短历时暴雨袭击致早龄期混凝土温度裂缝研究.pdf

第4 1 卷 第 1 7期 2 0 1 0 年 9 月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r V0 1 41 NO 1 7 S e p， 2 01 0 文章编 号： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 0 ) 1 7 0 0 8 4 0 4 短历时暴雨袭击致早龄期混凝土温度裂缝研究 王 祥 峰 ， 黄 达 海 ， 陈 彦 玉 ， 李 洋 波 ( 1 三峡大 学 土木水 电学院 ， 湖北 宜昌 4 4 3 0 0 2 ； 2 北京航 空航天 大学 交通科 学-9工程学院 ， 北京 1 0 0 1 9 1 ) 摘要 ： 早龄期混凝土表 面开裂是 工程 中普遍存在 的I- 1 题 。模拟 了某拱坝 1 7号坝段混凝 土在 短历时暴 雨袭击 下的温度 变化 ， 分析 了3 3 6 5 m 高程裂缝产生的主要原 因， 并且讨论 了其在有无保 温养 护条件下混凝 土的温 度 变化和温度应 力情 况。计算结果表明 ， 短历 时暴雨 引起 的气温骤 降和 混凝 土表 面放 热系数 增大 ， 是 该表 面 裂缝产生的主要原 因； 做好表 面保 温养护 _7 - 作 可有效 防止混凝土开裂 ， 对后期 大坝安全运行具有重要意义。 关键词 ： 短历时暴雨 ；气温骤降 ； 温度梯度 ； 表 面放 热 系数 ；表面保温与养护 ； 开裂 中 图 法 分 类号 ： T V4 3 文 献 标 志 码 ：A 当混 凝 土出现 裂缝 时 ， 建 设 者需 要 快 速 确定 裂 缝 成 因， 及 时制定 裂缝 处 理 和后 期 补 救措 施 。本 文 考 虑 混 凝土施 工 的各种 因 素 ， 如 材 料 参 数 、 几何 体 型 、 浇 筑 过程 、 温 控措施 和天 气环境 等 ， 采 用短 时间步 长和精 细 网格 ， 开 展混凝 土裂缝 实 时仿真 分析 ， 再 现裂 缝部位 开 裂前 的应 力状 态 ， 追 踪裂缝 发展历 程 ， 定位开 裂 的主要 因素 ， 为施工决策提供参考 。 1 工程背景与裂缝基本情 况 某 水 电站拦河 大坝 为混凝 土双 曲拱坝 ， 共 3 1 个 坝 段 ， 大 坝大体 积混 凝 土 总 量约 7 0 0万 m ， 混凝 土单 仓 最大 面积约 l 6 0 0 m ， 坝体 混 凝 土 采用 不 设 纵缝 的通 仓薄层 连续 浇筑 、 段 问歇 、 均匀 上升 的施工工 艺 。坝址 位于 中亚热 带亚湿 润气候 的峡谷 山区 ， 温差 较大 ， 气温 骤降情 况较 多 ， 且 多集 中在春季 和夏 季 ， 同时气候 相对 干燥 ， 风速较 大 ， 混 凝土表 面水 分散发 较快 。 l 7号 一 0 8 ( 高程 3 3 5 03 3 6 5 m) 混凝 土收仓 时 间 为 7月 1 5日 1 6： 4 0 ， 1 6 E t 上 午 开始 进 行 流 水养 护 。 由于收仓 施 工 仓 面 不 平 整 ， 距 下 游 2 0 m 范 围 内有 凸 起， 故此段直接暴露 在大气中， 历经太 阳辐射、 大风天 气及 短历时 暴雨袭 击影 响 。本 坝段及 相邻 坝段均 未进 行 固结 灌 浆 施 工 。7月 1 7 日下 午 检 查 时 ， 未 发 现 裂 缝 。7月 1 8日约 8 ： 0 0 ， 在 1 7坝 段 仓 面右 下角 发 现 裂 缝。经现场查看 ， 在仓面距下游面 1 8 m、 距右侧横缝 6 m 范 围内出现 3条 裂缝 ， 裂缝 长度 72 0 m， 其 中一 条 最 大缝宽 5 8 m m， 裂缝 平面 走 向与 1 7号横缝 呈 2 0 。 3 6 。 夹角 ， 裂缝深 度约 为 4 5 c m， 裂缝示 意如 图 1 。 图 1 1 7号 一 O 8坝段 3 3 6 5 m高程裂缝 ( 单位 ： m) 2 有限元仿真计算模 型及计算条件 2 1 有 限元模型 坝体 混凝 土 浇 筑块 ： 8 0 m X 2 4 m 1 2 m( 长 X宽 高) ，每仓 1 5 m浇筑， 共浇筑 8仓。坝体单元类型 收 稿 日期 ： 2 01 00 40 1 作者简 介： 王祥峰 ， 男， 硕 士研 究生， 主要从 事大体积 混凝 土温控防裂研 究。