寒冷地區(qū)大壩混凝土溫控系統(tǒng)研究

馬也

（遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧 本溪 117110）

1 概述

近年來，我國進(jìn)行大壩施工期溫控防裂研究，取得一定效果，施工期裂縫明顯減少，但仍未完全避免裂縫的發(fā)生。原因主要有以下幾方面：第一，施工前期防裂有限元計算參數(shù)均采用混凝土熱學(xué)性能試驗的結(jié)果，而試驗結(jié)果往往和工程實際還有一定偏差；第二，由于實際施工時，混凝土澆筑進(jìn)度往往提前或拖后，導(dǎo)致計算條件與實際存在差異；第三，由于體制、環(huán)境、管理等諸多因素的限制，溫控措施往往不能得到充分的理解和執(zhí)行；第四，大體積混凝土施工過程中，形成了大量的個性化溫控信息，比如氣候條件的突變、地質(zhì)條件的變化、施工工期的調(diào)整、混凝土澆筑期間溫度監(jiān)測結(jié)果，施工單位的施工信息等等，沒有統(tǒng)一協(xié)調(diào)這些信息，各方不能真正做到信息共享，造成寶貴信息的浪費(fèi)。

寒冷地區(qū)，氣溫變化較大，晝夜溫差大且寒潮頻繁，這就要求大壩在施工階段，嚴(yán)格控制施工過程，實時調(diào)整溫控方案，盡量減小大壩裂縫。因此，為了有效防止大壩可能出現(xiàn)的裂縫，及時調(diào)整施工過程中的溫度控制指標(biāo)和溫控措施，真正了解高寒地區(qū)RCC重力壩施工期溫度場及應(yīng)力場的變化規(guī)律，有必要開展跟蹤及反饋分析仿真計算。即開展熱力學(xué)參數(shù)的反演分析工作，校準(zhǔn)計算采用的參數(shù)和邊界條件，以使仿真計算結(jié)果更為真實可靠，更好的指導(dǎo)施工。對溫控要求更為嚴(yán)格的寒冷地區(qū)預(yù)防大體積混凝土開裂，保證工程質(zhì)量，推動我國水電施工信息智能化進(jìn)程，具有重要意義。

2 溫度場的研究方法

2.1 理論解法。理論解法或解析方法目前主要用來求解邊界條件比較簡單的一維溫度場，常用的方法有分離變量法和拉普拉斯變換法，對于隨時間而作簡諧變化的準(zhǔn)溫度場，還可以采用復(fù)變函數(shù)方法。解析方法的理論根據(jù)是固體熱傳導(dǎo)理論，對于具體的工程問題，可根據(jù)實際情況研究其邊界條件和初始條件，然后求得函數(shù)形式的解答。但是水工結(jié)構(gòu)實際中遇到的問題大多數(shù)邊界條件比較復(fù)雜，難以求出解答。

數(shù)值方法根據(jù)其計算原理又可分為差分法、邊界元法和有限元法。

2.2 差分法。差分法是一種古典的近似數(shù)值計算方法。它從微分方程出發(fā)，經(jīng)過區(qū)域離散化處理后，近似地用差分、差商來代替微分、微商，把對微分方程及其邊界條件的求解，歸結(jié)為求解一個線性代數(shù)方程組。差分過程簡單，計算量小，適用于一些邊界規(guī)則簡單的低維問題，而對邊界復(fù)雜、材料多樣的多維問題則比較困難。另外，差分解的收斂性及穩(wěn)定性與差分網(wǎng)格的尺度、差分格式、計算步長等相關(guān)，也給計算帶來困難。

目前對于比較復(fù)雜的一維問題，主要用差分法求解，對于比較復(fù)雜的二維和三維問題，主要用有限單元法求解。

2.3 有限單元法。有限元法是隨著計算機(jī)的出現(xiàn)而迅速發(fā)展起來的數(shù)值方法，目前用在幾乎所有的工程結(jié)構(gòu)計算中。有限元法把求解一定邊值條件下的溫度場轉(zhuǎn)化為求解一個泛函的極值問題，先把計算域離散為有限個單元，在單元內(nèi)采用一定插值函數(shù)，則單元內(nèi)溫度可近似由單元的節(jié)點溫度插值得到，然后建立單元結(jié)點溫度的線性方程組，再解方程求解結(jié)點的溫度值，用有限元法求解非穩(wěn)定溫度場時，一般采用有限元一差分解法，即用有限元法離散空間域，用差分法離散時間域。有限單元法易于適應(yīng)不規(guī)則邊界和多種介質(zhì)混合域問題，且易于在局部調(diào)整單元尺度以提高計算精度；另外，用有限元法計算溫度場可以與溫度應(yīng)力場的計算嵌套進(jìn)行，這是其他數(shù)值方法目前尚難以做到的。

