堆石混凝土坝浇筑仓施工期温度场及应力场研究

钟佳

摘 要：基于遵义市茅坡水库在建堆石混凝土大坝，实测其浇筑仓施工期的温度及应变的分布与变化，根据应变分布和本构关系，得到大坝的应力场分布。数据显示，每一仓堆石混凝土中层点温度最高，中部沿堆石混凝土坝短边方向应力最大。

关键词：堆石混凝土；现场实测；温度场；应力场

中图分类号：TV544 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）11-0081-06

1 引言

堆石混凝土是在自密实混凝土技术的基础上发展起来的一种新型大体积混凝土，即使自密实混凝土在堆石体中流动充满堆石体以形成完整的混凝土[1]。堆石混凝土大坝具有大量巨石，能够吸收一部分自密实混凝土硬化产生的水化热，达到减少大体积混凝土水化热的目的[2]。

但是实际施工中，由于巨石的存在，堆石混凝土大坝的温度分布是不确定的，混凝土应变发展规律也是未知的；所以需要对堆石混凝土大坝的温度场和应力场进行研究[3]，总结其分布规律以指导现场施工，减少由施工工艺不当引起的温度裂缝问题[4]。课题组依托遵义市茅坡水库，通过实测数据，得出堆石混凝土施工期的温度变化及应力应变规律。

2 实测方案

遵义市茅坡水库位于新蒲新区新舟镇绿塘村境内湘江二级支流、湄江一级支流洛安江中游河段，属于长江流域乌江水系。为了保证堆石混凝土结构的完整性，尽最大可能地减少有害裂缝的出现，实测实施“温度应变动态监控”。本方案选用XHX-115型振弦式应变传感器和XHS-DS18型温度传感器，前者可同时进行应变和温度监控，后者可以对温度进行精确测量，具有精度高、稳定性好、抗干扰能力强等特点。

考虑到大坝的对称性、浇筑厚度以及施工浇筑顺序，共设置7个监测点，测点按上、中、下三层布置，上层测点称为1点，中层测点称为2点，下层测点称为3点，大坝每仓浇筑高度2m，所以1点距离浇筑仓面300mm，2点距离浇筑仓面1000mm，3点距离浇筑仓面1700mm，连续测量3仓（标高823m-829m，每仓浇筑高度2m）堆石混凝土大坝。其中第1仓和第2仓测量温度与应变，其中，每个监测点上、下两层布置一个温度传感器测量温度，中层布置一个三向应变计组测量应变；考虑到对混凝土应变测试值的修正，在每个监测点设置一个无应力点。第3仓只测量温度，分别布置在每个测点的上、中、下三层。监测点位布置图详见图1。

遵义茅坡水库大坝施工温度和应变监控从第一监测仓（高程823m-825m）第一罐混凝土浇筑开始，直至第三监测仓（827m-829m）浇筑完成至温度、应变趋于稳定之后停止监控，总共检测周期60天左右。考虑混凝土浇筑后以及养护初期，结构内部应变变化较大，而后期变化则比较平缓，因此监测频率以前期高频，后期低频的原则进行，具体的监测周期以及频率如表1所示。

3 数据修正

得到实测数据后，使用厂家提供的说明书里面的修正公式对数据进行处理修正。其中，最主要的修正以温度修正为主，温度修正的公式为：

（式3-1）

式中：

——i时刻的温度，单位℃；

——选取的初始值的温度，单位℃；

尽管使用温度应变器能够测得应变值，但由于混凝土随着内部结构强度变化以及水分增减的不同会产生一定的收缩与膨胀，而且在持续荷载的作用下产生一定的徐变，此外，混凝土本身经受化学变化和再结晶，会随着时间膨胀。也就是说，混凝土自身也将导致混凝土应力的变化。