Em a i l ： s o l e d a d 1 6 3 e o n l 通讯作者 ： 黄达海 ， 男， 教授 ， 主要 从事大体积混凝 土施 工过程 仿真与温度控制 的研 究。E ma i l ： h u a n g d h ma i l t s i n g h u a e d u 第 1 7期 王 祥峰， 等 ： 短历时暴雨袭击致早龄期混凝土 温度 裂缝研究、 8 5 为六面体 8节点等参元 ， 为 了便于精确计算表面点温 度变 化及 应 力 ， 将 1 7号 一0 8混 凝 土 ( 厚 度 1 5 m) 划 分 为 1 5层 ， 每层 1 0 c m。模型 共划 分节 点 总数 1 2 4 7 4， 单元 总数 1 0 5 2 0 。有 限元计 算 模 型如 图 2所 示 。 图 2坝 体 三 维 有 限 元计 算模 型 2 2计算边界条件 基 岩底 部与 四周 绝热 ， 混 凝 土 5面临空 ， 未 出现 暴 雨时 ， 混凝土与空气是第三类边界条件 ； 暴雨来袭时 ， 为第一类边界条件 ， 气温采用坝址实测温度值。混凝 土在其 龄期 2 1 5 d遭遇 2 h暴 雨 袭击 ， 气 温 从 3 3 1 q C 下降到 1 9 6 C， 小时降幅达 l 3 5 ， 5 h之 内气温下降 达 1 9 7 ； 短 时最 大 风 力 达 1 0级 ， 风 速 为 2 6 6 m s ， 浇筑 完成 后 的气 温 曲线 如 图 3所 示 。 由于暴雨袭击导致气温骤 降历时较短 ， 为 了更好 反映暴雨时混凝土表面及 内部应力状态 ， 设定计算步 长为 0 0 1 0 4 1 7 ， 即 1 5 m i n为 一 步 。基 岩 上 下 游 和 左 右岸均施加垂直约束， 底部全约束 ， 混凝土 5面均为 自 由边 界 。 图 3 7月 1 5 1 7日实测气温变化 曲线 2 3 材料 参数 根据 大坝 混凝 土 光 纤 实 测 温度 值 ， 进 行 反 演 分 析 得到 的大 坝混 凝 土热 学 参 数 ， 以及 参 照溪 洛渡 大 坝 混 凝土性 能 试验 成果 ， 该 大 坝 混 凝 土 热 学 和 力学 参 数 分 别列 于表 1 、 2 。 表 2 大坝混凝土 力学参数 根据坝体混凝土不同龄期的劈拉强度值 ， 对其进 行拟合， 即可得到混凝土强度随龄期 的变化关系。 本文计算同时考虑 自生体积变形和混凝土徐变影 响 。 自生 体积 变形 采用 复合 指 数公 式 ，根据 施 工现 场 试 验 提供 的资 料 ， 拟合公 式 为 ： ( 7 )=4 8 7 5 ( 1一e - 0 0 1 9 4 。 ) ( 1 ) 混 凝 土徐 变度 采用 式 ( 2 ) 拟合 ： C ( t ， ) = ( 0 0 0 8 2+5 8 2 0 2 5 r ) 1一e 一 。 一 +( 0 9 0 8 5+4 9 6 6 8 4 一 。 。 。 ) 1一e 一 。 。 一 1 ( 2) 3 计 算 3 1 计算方案及计 算结果 针对出现的短历时暴雨袭击 ， 致使温度骤降， 表面 出现裂缝 ， 本文拟采用以下 3种方案进行仿真计算 ， 以 确定裂 缝 产 生 的 主要 原 因。在 距 下 游 面 1 8 m、 距 1 7 号横缝 3 m 处 ， 依 高程 方 向依 次选 取 3个 点 ， 即表 面点 A， 距 表 面 1 0 e m 的点 ， 距 表 面 2 0 e m 的点 c 。计 算 暴雨时 ， 各代表点横河 向最大拉应力及出现龄期如表 3所示 。 表 3 计算方案及结 果 注： “一”代 表 压 应 力， 保 温 采 用 4 c m 聚 乙烯 卷 材 ，|B =2 3 1 0 5 k J ( m d )。 8 6 人 民 长 江 从 表 3可 以看 出 ， 虽然 暴 雨袭 击 引 起 的温 度 骤 降 历时较短， 但是在混凝土下游面未进行保温养护 的情 况下 ， 其 局部横 河 向拉 应力 可 达 到 0 5 3 MP a (A点 ) ， 此时 ， 混 凝土龄 期 为 2 1 5 d ， 容 许 抗 拉 强度 0 5 MP a ， 抗 裂 安全 系数 只有 0 9 4 ； B 点横 河 向 拉 应 力 也 达 到 0 1 2 8 MP a 。由工况 2计算结果可知 ， 只要做好表面保 温工作 ， 根本不存在开裂可能， 由于浇筑当天仓面气温 较高 ， 且 太 阳辐 射强烈 ， 加上 混凝 土本身 处在 温度上 升 阶段 ， 表 面基本 都是 压应 力 。由工 况 1和 工况 2对 比 可知， c点混凝土基本还是受压 的。