邱家湖进退洪闸混凝土施工的温度控制与徐变应力分析

陈 宝

邱家湖进退洪闸混凝土施工的温度控制与徐变应力分析

陈 宝

一、工程背景

邱家湖蓄洪区位于安徽省颍上县，进退洪闸位于上口门向东约2.5km附近，采用潜孔式水闸型式，设计流量为1000m3/s，为Ⅱ等大（2）型水闸。邱家湖进退洪闸共7孔，单孔净宽为10m，总净宽70m。水闸底槛高程为19.5m，闸顶高程29m，闸室顺水流方向长17m，中墩厚1.3m，边墩厚1.2m，闸室总宽度为80.2m。闸室底板为分离式底板型式，大、小底板均厚1.4m。

二、混凝土温控计算目的

对于水闸工程来说，大部分裂缝是因温控不当而产生的温度裂缝，修建在土基上的水闸，其墩墙较底板更容易产生裂缝。墩墙裂缝的特点是“上不着顶，下不着底”“中间宽、两头尖”的“枣核形”裂缝。所以必须要对温度裂缝引起足够的重视。

为了清楚地了解闸底板和墩墙混凝土的温度特性及温度应力，结合邱家湖进退洪闸工程，通过建立三维有限元模型，进行温度场和徐变应力场仿真计算，然后综合混凝土裂缝产生机理和影响因素、温度场及应力场分析成果，提出适合的水闸底板和墩墙的混凝土施工温控措施及防裂设计。

三、计算仿真处理及计算工况

计算仿真过程就是对混凝土施工过程、外界条件及其材料性质的变化等因素进行较为精确细致的模拟计算，以得到与实际相符合的解。通过建立水闸的闸底板—墩墙—地基系统三维有限元模型，对底板、墩墙的温度场进行仿真分析，研究减小底板、墩墙的基础温差和内外温差的措施。基于上述仿真分析结果，进行底板—墩墙徐变应力场仿真分析，进一步验证、确定合理的温控措施。

根据邱家湖进退洪闸工程需求及实际混凝土浇筑采用的温控措施，分析了如下工况：

工况1：常态混凝土，采用竹胶模板，仿真分析底板—墩墙温度场和应力场。

工况2：泵送混凝土，采用竹胶模板，仿真分析底板—墩墙温度场和应力场。

工况3：泵送混凝土，采用竹胶模板，内贴2.5cm塑料保温板，仿真分析底板—墩墙温度场和应力场。

工况4：泵送混凝土，采用竹胶模板，内贴2.5cm塑料保温板，通冷却水（18℃），仿真分析底板—墩墙温度场和应力场。

四、计算模型

计算模型底板厚1.4m，墩墙长15.5m，墩墙厚 1.2m，高 8.5m，计算采用地基—底板—墩墙三维有限元计算模型。

计算域范围：向上游、下游取0.6倍墩墙高，地基取1.2倍墩墙高。共剖分六面体八节点等参单元10996个，节点13489个，其中混凝土共剖分单元8812个。建立有限元模型时，以x向为顺水向，z向为垂直向。

温度（或应力）历程曲线结果特征点分别选取墩墙表面和内部各特征点，如图1所示。

五、闸底板和墩墙施工期温度场分析

温度场是模拟施工过程和考虑不同边界条件以及水泥水化热随时间变化等因素仿真计算得出的。施工期温度场仿真计算的目的：一是通过数值计算预测底板和墩墙在施工过程中的温度变化过程；二是确定底板和墩墙应力计算的温度荷载，温度场计算得到的相邻时间步的变温作为应力计算相应时间步的温度荷载。