故使用无应力桶来测量除外部荷载及徐变导致的应变，即自身体积变形，如使用无应力桶测得的应变为ε无，其他应变计测到的应变为总应变ε总，则混凝土的应变为：

ε=ε总-ε无 （式3-2）

4 温度实测结果

根据温控得到的温度数据，分别作出第一仓A-G点、第二仓A-G点温度监控点的温度曲线如图2-图14所示，第一仓F点仪器损坏，故无第一仓F点各层温度曲线图。

通过对各仓测点的温度-时间曲线的分析，可以得出：

（1）所有测点温度在混凝土浇筑后呈大幅度上升趋势，最高温度都出现在每一仓的中部点（D点和E点），并且会持续12h左右保持最高温度不变。此后，温度逐渐降低，但是下降幅度比较缓慢，在60d时，大部分测点的温度均降到30℃以下，但是此时各仓中部点（D点和E点）温度仍较高，主要是由于这两个点处于中部，散热条件较差，导致降温缓慢。（2）对比第一仓D、E两点，这两点处于结构中部点，温峰值出现的时间、大小及曲线（图5-图6）波动幅度基本接近，规律与A、B、C三点间的规律相同之外，D、E点的上层点（1点）有一段上升阶段，这是由于第二仓混凝土的浇筑完成之后，水化散热导致第一仓上层点的温度上升，温度上升持续72h左右，上升温度为4℃左右；这说明混凝土散热影响深度超过300mm。中层点（2点）则无该现象。第二仓D、E两点的规律与此类同。（3）对比第二仓F、G两点（第一仓F点仪器损坏），这两点均属于下游面点，他们的各点曲线（图13-图14）温升曲线基本一致，而且无论是温峰值出现的时间、大小以及曲线的波动幅度基本接近，这些规律与上游点的A、B、C三点规律基本相同，說明在施工期阶段，由于大坝尚未蓄水，在温度发展规律上，上游面和下游面并无太大区别。

5 应变实测结果

分别导出各应变测点的应变，经过处理即扣除无应力筒的部分值后，得到净应变数值，分别作出第一仓B-G点、第二仓A-G点的应变曲线如图15-图26所示，其中X代表浇筑仓短边方向，Y代表浇筑仓长边方向，Z代表浇筑高度方向；第一仓A和F点应变仪器部分损坏，数据不全，故不作图。

通过对各仓测点的应变-时间曲线的分析，可以得出：

（1）第一仓中应变最大的是D点（约220με），其次为E点（约200με），第二仓中应变最大的是D点（约240με），其次为E点（约220με）。这两个点属于结构中部点，因温峰值最高，故而结构膨胀变化幅度较大，所以表现在应变值上的数据最大。（2）峰值点出现的应变方向是不同的，在D、E两点，峰值应变出现在Z方向，即浇筑高度方向，主要原因是因为该点温峰值最高，同时直接承受后浇仓混凝土的重力载荷，故而应变最高，而在上游点A、B、C点和下游点F、G点，峰值应变出现在X方向，即短边方向，主要原因是因为X方向有模板约束，在模板拆除以后，X方向应变会迅速发展，导致X方向的应变最大。

6 结语

每一仓堆石混凝土竖向温度方面，中层点温度最高，上下层温度较低；上游面与下游面温度分布规律在施工期表现一致，并无差异；每仓堆石混凝土中层温度降低幅度明显小于上下层点温度降低幅度，中层点散热困难，上下层散热较好，其中上层点散热条件最好；下一仓混凝土浇筑完成，会对上一仓混凝土表面层温度产生影响，造成上一仓混凝土表面一定厚度范围的混凝土温度上升，但是对中间层和下层的温度没有影响。

由公式σ（t）=E（t）ε和应变场推导出堆石混凝土坝浇筑仓高度方向的中部在施工期间的应力场规律上游侧和下游侧的应力是X方向最大，Y、Z方向次之，X、Y、Z方向应力发展趋势都是在一段时间之后达到其峰值，之后缓慢减小，随着混凝土强度增加，逐渐保持平衡；结构中部的应力则是Z方向最大，X、Y方向次之，Z方向应力缓慢增加到最大，然后随着混凝土强度增加，缓慢减小，减小幅度很小，之后逐渐保持平衡；X、Y方向应力则是在一段时间之后达到其最大值，然后缓慢减小，随着下一仓混凝土浇筑完成，X、Y方向应力会相应变大，然后随着混凝土强度增加，逐渐保持平衡。

参考文献

[1]金峰，安雪晖，石建军，张楚汉.堆石混凝土及堆石混凝土大坝[J].水利学报，2005（11）：78-83.

[2]Raphael M. The optimum gravity dam[A]. Proceedings of Conference on Rapid Construction of Concrete DamsI[C]. Asilomar，1970.

[3]徐俊，江昔平.堆石混凝土在大体积混凝土中的温度场分析[J].混凝土，2013（07）：33-36.

[4]潘定才.堆石混凝土热学性能试验与温度应力研究[D].清华大学，2009.