从工况 3可以看 出， 2 5 d龄期混凝土主要是压应力为主 ， 即使没有保 温 ， 正 常 的昼夜 温差 变化也 不会导 致裂 缝 的产生 。 3 2 计算结果对 比分析 3 2 1 工况 l计算温度 与 实测温度对 比分析 为 了更好地 还 原混 凝 土 开裂 前 的温 度应 力 状 态 ， 得到更 加真 实 的 温 度 场 和 应 力 场 ， 故 选 取 1 7号 一0 7 和 1 7号 一 0 8仓的中部点来 比较计算温度值和实测温 度 值 ， 对 比结果 如 图 4所 示 。并 以此 来 验 证本 文 所 取 各 热学参 数 的可靠性 。 图 4 1 7号 一0 7 、 1 7号 一0 8中 心 点 计 算 和 实 测温 度对 比 从 图 4可 以看 出 ， 1 7号 一0 7仓 中部温 度计 实测 温 度 为 2 6 8 c I =， 工况 1计 算 温度 值 为 2 6 5 o C； 1 7号 一0 8 仓 中部温度计实测温度为 2 9 2 ， 工况 1仿真计算温 度 值为 2 8 7 ， 计 算 温度 与 实测 温 度相 差 在 0 5 o C范 围以 内 ， 基 本吻 合 。故本 文 所 采取 的 由光 纤测 温 反 演 混凝土各热学参数的方法是可靠的。 3 2 2 计算温度云 图及应 力云图对比分析 由于暴雨袭 击影 响 ， ? 昆 凝 土在 龄期 2 1 5 d时有 相 对较 大 的拉 应力 ， 为更 加直 观 的展 示 工况 1 、 2下 3 3 6 5 m高程下游部分 的温度应力情况 ， 选取典型位置的 典型坝块 ( 距 下游 面 2 0 I n ， 靠 近 1 7号横缝 的 1 4坝 块 ) ， 绘制 温度 和应力 云 图如 图 5 、 6所示 。 从 图 5的温 度及应 力 云图可 以看 出 ， 暴雨 时 ， 即混 凝 土龄期 为 2 1 5 d时 ， 由于表 面下 游 部分 没有 很 好地 进 行 保 温 养 护 工 作 ， 致 使 混 凝 土 表 面 温 度 降 至 2 0 3 6 4 o C， 而 距 表 面 3 0 t i n处 的 混 凝 土 温 度 高 达 3 2 5 5 q C， 形成 了较 大的温度 梯度 。所 以此时 表面普 遍 都是拉应力 ， 局部达到 0 8 MP a ， 极具开裂风险。如果 能 加强 表面保 温养 护 ， 混 凝土受 暴雨 影响则 大大 减小 ， M X 2 4 4 2 4 营 28 484 冒 983 勇： 1 8 3 = ：= 7 0 3 6 6 7 目 1 - 3 0l 0 O 3 2 8 2 22 ； 产 0422667 鲁 “ ( b )1 4 坝块应力云图( a ) 图 5工 况 1暴雨 时温 度 及 应 力 云 图 胃 目 ： 0 l lj0 7 0 2 3 2 6 5器6 l 0 4 3 4 ( b )L 4 坝块应力云图( M P a) 图 6工 况 2暴 雨 时 温 度 及 应 力 云 图 _ 口 口口 一 第 1 7期 王祥峰 ， 等 ： 短历 时暴雨袭 击致早龄 期混凝土 温度裂缝研 究、 8 7 表 面温度 普遍 在 2 5 c = 3 0 之 间 ， 不 会形 成 较 大 的 温 度梯 度 ( 图 6 ) ， 混 凝 土表 面基本 为 压应 力 ， 对混 凝 土 的 防裂 比较 有利 。 一 豳 口 口 团 - ( b )l 坝块应力云图( ,lP a ) 图 7 工 况 3温 度 及 应 力 图 从 图7可以看出， 假如气温正常变化 ， 即使表面下 游未保温养护 ， 但由于浇筑初期的混凝土弹性模量小， 徐变 和塑 性 变 形 大 ， 且 太 阳暴 晒 ， 使 得 表 面 温度 达 到 3 4 ， 压应 力 比较大 ， 开裂 风 险较小 。 3 2 3 典 型 位 置 点 温 度 应 力过 程 线 对 比分 析 暴 雨袭 击 引起 的气 温骤 降 ， 由于历 时较 短 ， 影 响 的 深度范 围也 是有 限 的。本 文选 取裂 缝处 典 型高 程位置 点绘制 3种工况下温度及应力历时曲线。图 8 、 9再现 了 昆 凝 土浇筑 完 成后 ， 经 历 短 时暴 雨 袭 击 的 下 游部 分 混 凝土 温度 应力 变化情 况 。 一工况1温度曲线一工况 l应力曲线 工况2温度啦线 十工况2应力血线一工况：温度岛线* 一 工况3应力曲线 十允许应力陆线 。 