馬 寧

(黑龍江省慶達水利水電工程有限公司，哈爾濱 150000)

0 前 言

混凝土大壩施工期普遍存在裂縫，正確掌握大壩溫度應力分布，采取合理溫控設計措施對指導混凝土施工意義重大。文章結合混凝土溫度應力有限元原理，結合實際工程計算分析混凝土出機溫度、入倉溫度和澆筑溫度，比對溫度控制標準，提出施工期不同月份應采取的溫控措施，結論對混凝土大壩溫度控制具有一定的指導價值。

1 工程概況

某水利樞紐工程位于中國四川省境內，水庫總庫容為6.87×108m3，調節(jié)庫容為6.2×108m3。工程規(guī)模為大Ⅰ型，樞紐建筑物包括大壩、泄洪系統(tǒng)、引水洞、右岸發(fā)電廠房等[1]，攔水壩為碾壓混凝土拱壩，最大壩高124m，壩頂寬10m。

根據氣象站1971-2010年資料統(tǒng)計，多年平均氣溫13.5℃，極端最高氣溫38.2℃，最低氣溫-15.3℃；多年平均降水量874mm，多年平均蒸發(fā)量1315mm，多年平均風速1.2m/s，風向多SSW，11月—次年3月為土層冰凍期，最大凍土深度10cm。碾壓混凝土拱壩體型圖，見圖1；應力增量示意圖，見圖2。

圖1 碾壓混凝土拱壩體型圖

2 溫度應力有限元原理

溫度變形只產生剪應變，單元等效結點溫度荷載表達式為[2]：

(1)

式中：[B]為應變與位移的轉換矩陣；[D]為彈性矩陣。

混凝土是彈性徐變體，其徐變柔度為：

(2)

式中：E(τ)為瞬時彈性模量；C(t,τ)為徐變度。

圖2 應力增量示意圖

定義應力在時段△τi呈線性變化，則彈性應變增量{△εne}為：

(3)

應力增量與應變增量關系為：

(4)

單元的結點力增量為：

{△F}e=?[B]T{△σ}dxdydz

(5)

將單元整體集成，可得整體平衡方程[3]：

[K]{△δn}={△Pn}L+{△Pn}C+{△Pn}T+{△Pn}0+{△Pn}S

(6)

相互疊加可得各單元τn的應力為：

{σn}=∑{△σn}

(7)

3 溫度控制標準[4]

壩體混凝土基礎允許溫差，見表1。

表1 壩體混凝土基礎允許溫差

混凝土容許最高溫度包括出機口溫度、澆筑溫度，層間厚度、冷卻水管或澆筑過程中采取隔熱保護、噴霧等措施來實現。壩體混凝土容許最高溫度，見表2。

表2 壩體混凝土容許最高溫度

4 溫度計算分析

4.1 出機口溫度計算

混凝土出機口溫度與原材料溫度有關，考慮主要原材溫度的混凝土出機口溫度計算式為[5]：

(8)

出機口溫度計算針對壩體用量最大的C9025二、三級配碾壓混凝土，碾壓混凝土配合比，見表4；自然拌和各原材料溫度，見表5；自然拌和時各強度等級混凝土出機口溫度，見表6。

表4 碾壓混凝土配合比

表5 自然拌和各原材料溫度

表6 自然拌和時各強度等級混凝土出機口溫度

自然拌和情況下，碾壓三級配混凝土各月的出機口溫度平均高于對應月份的平均氣溫，基本超過各平均氣溫1.8-3.5℃；二級配混凝土各月的出機口溫度也均高于月平均氣溫，超過各月平均氣溫3.6-5.3℃。

4.2 入倉溫度

混凝土入倉溫度按：

T1=T0(Ta+R/β-T0)×(φ1+φ2+φ3+…φn)

(9)

式中：T1為入倉溫度；T0為出機口溫度；Ta為運輸氣溫；R/β為太陽輻射熱溫升；φ1+φ2+φ3+…φn為溫度回升系數。

對混凝土各月入倉溫度進行計算，混凝土入倉溫度，見表7。

表7 混凝土入倉溫度

4.3 澆筑溫度

混凝土澆筑溫度按經驗公式：

Tp=T1+(Ta+R/β-TI)(φ1+φ2)

(10)

式中：Tp為澆筑溫度；T1為入倉溫度；Ta為環(huán)境溫度；R/β為太陽輻射熱溫升；φ1為溫度系數，φ1=kτ，k=0.0030(1/min)，τ取20min。

碾壓混凝土覆蓋時間取1-6h，每小時計算澆筑溫度，太陽輻射熱按100%，70%，30%和0進行折減，層面保溫下的C9025碾壓三級配混凝土澆筑溫度計算結果，C9025碾壓三級配混凝土澆筑溫度，見表8。

表8 C9025碾壓三級配混凝土澆筑溫度

自然拌和情況下，碾壓混凝土各月的出機口溫度均比相應月的月平均氣溫高，超過各月平均氣溫1.8-3.5℃。低氣溫月1月、12月存在溫度過低現象，應加熱水拌和混凝土，控制混凝土澆筑溫度>5℃。高氣溫月份5-9月應采取遮擋太陽、水路循環(huán)冷卻或噴霧等方式降低混凝土的溫度回升。4月、10月拌制的碾壓混凝土粗骨料風冷至10℃，5月、9月粗骨料風冷至7℃，6月風冷至6℃，7月和8月風冷至5℃。

5 結 論

文章基于混凝土溫度應力有限元基本理論，結合工程實際計算施工期混凝土的出機口溫度、入倉溫度和澆筑溫度，對比溫度控制標準，提出不同月份對原材溫度和混凝土溫度的控制措施，通過現場實測和計算結果對比，分析認為合理的溫控措施能夠有效降低溫度應力，保證大壩混凝土的澆筑質量。