澆筑溫度對碾壓混凝土重力壩溫度應力的影響

尉陽陽

中國水利水電第四工程局有限公司，青海西寧 810000

碾壓混凝土重力壩在施工時，將質地非常硬的混凝土使用土石壩碾壓技術，進行平倉、填筑成壩。由于施工時充分地吸收了土石壩施工技術的優點，因此，該水利壩體在施工時所需的用水量和凝膠材料相對較少，花費的施工成本低，施工人員可以在較短的時間內快速完工。但是在施工階段由于氣候、溫度等因素的影響，使得澆筑混凝土的溫差較大，導致材料會發生伸直或者收縮表現，進而使得材料結構發生變化，產生溫度應力。當混凝土材料中的拉伸值低于該種應力值后，即就會造成水壩混凝土結構變形、裂縫等問題。本文的研究，選取我國西南某地的一處碾壓混凝土重力壩作為研究對象，通過有限元軟件對混凝土澆筑溫度進行仿真計算，使得溫度應力和混凝土結構的拉伸值之間處于平衡的狀態下，進而實現水壩高質量、高效率的施工建設。該重力壩位于我國的廣西省，總高程和壩高需要達到240m和140m，壩體的大部分區域使用碾壓混凝土施工，基底層應用常態混凝土來施工，此外，碾壓混凝土還應用在水壩的防滲層中。由于碾壓混凝土重力壩在施工時的碾壓層較多，因此在施工方案中明確規定每層的厚度控制在40cm，經過八、九層的碾壓施工后，需要停工一周左右的時間。該項目施工的時間從當年的1月開始，直至當年的12月結束，基底層的施工時間在1月份，后面即可開始壩體的混凝土澆筑施工，直至6月停工，10月繼續進行施工直至在工期內完成重力壩的全部施工。

1 碾壓混凝土重力壩降溫分析

重力壩在施工時，需要借助于碾壓設備來對混凝土進行大面積的碾壓作業，使用的水泥量較少，以此在水化熱反應少的情況下使得溫差可以控制在較低的程度，進而保證混凝土的質量。重力壩的溫度應力，在項目施工的全過程中在3個階段中均有存在：首先為早期應力。該種應力開始于澆筑作業的起始階段。在澆筑作業完工和水泥放熱結束后，部分應力遺留在結構內部。處于該時期的應力具有以下的特點：重力壩施工使用的水泥，在水的混合作用下會放出大量的熱量，以此產生的溫度應力無法及時有效的排出，導致混凝土的強度等性能降低，進而在澆筑材料的表面上留有較多的裂縫[1]。同時，澆筑的物料處于彈性期時，受到外界應力的影響，使得混凝土整體結構發生變形。其次是中期應力。產生于水放熱結束后，隨著混凝土熱量的逐步降低，聯合早期應力共同對混凝土結構進行影響，直至混凝土溫度完全降低且穩定時，應力會消失[2]。最后則為晚期應力。在氣候、水文條件的影響下，使得澆筑溫度在穩定狀態下的混凝土結構溫度應力會發生變化，在早期、中期殘余的應力聯合作用下，造成重力壩混凝土結構的諸多問題。

2 仿真計算概述

在對碾壓混凝土重力壩溫度應力的控制中，需要對應力進行仿真計算。具體的步驟包括：首先，構建三維仿真計算模型。本次仿真計算中使用的軟件為ANSYS有限元軟件，將整體的壩體結構劃分為一個個區域較小的單元，在其中輸入施工相關參數（施工日期、澆筑溫度）進行假定性的應力計算，以此將獲得的施工各個結構單元區域中存在的溫度應力進行聯合計算，獲得重力壩整體的溫度應力[3]。其次，模擬不同的工況，得出對應的溫度應力。最后，分析溫度應力受到澆注溫度產生的具體影響。

3 仿真計算原理、方法、參數

3.1 仿真計算原理分析

首先，溫度場計算原理。計算時依據能量守恒定律，在有限元軟件中假設一個包含有大量熱量的同性體（劃分為均勻的六面體），研究該結構吸收、釋放、外界干擾的三者能量之間是否處于平衡狀態。計算后的溫度場需符合公式的要求。其次，應力場計算原理。根據得出的溫度場數據，與碾壓后的混凝土結構進行結合，以此在仿真軟件中分析劃分出的各個單元結構中的彈性應力。計算公式為：。最后，徐變分析原理。重力壩的混凝土材料屬于非均質材料，并非是重力壩施工時的最佳彈性材料。非均質材料的性質隨著使用坐標的變化，導熱性也會相應的發生變化，最終在荷載穩定的狀態下材料會發生蠕變。通過徐變計算公式，即可得出蠕變的參數值，進而降低溫度應力[4]。