一 -S -0 7 图 8 3种工况下 ， l 点温度应力历 时曲线 从图 8和 图 9可 以看 出 ， 混凝 土浇筑 完 成后 ， 由于 内部水化热作用 ， 混凝 土表面点 A、 曰受气温 、 昼夜 温 差影 响 ， 温度 呈波 动上 升 趋 势 。新 浇 混凝 土 在 7月 1 7 日2 0： 0 0 遭 受 暴 雨 袭 击 ，A 点 温 度 由 3 2 降 至 2 0 1 ， 降幅 达 1 1 9 。 急剧 的 降 温 ， 导 致 在 混 凝 土 表 面形成 0 5 3 MP a的拉应 力 ， 大 于此 时混凝 土 的允许 拉应力 0 5 MP a ， 混凝 土 表 面开裂 。距 表 面 1 0 C 1T I 点 B 温度 由 3 1 5 o I= 降 至 2 4 8 ， 降 幅 也 达 到 了 6 7 o C， 形 成 了 0 1 2 8 MP a的拉 应力 。 3 5 3 0 2 5 螟2 0 1 5 1 0 j 5 只O 5 台 一 工况l温度血线一工况 l应 力曲线 工况2温度 曲线 十工况2应力 曲线。 一 工况3温度 曲线 一 工况3应力曲线 一 允许应力曲线 一 I 乏 一 图 9 3种 工 况 下 B点 温 度 应 力 历 时 曲线 4 结 语 ( 1 )混凝 土 中午受 强烈 太 阳辐射 ， 表 面温 度高 ， 夜 晚受暴 雨袭 击 ， 表 面放 热 系 数 增 大 ， 加 之 气 温骤 降 ， 使混凝土表面附近温度梯度大， 在表面产生 了拉应力 ， 大 致在 0 30 8 MP a ， 这 对 容 许 抗 拉 强 度 只有 0 5 MP a的 2 1 5 d龄期 混凝 土来 说 ， 很难 避 免 局部 裂缝 的 出现 。因此 混凝 土遭 遇 短 历 时 暴 雨 袭 击 ， 致 使 表 面温 度骤 降是 此裂 缝 产生 的 主要诱 因 。 ( 2 )做好表面保温养护措施是夏季高温季节混凝 土浇筑的重点 问题 之一 。黄达海等指 出， 在夏季采取 仓面 喷雾 措施 避 免太 阳辐 射 后 ， 混 凝 土 内部 的 降温 可 达 2 ， 表 面降温 可达 7 1 4 。因此在 太 阳辐射 较强 的 时段 ， 应实施 遮 阳或 者采 用雾 化措 施 ， 在仓 面制 造 “ 小 气候 ” ， 这 对 于混凝 土 防 裂来 说 具 有 一定 积 极 意 义 。 参考 文献 ： f 1 朱伯芳大体 积混凝 土温度 应力与 温度 控制 M 北 京： 中国电 力 出版 社 ， 1 9 9 9 2 龚召熊 ， 罗承管 ， 张锡祥 气温骤降与大体积混凝土表 面裂缝 J 人 民 长 江 ， 1 9 9 0， 2 1( 1 2)： 1 0一l 5 f 3 黄选海 ， 黄伟太阳辐射 下碾压混凝土仓 面温度仿真计 算 J 人 民 长 江 ， 2 0 0 7， 3 8 ( 2 ) ： 2 2 2 5 (编 辑 ： 郑 毅 ) ( 下转第 9 5页 ) - _ 口 口口 圈 I 5 O 7 i一0 至 一。 R目 第 l 7期 李 晓璐 ， 等 ： 基于 多层 次模 糊分析法 的大坝安全评价研 究 9 5 属结构 ， 从而提高大坝整体安全等级 。 4 结 语 ( 1 )本文将层次分析法和模糊 数学理论相结合 ， 建立 了大 坝安 全 的多 层 次 模 糊综 合 评 价模 型 ， 通 过工 程实例 的应 用 ， 证实 其 是 一 种 适 用 于 大 坝安 全 评 价 的 科 学方 法 。 ( 2 )本 文 的大 坝 安 全 多层 次模 糊 综 合 评 价 模 型 ， 不仅考虑了各专项指标在工程总体上 的地位和作用 ， 量化了某一单因素的不同重视程度 ， 较客观地反 映了 大坝安 全 的实 际情况 ， 比现 行 规 程 的 “ 一票 否 决 ” 法 更 合理 ， 而且能够得出量化的指标结论 ， 使各工程的评价 结论 更具 有 可 比性和 客 观性 ， 分析 结果 具有 实 际意义 ， 值得 进一 步 推广 。 