫的產(chǎn)生，但后期內(nèi)部開裂的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)有所增大。

4.4 通水冷卻對(duì)水閘溫度應(yīng)力影響的分析

對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)而言，峰值溫度越高對(duì)混凝土防裂越不利，利用通水冷卻“削峰”是最有效的防裂措施。同時(shí)，通水冷卻也可以靈活控制降溫速率，合理降溫，控制溫度應(yīng)力。為此，對(duì)采用HDPE塑料冷卻水管(布置方案見(jiàn)3.1)進(jìn)行通水冷卻后的水閘溫度及應(yīng)力進(jìn)行模擬(見(jiàn)圖7)。計(jì)算結(jié)果表明，采取通水措施后，底板絕大部分區(qū)域最大應(yīng)力在0.8～1.3 MPa，底板后期內(nèi)部應(yīng)力水平及大應(yīng)力區(qū)域范圍明顯減小。底板表面最小抗裂安全度進(jìn)一步提高，滿足1.65抗裂安全度指標(biāo)要求的區(qū)域范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。除了空箱邊墻下部局部區(qū)域外，底板中部絕大多數(shù)區(qū)域抗裂安全度能夠滿足1.65的抗裂要求。

圖7 采取保溫+通水措施對(duì)底板的影響Fig.7 Effect of surface heat preservation combined withwater cooling measures on stress and temperature of floor

如圖7所示，底板內(nèi)部峰值溫度降低5 ℃左右，早期降溫速率增大2.0～1.5 ℃/d左右。內(nèi)外溫差最大值從18 ℃減小到了12 ℃左右(內(nèi)外溫差最大值：無(wú)措施為28.7 ℃，保溫為18 ℃，保溫+通水為12 ℃)。與單純表面保溫情況下相比，表面應(yīng)力水平明顯降低，以底板表面特征點(diǎn)T1為例，早期表面應(yīng)力峰值減小至1.0 MPa以下，滿足防裂要求，后期底板表面受晝夜溫差影響將產(chǎn)生0.3 MPa左右的應(yīng)力變幅，后期表面應(yīng)力基本穩(wěn)定。由于底板峰值溫度降低，基礎(chǔ)溫差減小，底板內(nèi)部點(diǎn)應(yīng)力明顯減小，與僅采用表面保溫措施相比，底板內(nèi)部應(yīng)力將降低0.5～0.7 MPa，內(nèi)部應(yīng)力小于混凝土允許應(yīng)力。此外，采用通水降溫后，底板內(nèi)部應(yīng)力變化基本穩(wěn)定。

上述計(jì)算成果分析說(shuō)明，對(duì)于底板而言，最為合適的防裂手段是以表面保溫+通水冷卻為主，2種措施相結(jié)合，盡可能在低溫時(shí)段澆筑。底板基本能夠達(dá)到防裂要求。但實(shí)施過(guò)程中要確保保溫效果，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)冷卻降溫速率及冷卻降溫幅度的控制。通水冷卻后，閘墩表面及內(nèi)部應(yīng)力降幅相對(duì)較小，表面抗裂安全度略有提高，但仍然難以達(dá)到1.65的抗裂安全度要求，同時(shí)內(nèi)部抗裂安全度依然較小。上述結(jié)果表明，對(duì)于低溫季節(jié)澆筑的厚1.0 m左右的薄閘墩而言，由于環(huán)境溫度低，冷卻水管較兩側(cè)的大散熱面而言，對(duì)閘墩降溫的貢獻(xiàn)相對(duì)較小，需要進(jìn)一步考慮其他因素的影響?？紤]到閘墩澆筑時(shí)當(dāng)?shù)仄骄鶞囟然驹?0 ℃以下，混凝土制備和運(yùn)輸環(huán)境溫度相對(duì)較低，如能保證在低溫時(shí)段(夜間)開倉(cāng)澆筑，則有可能將澆筑溫度控制在15～17 ℃。計(jì)算表明在保溫、通水基礎(chǔ)上，將澆筑溫度降低至15 ℃和17 ℃后，閘墩內(nèi)部特征點(diǎn)應(yīng)力均在允許應(yīng)力以下。因此，對(duì)于低溫季節(jié)澆筑的薄閘墩而言，除了保溫和通水冷卻降溫外，進(jìn)一步采取措施(如制冷混凝土或低溫時(shí)段澆筑)，控制澆筑溫度，才能確保閘墩防裂效果。

5 結(jié) 論

(1)澆筑溫度越低，水閘各部位最高溫度越小、應(yīng)力越小、抗裂安全度越高，對(duì)水閘防裂越有利。由于底板為單面散熱、閘墩為兩面散熱，澆筑溫度對(duì)閘墩抗裂安全度的影響大于底板。僅降低澆筑溫度后，水閘不同部位表面及內(nèi)部特征點(diǎn)的最小抗裂安全度仍然無(wú)法滿足1.65的抗裂安全度指標(biāo)要求(尤其是底板)。

(2)底板及閘墩采取表面保溫措施后，由于內(nèi)外溫差減小，底板表面最大應(yīng)力明顯減小，大部分區(qū)域抗裂安全度能夠接近1.65的抗裂安全度要求，采用表面保溫措施早期可以有效避免表面淺層裂縫的產(chǎn)生，但底板后期內(nèi)部開裂的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)有所增大。

(3)底板和閘墩采用通水冷卻措施后，底板內(nèi)部點(diǎn)應(yīng)力明顯減小，絕大多數(shù)區(qū)域抗裂安全度能夠滿足1.65的抗裂要求。對(duì)于低溫季節(jié)澆筑的厚1.0 m左右的薄閘墩而言，在中墩2/3高度范圍內(nèi)布置冷卻水管后，對(duì)抗裂安全度提高有限，需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步控制澆筑溫度。

(4)對(duì)于底板而言，最為合適的防裂手段是以表面保溫+通水冷卻為主，控制澆筑溫度為輔，2種措施相結(jié)合，但實(shí)施過(guò)程要確保表面施工質(zhì)量，同時(shí)注意冷卻降溫速率及冷卻降溫幅度的控制。對(duì)于薄閘墩，溫控防裂手段以表面保溫+控制澆筑溫度為主，可以在中墩高度2/3范圍內(nèi)布置冷卻水管作為輔助，但要嚴(yán)格控制通水冷卻降溫速率。