熊浩波

邯郸市漳滏河灌区灌溉供水管理处，河北 邯郸 056000

1 温度场和温度应力的基本原理

1.1 温度场

温度场是通过时间与空间函数来计算和表达，其空间概念在函数中同时需x, y, z3个坐标来定义，在时间概念上有稳态和非稳态两种情况，稳定状态不考虑时间变量，表示为T=f（x），此时温度场不随时间变化而变化，非稳态考虑时间变量的限制，表示为T=f（x, t），温度场会随时间变化而变化。

根据上述公式得出温度场的3种定义：

1）稳态：指温度在单位空间内的分布情况。

2）代入时间变量：物体内部单位时间内或某一瞬间各空间点上温度的分布情况。

3）代入时间变量和维度：指单位时间内或某一瞬间，在一定空间范围内各点的温度分布情况的集合。

以上3个定义分别从不同角度对温度场进行描述，所运用的范围也不尽相同，基于水闸工程中需要考虑的各种因素，在本文中将与第一和第二定义的理念来进行研究和探讨。

1.2 温度应力

温度应力与温度场具有紧密的联系，是温度场分布下的具体研究表现。温度应力的定义是：物体温度产生变化时物体产生变形，受到约束从而产生的应力。物体由于温度高低变化会产生一定膨胀和收缩效应，通常物体内部本身还存在各个空间点温度分布不均匀的现象，各个空间点按照自身温度变化造成伸缩变化，整体上看导致物体物理结构变化的限制和约束，从而会产生相应的应力。在水闸施工过程中就存在水闸部件内部温度空间点分布广，空间点温度变化不均的现象。

2 温度场及温度应力对水闸施工带来的主要问题

我国子公元前起就有拦河建坝的水利工程经验，对水闸建设的设计理论和施工方法都已发展得比较成熟。现代水闸工程的基本建设原料都是混凝土，常常由于温度，湿度的作用导致施工过程中混凝土底板和闸墩开裂，这几乎是现代水闸工程中长期存在的通病，本节试通过运用温度场基本原理分析水闸施工的两个主要部分会出现的主要问题。

2.1 水闸底板开裂问题

混凝土是现代建筑工程运用的基本材料，而现代水闸也是运用混凝土与水混合浇筑而成，其中水泥成分在遇水融合时会发生水化反应，产生大量热量，根据能量定律和流散原理，底板的设计需要与空气直接接触，以便能够使反应热量向空气中流散，但不能达到完全散失。底板底面温度较低，且与地基直接接触，因此有一部分热量会根据冷热传导的性质由地基传送而散发，从理想状态来分析，热量应该通过这两种方式全部散发，以此达到温度场的稳态导热，但由于混凝土物理结构的特征，具有导热性较差的缺陷，在水化反应过程中，如果反应速度大于混凝土传热散热速度，那就会导致一部分热量仍囤积在混凝土内部，尤其是在冬季，比较寒冷的状态下，外部凝固速度加快，内部热量无法顺利散出，于是会相续出现以下情况：

1）施工前期（高温期）

底板外部四周的温度较混凝土底板内部温度低，内部与表面温度有差异，且根据反应速率和传热速率差距温度差异可能增大，底板作为物体的整体表面，因物体内部整体温度较高而产生膨胀外拉的温度应力，而内部各点之间由于各自膨胀在相互间产生互相挤压的温度应力，这样一来底板面就容易从内而外产生开裂。

2）施工后期（降温期）

底板内部混凝土温度逐渐散发，整体温度下降，从而出现收缩现象，导致内部变形，同时，由于底板与地基相连，在收缩过程中会受到地基的约束，产生相应的拉应力，导致开裂问题出现。

2.2 水闸闸墩开裂原因

闸墩的温度分布规律与闸底板相似，在施工过程中同样以两个时期来分析：

1）高温期

施工早期水闸闸墩同样存在外冷内热的现象，且闸墩会受到来自水流的水力影响，产生大量温降，形成较大的拉应力，当拉应力大于其混凝土的抗拉强度时，就形成裂缝。

2）降温期

闸墩内部同样也会由于降温而导致结构性收缩，但收缩又受到下方底板的约束，在水流的影响下，形成的强大拉应力会导致闸墩较脆弱的闸门及槽区先出现裂缝。

从整个时期上看，闸墩在整个升温和降温阶段，墩内外已形成非稳态温度场，内外温差的产生使水流方面对混凝土表面产生的拉应力超过其抗拉强度而开裂。

3 施工过程中温控防裂工作

通过上节对水闸底板和闸墩开裂的探讨可得出这样的结论：水闸施工温控防裂的重点有以下几个方面：

1）基本建筑材料的缺陷导致开裂；

2）浇筑温度的控制影响混凝土材料的散热情况；

3）混凝土表面的与内部温差控制。

3.1 针对建筑材料的优化建议

在上节中混凝土材料的缺陷中可看出，造成早期开裂的主要原因是混凝土中水泥成分在水化反应过程中产生热量过大过快，总体温度升幅过大而导致散热问题，因此混凝土材料的优化应首先针对降低其热升温来减小温度升幅，可以通过选用低热的水泥，并在材料中加入适量粉煤灰，和对水泥成分中产热放热速度快的硅酸三钙和铝酸三钙含量进行调整，以减小混凝土的绝热升温，同时也应改善混凝土的传染性能。

另一方面，提高混凝土结构的抗拉应强度也非常重要，通过在成分中加入具有张力的纤维材料可以提高混凝土物理结构中的韧性和互联作用，在温度变化和水力冲击过程中具有一定张力和弹性，减小开裂的可能性。

3.2 针对温度的控制建议

温度控制是一个整体的过程，由以下几个方面组成：

1）减小浇筑温度

减小浇筑温度直接影响混凝土中水泥成分的水化反应放热速度和放热量，尤其在高温季节进行水闸施工，更应注意浇筑温度的控制。浇筑温度越低，混凝土在早期的温度升幅最高值就越低，这样内外温差就相对小一些，而后期温度降幅也相对较小，闸底板和闸墩造成的拉应力也就相对小。降温可以通过简单加入冰块来实现。

2）混凝土表面内表温差控制

减小混凝土内表温差通过表面保温来实现。通过减少表面热扩散，降低表层温差，或者延长散热时间等手段可达到效果。表面保温措施可以调节表面温度下降的速度，从而减小混凝土内外温差，减小拉应力，防止表面开裂。