1.常态混凝土和泵送混凝土温度场对比

全部采用常态混凝土（工况1）与全部采用泵送混凝土（工况2）浇筑底板和墩墙时的特征点温度场对比如下：

（1）底板和墩墙混凝土先水化热温升，然后由于热量与环境气温的交换而降低，由于仅采用竹胶模板，墩墙浇筑完成半个月后，墩墙表面和内部的温度趋于接近。

（2）泵送混凝土因水泥用量大、水灰比大、坍落度大，所以由水泥水化热引起绝热温升高。

（3）采用泵送混凝土浇筑时，特征点处内外温差较采用常态混凝土更大，全部采用泵送混凝土施工比全部采用常态混凝土施工更容易产生裂缝。

2.不同表面保温下温度场对比

在施工均为泵送混凝土浇筑时，采用竹胶模板（工况2）与采用竹胶模板+内贴塑料保温板（工况3）浇筑底板和墩墙时的特征点温度场对比如下：

图1 特征点示意图

（1）表面按工况3进行保温时，混凝土表面和内部的最高温度均有提高。

（2）表面按工况3进行保温时，特征点处内外温差较工况2的内外温差减小。

3.不通水冷却和通水冷却温度场对比

在施工均为泵送混凝土浇筑并采用竹胶模板+内贴塑料保温板时，墩墙不进行通水冷却（工况3）和通水冷却（工况4）时特征点温度场对比如下：

（1）通水冷却时，混凝土表面和内部的最高温度降低，而且最高温度出现的时间提前。

（2）通水冷却时，特征点处内外温差较不通水冷却时的内外温差减小。

图2 常态混凝土与泵送混凝土浇筑3m处特征点内外顺水向应力过程线图

图3 不同表面温度下3m处特征点内外顺水向应力过程线图

图4 不同冷却方式下3m处特征点内外顺水向应力过程线图

六、闸底板和墩墙施工期徐变应力场分析

仿真应力场计算模拟了底板和闸墩受到气温、自重、徐变、自生体积变形等多种自身和外部的复杂变化的作用和计算体型的不断变化。温度荷载根据温度场计算结果得出。按设计的工况进行了底板—墩墙施工期应力场仿真分析，以下从几个方面进行对比分析。

1.常态混凝土和泵送混凝土应力场对比

常态混凝土（工况1）与泵送混凝土（工况2）浇筑水闸底板和墩墙时，特征点应力过程线比较如图2。

根据应力场分析可知：

（1）墩墙中间先随水化热温升而受压，然后随着降温而拉应力逐渐增大；墩墙表面则相反，先受拉，然后随着温度的降低而压应力增大。

（2）由于泵送混凝土引起的墩墙内部最高温度高，而且泵送混凝土的弹性模量也较常态混凝土的弹性模量大，所以泵送混凝土无论初期的受压及后期的受拉都比常态混凝土的大。

2.不同表面保温下应力场对比

在施工均为泵送混凝土浇筑时，采用竹胶模板（工况2）与采用竹胶模板+内贴塑料保温板（工况3）浇筑底板和墩墙时，特征点应力过程线比较如图3。

根据应力场分析可知：

（1）由于工况3进行表面保温，减小了墩墙的内外温差，使墩墙混凝土的应力得到较好的改善。按工况3浇筑时，特征点中部后期的最大拉应力较工况2降低，且最大拉应力出现的时间相对延迟，由于后期混凝土强度增大了，这对混凝土的抗裂有利。由于墩墙因表面保温度而内部温度高，后期降温时，墩墙内部拉应力仍然有所增大。

（2）另外，按工况3进行表面保温，墩墙表面的应力也有很好的改善。

3.不通水冷却和通水冷却应力场对比

在施工均为泵送混凝土浇筑并采用竹胶模板+内贴塑料保温板时，墩墙不进行通水冷却（工况3）和通18℃水冷却（工况4）时，特征点应力过程线比较如图4。

根据应力场分析可知：

（1）由于通水冷却，使墩墙内最高温度下降，所以工况4的应力较工况3的应力有所改善。

（2）值得注意的是，在墩墙内通冷却水期间，在冷却水管周边产生较大的拉应力。由仿真计算可见，在水管周边最大拉应力达到1.549MPa。但停止通水后以及在后期，水管周边表现为压应力。一般来说，冷却水管周边的局部拉应力对墩墙的开裂不起主要作用，当然，为安全起见，不宜通水温过低的冷却水。

七、结论

（1）采用泵送混凝土施工时因水泥用量大、水灰比大、坍落度大，由水泥水化热引起的绝热温升高，所以对混凝土的抗裂是不利的。如果条件允许，宜采用常态混凝土施工。

（2）表面采取保温措施时，混凝土表面和内部的最高温度均有提高。另外最高温度出现的时间延迟1.5～2.0d，而且浇筑完成近30d后，墩墙表面和内部的温度才趋于接近。但是表面采取保温措施时，特征点处内外温差较表面未采用保温措施的内外温差减小，使墩墙混凝土的应力场分布得到了较好的改善。且最大拉应力出现的时间延迟，这对混凝土强度的提高预留了时间，对混凝土的抗裂有利。

（3）通水冷却时，混凝土表面和内部的最高温度降低。表面采取保温措施时，通冷却水措施既可减小墩墙内外温差，同时也可以减小墩墙内的最高温度（基础温差）。因此也使得墩墙通水冷却下的应力较不通水冷却下的应力有所改善，有利于混凝土的抗裂■

（作者单位：安徽省水利水电勘测设计院 230088）