3.2 計算方法

水壩混凝土碾壓施工時間多需要在溫度較低的春秋冬季節來進行，夏季氣候炎熱施工時的澆筑溫度過高。同時，在施工時每層碾壓混凝土施工的時間需要控制在7h左右，每次施工的層數超過9層以后，施工單位需停工一段時間，工期內溫度較高時則需長時間停工，以此避開夏季的高溫[5]。因此，在模擬計算時，需要沿著壩體高度以網格狀劃分為區塊，結合溫度場、應力場、徐變計算公式，來對每層每個網格中的混凝土進行計算，但是計算時的時間步長、運行期步長時間有著較大的差異性，使得澆筑全過程中的溫度應力計算工作量非常大。為了減輕計算量，加快應力計算的效率，可以先對碾壓完工的混凝土層進行溫度應力計算，如果下層的應力值較小時，可以將每個小網格進行聯合形成大網格，以此減少計算的階點，獲得精度較高的溫度應力，合理的對澆筑溫度進行調節。

3.3 計算參數

有限元軟件在應力場、溫度場等指標的計算中，需要對該項目施工中涉及的各項參數值進行把握，以此通過對參數的計算獲得合理的計算結果。首先，重力壩具體施工位置的氣溫參數。研究中選取的位于廣西的重力壩，所處區域氣候條件為亞熱帶氣候區，降雨量較多，但是每年干燥天氣的保持時間較長，夏季太陽的日照時間長，天氣非常炎熱，夏季溫度多在38℃以上。其次，混凝土材料配比參數。該重力壩施在進行澆筑材料的配比時，選用的材料為硅酸鹽水泥和二級配混凝土等材料，這兩項材料在配比中分別要占據40%、30%的含量值。然后，水溫參數。重力壩施工中不同水位下，水的溫度各有不同，隨著水深的增加，溫度值會不斷的下降，同時下游水位較深，溫度也高于上游的水溫。最后，基巖溫度參數。施工區域的巖石層為白云質灰巖，質地非常堅硬，對巖石表面和下部的溫度進行監測，可知溫度為17℃左右，隨著巖石深度的不斷增加，溫度會相應升高。此外，還需要對混凝土、基巖的實際性能、溫度場等參數進行計算，以此在材料性能的基礎上，聯合影響澆筑溫度的參數，共同在軟件中對重力壩的施工情況進行全面的分析。

4 計算結果分析

本次按照仿真計算三種原理計算公式，共分為兩種工況來分析影響：溫差下的澆筑溫度、停工期的澆筑溫度。重力壩壩體溫度的溫度場較為穩定時，位于壩基底部和壩體上游區域的混凝土材料處于最低值，遠低于上部和下游的溫度，導致水壩混凝土結構內部和周邊區域之間存在著較大的溫差，產生較大的溫度壓力。并且位于水壩各個區域的溫度應力在不同時間，有著不同的數值表現，因此，可以在重力壩中選取節點進行溫度應力的仿真計算。在施工工期較為接近的時期內，以及施工中間停工的階段，水壩的最高溫度值隨著澆筑溫度發生著相應的變化，澆筑溫度處于最低值時，最高溫度值和溫度應力值均為最小值。但是澆筑溫度超過18℃之后，水壩本身的溫度會發生變化，進而產生較大的溫度應力，致使水壩結構出現異常的變化表現。同時，此類工程施工期間停工時間有長短的區別，澆筑溫度較高時施工單位可以短暫的停工，以此使得重力壩可以在該階段進行熱量的釋放排出處理，減少溫度應力的干擾。在溫度較高的氣候條件下施工，由于每天混凝土施工也會產生較高的熱量，兩種熱量可以共同對重力壩的溫度應力造成不良影響，因此，重力壩水利工程盡量要避免在夏季進行施工，夏季炎熱天氣里可以長時間的停工，待到氣溫下降后再繼續施工。

5 結語

以碾壓技術處理的混凝土重力壩施工項目，為了減少由于溫度應力所致的質量問題，在溫度較高的季節時，在材料的澆筑施工中出現的應力可以采用降溫手段，使得水化熱、混凝土受熱后造成的材料溫度升高情況進行合理的控制，以此使得溫度應力參數處于標準的范圍內，提高重力壩基體和防滲層混凝土的質量。

[1] 張澤眾.碾壓混凝土重力壩施工期溫控措施及溫度應力優化研究[D].西北農林科技大學，2015.

[2] 楚段段.寒潮作用下高海拔地區混凝土重力壩防裂措施研究[D].西寧：青海大學，2015.

[3] 楊海嬌.碾壓混凝土拱壩溫控仿真研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2014.

[4] 馬志遠.碾壓混凝土重力壩施工溫度控制問題研究[D].鄭州：鄭州大學，2009.

[5] 張國新.碾壓混凝土壩的溫度應力與溫度控制[J].中國水利，2007（21）：4-6.