3 應(yīng)力場的研究方法

3.1 理論解法。由于混凝土壩邊界和壩內(nèi)材料的復(fù)雜性，要求解滿足所有條件的溫度應(yīng)力解答幾乎是不可能的。

3.2 影響線法。不均勻溫度場應(yīng)力計算可用影響線法進(jìn)行簡化計算，影響線法計算溫度應(yīng)力和差分法計算溫度場配套使用。

3.3 約束系數(shù)法。約束系數(shù)法在應(yīng)力場研究中是一種比較簡單方便的方法，同時也是一種操作簡單的方法。但是，由于大壩的構(gòu)建不同，地質(zhì)條件不同，這就導(dǎo)致了大壩部分的約束力也是不同的，這就會使壓力也各不相同，再利用混凝土構(gòu)建大壩的同時，隨著溫度的不斷的升高，壓力卻未被考慮在其中，因而，約束法是一種比較保守的方法。現(xiàn)在，很多的大壩都出現(xiàn)了地面出現(xiàn)裂痕的問題，這就是混凝土因為壓力與強(qiáng)度的關(guān)系，是混凝土不適合環(huán)境的需求，進(jìn)而導(dǎo)致了混凝土的開裂，這種開裂的方式不一定是發(fā)生在最大變溫時刻，而是在約束系數(shù)無法考慮的變溫或者是應(yīng)力的過程發(fā)生的，這種開裂的發(fā)生，對于大壩的整體都會存在安全隱患，嚴(yán)重的情況下可能會導(dǎo)致大壩的坍塌，對于生命財產(chǎn)的安全都存在隱患。

3.4 有限單元法。有限單元法是一種比較成熟的方法，也是一種比較常見的方法，這種方法對于計算混凝土的溫度場與應(yīng)力場的計算都是一種成熟的穩(wěn)定的方法，能夠比較準(zhǔn)確的進(jìn)行數(shù)值的運(yùn)算。同時也能夠?qū)炷吝M(jìn)行模擬的實驗，這樣能夠更加準(zhǔn)確的對于出現(xiàn)的問題進(jìn)行解決?；炷链髩蔚氖┕み\(yùn)行需要經(jīng)歷很長的一段時間，這段時間是非常容易出現(xiàn)失誤的，需要不斷的進(jìn)行監(jiān)督。在施工的過程中會受到很多因素的影響，像是氣溫、澆注溫度、水化熱、混凝土材料的力學(xué)、熱血參數(shù)等都會在施工途中出現(xiàn)變化，會對混凝土大壩造成影響。為了對混凝土的溫度進(jìn)行精確的分析，就要不斷地進(jìn)行實踐找出溫度與應(yīng)力的分布以及規(guī)律，并且在有限的空間內(nèi)進(jìn)行有限單元法對大壩進(jìn)行離散化，這樣能夠不斷地從不同的領(lǐng)域進(jìn)行分散，能夠比較快的把握規(guī)律，能夠比較準(zhǔn)確的進(jìn)行施工的模擬，從而提高準(zhǔn)確性。

對于溫度應(yīng)力來說，用有限元法計算具有以下優(yōu)點：可以比較準(zhǔn)確的計算溫度場；可以真實的反映基巖對溫度場和應(yīng)力場的影響；可以模擬施工過程，進(jìn)行仿真計算。

結(jié)語

由于工程施工過程中，初始條件（澆筑溫度）、邊界條件、混凝土升程計劃、以及混凝土分區(qū)時常調(diào)整，混凝土配合比時有變化，導(dǎo)致大壩的溫度和應(yīng)力計算值與實測值出現(xiàn)較大的差距。通過不斷地對已澆筑的壩體進(jìn)行監(jiān)測和分析，并對擬定的溫控措施和施工進(jìn)度進(jìn)行仿真計算，對后續(xù)施工中可能出現(xiàn)的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行預(yù)報和評估，據(jù)此不斷地修改溫控措施，盡量減小大壩裂縫，從而不斷改進(jìn)混凝土壩的施工質(zhì)量。

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京：中國電力出版社，1999.

[2]李永剛，李守義.寒冷地區(qū)某碾壓混凝土重力壩溫控計算分析[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005.