閆俊

摘 要：混凝土內(nèi)部的溫度差會(huì)引起混凝土內(nèi)部形成溫度應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)溫度應(yīng)力會(huì)造成混凝土結(jié)構(gòu)的開裂現(xiàn)象。由于水泥水化熱的存在，在混凝土澆筑時(shí)尤其大混凝土澆筑，常常發(fā)生混凝土結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)象，因此對混凝土施工過程進(jìn)行熱分析具有重要意義。本文采用有限元法對白蓮崖水庫大壩施工期的熱特性進(jìn)行了分析。詳細(xì)介紹了熱分析的方法，并對不同的作用進(jìn)行了模擬。

關(guān)鍵詞：白蓮崖大壩;大體積混凝土;澆筑溫度演變;有限元模擬

0 引言

混凝土水化是一種放熱反應(yīng)，在澆筑過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，特別是在混凝土澆筑后的最初幾天或幾周內(nèi)。在大體積混凝土中，由于混凝土的隔熱作用，這種熱量產(chǎn)生會(huì)在混凝土的核心部位產(chǎn)生高溫，當(dāng)表面溫度下降時(shí)，大體積混凝土內(nèi)部散熱較慢，形成溫度梯度。這種溫度梯度可能會(huì)產(chǎn)生不良的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫[1]。想要減少大體積混凝土壩的裂縫首先要對混凝土的水化過程和溫度演變過程進(jìn)行預(yù)測，從而能夠進(jìn)一步采取適當(dāng)?shù)拇胧p少溫度的變化量和變化速度，使大體積混凝土在澆筑過程中由溫度引起的損傷程度降到最低。本文旨在模擬拱壩混凝土的水化過程和溫度演變過程。

1 研究區(qū)概況

白蓮崖水庫位于安徽省六安市霍山縣境內(nèi)東淠河佛子嶺水庫上游西支漫水河上。水庫以防洪為主，兼顧灌溉、供水和發(fā)電，為大（2）型水利工程。白蓮崖水庫的正常蓄水位208 m，總庫容4.60億m3，調(diào)洪庫容2.81億m3，興利調(diào)節(jié)庫容1.42億m3。100年一遇設(shè)計(jì)洪水位209.24 m，5 000年一遇校核洪水位234.5 m。

2 大壩結(jié)構(gòu)組成

2.1 大壩澆筑時(shí)間

大壩澆筑大致可以分為四個(gè)時(shí)期，（1）基礎(chǔ)澆筑（1個(gè)月）：2006年4月6日，壩基墊層混凝土部分開始澆搗，于2006年5月7日澆筑完成。（2）澆筑一期（8個(gè)月）：2006年10月10日，白蓮崖碾壓混凝土拱壩工程第一倉碾壓混凝土開始碾壓，2007年6月6日，完成大壩EL170高程碾壓混凝土澆筑，“一枯”碾壓混凝土澆筑結(jié)束。（3）澆筑二期（8個(gè)月）：2007年9月30日，大壩“二枯”碾壓混凝土開倉澆筑，2008年6月19日（9個(gè)月），大壩“二枯”碾壓混凝土澆筑完畢，大壩澆筑至EL212.0。（4）澆筑三期（5個(gè)月）：2008年9月3日，“三枯”碾壓混凝土開始進(jìn)行澆筑，2009年1月18日，碾壓混凝土澆筑EL212至設(shè)計(jì)高程EL234.6，大壩碾壓混凝土澆筑完畢，至此白蓮崖水庫工程碾壓混凝土全部施工完畢。

2.2 大壩幾何結(jié)構(gòu)

攔河壩為碾壓混凝土拋物線雙曲拱壩，壩高104.6 m。壩頂寬8.0 m，拱冠處壩底厚30.064 m，厚高比為0.287;壩頂弧長421.860 m，弧高比為4.033;弦長366.994 m，弦高比為3.509。

2.3 大壩監(jiān)測系統(tǒng)布置

白蓮崖大壩的監(jiān)測系統(tǒng)包括環(huán)境量監(jiān)測、變形監(jiān)測、滲漏監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測。在施工過程中，用埋在混凝土中的儀器測量壩體內(nèi)的溫度。隨著時(shí)間的推移，使用便攜式測量儀器對冷卻系統(tǒng)散熱混凝土的效果進(jìn)行了評估，儀器插入44根垂直金屬管中，長度為16 m，可從檢查廊道的地板進(jìn)入，在混凝土澆筑過程中專門放置。這些金屬管裝滿水，以便測量混凝土溫度[2]。

3 溫度場計(jì)算原理

水泥的水化是放熱反應(yīng)，但放出的熱量不是恒定的。水泥的水化至少表現(xiàn)出兩個(gè)甚至三個(gè)產(chǎn)熱周期，由于鋁酸三鈣（C3A）的水化作用，水泥與水混合后立即產(chǎn)生第一個(gè)循環(huán)，在大約5分鐘的時(shí)間內(nèi)，熱量的產(chǎn)生率達(dá)到最大值，然后迅速下降。第一個(gè)循環(huán)之后是一個(gè)1～6小時(shí)的放熱期，這里的熱生成率逐漸升高。第二個(gè)循環(huán)是由于硅酸三鈣（C3S）的水化作用產(chǎn)生，在這一循環(huán)中，峰值產(chǎn)熱在6到10小時(shí)之間觀察到，在這一峰之后產(chǎn)生的熱量逐漸減少。因此混凝土內(nèi)部溫度是變化的，可以認(rèn)為混凝土澆筑過程中內(nèi)部存在放熱不恒定的熱源。其次熱源在進(jìn)行熱傳導(dǎo)的過程中也會(huì)導(dǎo)致溫度發(fā)生變化。

