大坝混凝土温控防裂措施优化研究

聂军洲

(金中天水利建设有限公司，广州 510700)

1 概 述

在水利工程大坝的修建过程中，通常混凝土的抗拉强度远远小于抗压强度，如果混凝土处于温度变化比较大的环境中，容易导致温差产生较大的拉应力，产生比较严重的拉裂缝，从而给水利工程的建设和运营带来较大的影响。华龙海[1]基于数值模拟方法，研究大体积混凝土裂缝的产生原因，并进一步给出了相应的温控措施。李黎[2]研究大体积混凝土温度裂缝扩展机理，着重分析大体积混凝土裂缝形成和扩展原因，指出目前控制措施的不足，并给出了合理优化措施。徐万富[3]依托景洪水电站大坝，研究大体积混凝土在高温下裂缝的成因，给出了对应措施。尹向伟[4]研究了芷江蟒塘溪水利水电枢纽工程大坝MgO混凝土其中一条裂缝的扩展规律，结果表明采用联合控温手段对于控制混凝土裂缝最为有效。吴长锋[5]的研究结果表明，控制混凝土温度和约束条件可以有效减缓混凝土开裂。袁葳等[6]基于有限元法开展了施工期温度对混凝土内部的温度应力仿真，结果表明进水口流道混凝土是最容易开裂的部位，并给出了具体防护建议。翟洪波和汪永剑[7]基于现场观测，研究了混凝土的配合比对混凝土裂缝的影响，结果表明优化的混凝土配合比的防裂效果较好。周廷清[8]等基于高原地区水电站大坝混凝土裂缝扩展情况，研究了海拔、平均气温以及太阳辐射强烈对混凝土开裂性能的影响，并提出优化措施，研究结果对大体积混凝土的抗裂性能具有重要意义。

基于以上研究，本文以某水电为例开展数值模拟，探讨温度控制下混凝土的应力状态，给出减轻混凝土开裂措施的方法。研究成果对大坝大体积混凝土顺利施工和安全运行具有重要意义。

2 工程概况

研究区水电工程位于广东省，是当地重要的水利枢纽设施，对于解决当地电力供应和减小环境污染具有重要意义。该水电站大坝主要包括拦河坝以及溢洪道。坝体为典型的重力式大坝，混凝土强度等级采用C30浇筑，设计高度为34.4 m，顶宽7.0 m，坡比约1∶0.7。其中，挡水坝高程116.0 m，上下游设计水位分别为147.5和125.6 m。大坝设计库容为3 664×103m3，装机容量9 600 kW。基于坝体主要组成为混凝土结构，在浇筑大坝过程中难免会产生水化热，导致温度升高，并产生较大的内部应力。

3 数值有限元模型

3.1 模型建立

基于大型通用有限元软件开展模型构建。该软件是目前国内外进行有限元数值模拟的主流商业软件，具有三维设计、扩展建模、流体力学、动力学响应仿真分析的强大功能。通常只需在软件中建模完成后，在对各材料进行参数赋值即可实现多工况的数值计算，具有很强的适用性。本文模型中，首先考虑大坝浇筑属于典型的分段浇筑方式，因此模型假设各个坝段彼此独立。为了进一步减小计算工作量，本文建模仅对典型的1#坝段进行建模计算,最终建立的模型长度为19 m，宽度19 m，坝高2.5 m。建模分为上下两层，顶层为厚度1.5 m的混凝土，底层为厚1.0 m的混凝土，上下两层混凝土强度等级均为C3。为了保证计算的准确性，适当对模型进行扩大，扩大方式为向下取10 m。模型的X轴定义为指向右岸，Y轴为水流的方向，Z轴定义向上。

根据目前的研究，本文计算采用经典的邓肯模型，材料的应力-应变关系假定为线弹性。模型共24 925个网格，26 568个节点。材料属性以及热力学参数见表1。

3.2 边界条件和计算参数

本文数值模拟中，地基的各个侧面采用法向位移约束，底面约束3个方向的位移。计算温度边界采用混凝土表面温度升高2℃，混凝土浇筑入仓温度增加2℃。大坝主体混凝土强度等级为C30，根据前人对不同龄期混凝土的研究，本文给出数值模拟计算中混凝土不同养护龄期的材料参数，见表1。