参 考文 献 ： 1 谢 洪， 刘建军， 张胜 东 大坝安全模糊风 险分析 中的隶属 函数 确定 J 安徽农学通报 ， 2 0 0 7， 1 3 ( 1 3 ) ： 1 7 61 7 8 2 邢林 生 水 电站 大坝安全评价的几 个技术 问题 J 红水河 ， 2 0 0 3， ( 1 )： 7 67 8 3 L a w r e n c e B，S a u l I GO n t e a c h i n g t h e a n a l y t i c h i e r a r c h y p r o c e s s J C o mp u t e r s a n d O p e r a t io n s Re s e a r c h ， 2 0 0 3 ， ( 3 O) ： 1 4 8 7 1 4 9 7 4 钟诗胜 _ T - 程方案设计 中的模糊理论与技术 M 哈 尔滨 ： 哈 尔滨 工业 大学出版社 ， 2 0 0 0 ( 编辑 ： 郑 毅 ) Ev a l ua t i o n o f da m s a f e t y b a s e d o n AHP c o m b i n i n g wi t h Fuz z y M a t h L I Xi a o l u ， L I Ch u n l e i ， LI De y u ， W a ng Ha i b o ( 1 C i v i l a n d En v i r o n me n t E n g i n e e r i n g S c h o o l ，Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Be ij i n g，Be q i n g 1 0 0 0 8 3，C h i n a； 2 E a r t h q u a k e En g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r ，C h i n a I n s t i t u t e of Wa t e r R e s o u r c e s a n d Hy d r o p o w e r R e s e a r c h，B e n g 1 0 0 0 4 8，C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e ( o n t h e An a l y t i c Hi e r a r c h y P r o c e s s( AHP)c o mb i n i n g w i t h f u z z y ma t h ，a c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n mo d e l o f da m s a f e t y i s e s t a bl i s h e d，b y wh i c h，b o t h t h e qu a n t i t a t i v e a nd t h e qu a l i t a t i v e i nd e x e s c a n b e c o ns i de r e d Th e wei g h t s o f h i e r a r c hi c a l i n de x e s a n d t he e v a l u a t i o n ma t r i x a r e o b t a i n e d b y AHP c o mb i n i ng wi t h f uz z y ma t hThe d a m s a f e t y i s e v a l u a t e d q ua n t i t a t i v e l y b y i n t e g r a t i o n c a l c u l a t i o n T h e me t h o d v a l i d i t y i s t e s t i fi e d b y i t s a p p l i c a t i o n i n a p r a c t i c a l p r o j e c t ，wh i c h c a n p r o v i d e s c i e n t i tle b a s i s f o r t h e r i s k c o nt r o l a nd d a m s a f e t y e v a l u a t i o n K e y wo r ds： f uz z y ma t h； e v a l u a t i o n i n de x； AH P； d a m s a f e t y 】 ， 】一】一 ( 上接第 8 7页) ， ， Re s e a r c h o n e a r l y pe r i o d c o n c r e t e f r a c t u r i n g c a u s e d by s h o r t d ur a t i o n s t o r ms W ANG Xi a n g f e n g ， HUANG Da h a i 一， CHEN Ya ny u ， LI Ya n g b o ( 1 C o l l e g e of C i v i l a n d Hy d r o e l e c t r i c E n g i n e e r i n g，C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v e r s i t y ，Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2，C h i n a； 2 S c h o o l of T r a n s p o r t a t i o n S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g，B e n g U n i v e r s i t y of A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ，Be n g 1 0 01 9 1，C h i n a) Ab s t r a c t ： S u rf a c e c r a c k i n g o f e a r l ya g e c o n c r e t e i s a c o mmo n p r o b l e m i n h y d r o e l e c t r i c p r o j e c t s T h e c o n c r e t e t e mp e r a t u r e v a r i a t i on o f mo n o l i t h 1 7 o f a n a r c h d a m d ur i ng a s ho r td ur a t i o n s t o r m wa s s i mu l a t e d a n d t h e ma i n c a us e o f c o n c r e t e c r a c k a t h e i g ht o f 33 6 5 was a n a l y z e d；t h e c o n c r e t e s urfa c e t e mpe r at u r e a n d t h e rm a l s t r e s s c h a ng e s wi t h a n d wi t h o u t h e a t i n s u l a t i o n me a s u r e s we r e d i s c u s s e dTh e r e s u l t s s h o w t h a t ：a s ud d en t e mpe r a t ur e dr o p a n d t he i n c r e me nt o f c o nc r e t e s ur f a c e h e a t r e l e a s e c o e ffi c i e n t c a u s e d b y t h e s h o r td u r a t i o n r a i n s t o rm a r e t h e ma i n c a u s e s o f t h e c r a c k：r ea s o n a b l e S urfa c e p r o t e c t i o n a nd h e a t i n s u l a t i o n e f f o rts c o u l d pr e v e nt t h e c o nc r e t e c r a c ki ng，a nd ma k e a g r e a t s i g n i f i c a n c e t o t h e s a f e o pe r a t i o n o f t h e d a m Ke y wo r ds： s h o rt d u r a t i o n s t o r m ；s u dd e n t e mpe r a t u r e d r o p；t e mpe r a t u r e g r a di e nt ；s urfa c e h e a t r e l e a s e c o e f fic i e n t ；s urfa c e t e mp e r a t u r e i n s ul a t i o n an d c ur i ng；c r a c k i ng