4 數(shù)值模擬

4.1 有限元模型

通過ANSYS有限元模擬軟件對大體積混凝土拱壩澆筑過程的溫度場進(jìn)行模擬。首先進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該模型有18 857個(gè)網(wǎng)格，其中7 529個(gè)屬于地基基礎(chǔ)，11 328個(gè)單元網(wǎng)格為混凝土大壩如圖1所示。

4.2 材料屬性

在數(shù)值分析中使用的巖體基礎(chǔ)和混凝土特性如表1所示。

4.3 有限元模型的初始和邊界溫度條件

在施工之前，只考慮地基進(jìn)行熱分析。在得到循環(huán)響應(yīng)后，計(jì)算結(jié)果作為初始溫度應(yīng)用于網(wǎng)格基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)氣溫在5℃到35℃時(shí)，澆筑時(shí)采用空氣溫度作為初始混凝土溫度[3]。只有當(dāng)混凝土溫度在上述溫度范圍內(nèi)時(shí)，才允許大體積混凝土澆筑。在實(shí)踐中，采取實(shí)際措施來控制大體積混凝土的溫度，從而滿足上述施工要求。

白蓮崖拱壩的大體積混凝土溫度控制大體可以分為以下三個(gè)區(qū)域：

1區(qū)：為強(qiáng)約束區(qū)，區(qū)域范圍是指距基巖0.2L以內(nèi)的混凝土，L為澆筑塊的長邊。

2區(qū)：一般約束區(qū)，是指距基巖0.2L～0.4L范圍內(nèi)的混凝土。

3區(qū)：非約束區(qū)，是指除1區(qū)、2區(qū)以外的混凝土。

對于白蓮崖拱壩而言，對于內(nèi)外溫差產(chǎn)生的應(yīng)力，可采取以下三種措施：①通水冷卻，降低內(nèi)部混凝土溫度;②過冬時(shí)上下游面保溫;③上游面蓄水保溫。對于運(yùn)行期溫度荷載產(chǎn)生的應(yīng)力，可采取全年表面保溫措施。

4.4 結(jié)果分析與記錄數(shù)據(jù)比較

在大壩澆筑的四個(gè)階段選取六個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行大壩的熱分析，結(jié)果如圖2所示。六個(gè)時(shí)間點(diǎn)分別在1、3、4、5、9和10月，從圖中可以看出在不同月份，大壩溫度分布有著明顯的區(qū)分，在1月和3月時(shí)，壩基溫度要明顯高于壩體溫度，在5月9月和10月時(shí)壩體的溫度明顯高于壩基的溫度，說明大壩溫度隨季節(jié)變化波動(dòng)明顯，隨著大壩進(jìn)行澆筑，壩體內(nèi)部不斷釋放熱量，在夏季大壩最容易出現(xiàn)最高溫度，形成較大的溫度差，從而引起大壩損壞，因此在夏季進(jìn)行澆筑時(shí)冷卻措施以及澆筑時(shí)間間隔一定要嚴(yán)格把控，將溫度控制在標(biāo)準(zhǔn)溫度要求規(guī)范以內(nèi)。

有限元模擬大壩溫度變化結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測溫度結(jié)果如表3所示。

通過表3可知模擬溫度場變化范圍基本都在實(shí)測月溫度變化范圍以內(nèi)，因此可以運(yùn)用有限元模擬預(yù)測混凝土壩澆筑過程的溫度變化，從而可以提前預(yù)判施工過程中的大體積混凝土溫度范圍，當(dāng)預(yù)測溫度范圍超出標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)，采取有效措施確保大體積混凝土澆筑的最大溫度限定在大壩施工期間保證的標(biāo)準(zhǔn)限值范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

大壩的澆筑過程伴隨著水泥的水化放熱過程，而大體積混凝土壩澆筑時(shí)間周期長，任務(wù)量大，因此提前模擬混凝土澆筑過程的溫度場變化意義重大，提前做好預(yù)防措施，在溫度過高時(shí)使用冷卻水管降溫，溫度過低時(shí)采用蓄水保溫措施等。本文采用ANSYS有限元模擬，對白蓮水崖水庫大壩澆筑過程的溫度變化進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，模擬溫度場變化范圍基本都在實(shí)測月溫度變化范圍以內(nèi)，因此可以用有限元模擬對大壩澆筑過程溫度變化進(jìn)行預(yù)判，從而采用最有效和最經(jīng)濟(jì)的混凝土施工工藝。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹萬林，劉文超，葉天翔，等.循環(huán)水控制厚大基礎(chǔ)混凝土溫度裂縫試驗(yàn)研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2016，25（1）：97-102.

[2]大體積混凝土施工規(guī)范：GB50496—2009[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2009.

[3]陳應(yīng)波，李秀波，張雄.大體積混凝土澆筑溫度場的仿真分析[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（2）：37-39.