表1 材料参数与热学参数

3.3 计算工况

已有相关研究表明，大体积混凝土在浇筑工程中，混凝土内部最高温度等于入仓温度与升温之和。因此可以看出，如果入仓温度过高可能导致混凝土内部温度急剧增大，同时会产生温度应力，增加混凝土开裂风险[9-11]。进一步表明，低温入仓的方式可有效防治混凝土开裂。但盲目降低混凝土入仓温度可能会导致上层混凝土的温度明显低于下部混凝土，入仓过程中上层混凝土会对下层混凝土产生冷冲击效应，从而造成混凝土开裂。基于以上研究，本文数值模拟选取不同的外界环境温度和入仓温度作为研究温度，汇总得到的计算工况见表2。

表2 入仓温度计算工况

此外，考虑到混凝土温度裂缝主要发生在混凝土表面，且发生的阶段主要是在浇筑初期。这些裂缝如果不进一步扩展，通常不会对大坝的质量产生影响。但在外荷载的影响下，裂缝可能进一步扩展延伸形成深层贯通性裂缝，因此需进一步采取措施进行控制。研究表明，温控成为最为有效的手段。因此本文在采取温控措施时，考虑不同材料及不同保温措施进行计算。见表3。

表3 保温措施计算工况设计

4 计算结果与分析

4.1 入仓温度计算结果

模拟不同入仓温度对混凝土内部的第一和第三主应力影响，并提取最大值，见表4和图1。

图1 不同工况下温度和应力最大值

表4 不同工况下温度和应力最大值

表4表明，对于A1-A4工况，外界温度均为15℃，而入仓温度分别为0℃、5℃、10℃和15℃，该工况下对应的第一主应力值分别为0.05、0.08、0.72和1.36 MPa, 对应的第三主应力值分别为-3.13、-2.05、-1.62和-1.21 MPa，第一主应力随入仓温度值的增大而增大，而第三主应力随入仓温度增大而减小。同理，可以得到其他工况下也存在类似的结果。

综上分析可知，第一主应力随混凝土入仓温度和环境温差的增大而增加，而第三主应力随之减小。当温差小于5℃时，第一主应力随温差的增大其增长幅度较小。而温差大于5℃时，第一主应力增长幅度比较明显。由于混凝土裂缝主要是主拉应力导致的，因此实际过程中需注意环境温度的变化对混凝土开裂的影响，尽量将混凝土入仓温度差和环境温差控制在5℃以内，以便控制后龄期混凝土温度升高，而且可以有效控制浇筑过程中上层混凝土对下层混凝土的冷冲击效应。

4.2 表面保温措施的计算结果

对不同表面温控措施的混凝土内部第一主应力和第三主应力进行计算，并提取最大值，见表5和图2。

表5 不同工况下温度和应力最大值(保温措施)

图2 不同工况下温度和应力最大值(保温措施)

计算结果表明，无温度控制措施的B1工况下，第一主应力和第三主应力的值均为最大值，表明在不采取任何保温措施时，混凝土有极大可能会开裂。采用不同厚度的竹胶进行温度控制时，效果明显好于B1工况，第一主应力和第三主应力分别为1.32、1.0、0.74 MPa和-2.51、-2.46、-2.42 MPa。而采用聚乙烯泡沫保温措施的效果最为明显。此外，数值模拟结果表明，混凝土内部所达到的最高温度随表面保温措施的增强而变大。出现这一现象的原因主要是由于保温措施的施加对混凝土散热不利所造成的。第三主应力的结果表明，第三主应力的最大值为2.5 MPa，而这一值远远小于混凝土极限强度。B1、B2和B3这3种工况下第一主应力的最大值超过混凝土极限抗拉强度，表明混凝土产生了拉裂缝。而B4、B6和B7的第一主应力最大值也接近混凝土极限抗拉强度。

综合以上分析可知，B5的保温措施对于控制混凝土的开裂最为有效。因此在实际工程中，采用聚乙烯泡沫进行表面保温最为有效，且厚度可取2 cm左右。采用该措施可以保证混凝土表面拉应力小于混凝土抗拉强度，同时施工简单，可有效控制造价。

5 结 论

采用数值模拟分析了大体积混凝土入仓温度和保温措施对混凝土内部开裂性能的影响，结论如下：

1)当入仓温度和环境温差小于5℃时，混凝土内部的第一主应力的最大值增加幅度比较有限；当温度差大于5℃，第一主应力的最大值增长速率较大。因此，在实际应用中建议将温差控制在5℃之内，以减小混凝土开裂的可能性。

2)表面保温措施计算结果表明，采用2 cm聚乙烯泡沫板作为混凝土表面的保温措施，可以有效保证混凝土表面拉应力小于混凝土极限抗拉强度，减小混凝土由于温度作用产生的拉裂缝。