马也

（辽宁省观音阁水库管理局，辽宁 本溪 117110）

1 概述

近年来，我国进行大坝施工期温控防裂研究，取得一定效果，施工期裂缝明显减少，但仍未完全避免裂缝的发生。原因主要有以下几方面：第一，施工前期防裂有限元计算参数均采用混凝土热学性能试验的结果，而试验结果往往和工程实际还有一定偏差；第二，由于实际施工时，混凝土浇筑进度往往提前或拖后，导致计算条件与实际存在差异；第三，由于体制、环境、管理等诸多因素的限制，温控措施往往不能得到充分的理解和执行；第四，大体积混凝土施工过程中，形成了大量的个性化温控信息，比如气候条件的突变、地质条件的变化、施工工期的调整、混凝土浇筑期间温度监测结果，施工单位的施工信息等等，没有统一协调这些信息，各方不能真正做到信息共享，造成宝贵信息的浪费。

寒冷地区，气温变化较大，昼夜温差大且寒潮频繁，这就要求大坝在施工阶段，严格控制施工过程，实时调整温控方案，尽量减小大坝裂缝。因此，为了有效防止大坝可能出现的裂缝，及时调整施工过程中的温度控制指标和温控措施，真正了解高寒地区RCC重力坝施工期温度场及应力场的变化规律，有必要开展跟踪及反馈分析仿真计算。即开展热力学参数的反演分析工作，校准计算采用的参数和边界条件，以使仿真计算结果更为真实可靠，更好的指导施工。对温控要求更为严格的寒冷地区预防大体积混凝土开裂，保证工程质量，推动我国水电施工信息智能化进程，具有重要意义。

2 温度场的研究方法

2.1 理论解法。理论解法或解析方法目前主要用来求解边界条件比较简单的一维温度场，常用的方法有分离变量法和拉普拉斯变换法，对于随时间而作简谐变化的准温度场，还可以采用复变函数方法。解析方法的理论根据是固体热传导理论，对于具体的工程问题，可根据实际情况研究其边界条件和初始条件，然后求得函数形式的解答。但是水工结构实际中遇到的问题大多数边界条件比较复杂，难以求出解答。

数值方法根据其计算原理又可分为差分法、边界元法和有限元法。

2.2 差分法。差分法是一种古典的近似数值计算方法。它从微分方程出发，经过区域离散化处理后，近似地用差分、差商来代替微分、微商，把对微分方程及其边界条件的求解，归结为求解一个线性代数方程组。差分过程简单，计算量小，适用于一些边界规则简单的低维问题，而对边界复杂、材料多样的多维问题则比较困难。另外，差分解的收敛性及稳定性与差分网格的尺度、差分格式、计算步长等相关，也给计算带来困难。

目前对于比较复杂的一维问题，主要用差分法求解，对于比较复杂的二维和三维问题，主要用有限单元法求解。

2.3 有限单元法。有限元法是随着计算机的出现而迅速发展起来的数值方法，目前用在几乎所有的工程结构计算中。有限元法把求解一定边值条件下的温度场转化为求解一个泛函的极值问题，先把计算域离散为有限个单元，在单元内采用一定插值函数，则单元内温度可近似由单元的节点温度插值得到，然后建立单元结点温度的线性方程组，再解方程求解结点的温度值，用有限元法求解非稳定温度场时，一般采用有限元一差分解法，即用有限元法离散空间域，用差分法离散时间域。有限单元法易于适应不规则边界和多种介质混合域问题，且易于在局部调整单元尺度以提高计算精度；另外，用有限元法计算温度场可以与温度应力场的计算嵌套进行，这是其他数值方法目前尚难以做到的。

3 应力场的研究方法

3.1 理论解法。由于混凝土坝边界和坝内材料的复杂性，要求解满足所有条件的温度应力解答几乎是不可能的。

3.2 影响线法。不均匀温度场应力计算可用影响线法进行简化计算，影响线法计算温度应力和差分法计算温度场配套使用。

3.3 约束系数法。约束系数法在应力场研究中是一种比较简单方便的方法，同时也是一种操作简单的方法。但是，由于大坝的构建不同，地质条件不同，这就导致了大坝部分的约束力也是不同的，这就会使压力也各不相同，再利用混凝土构建大坝的同时，随着温度的不断的升高，压力却未被考虑在其中，因而，约束法是一种比较保守的方法。现在，很多的大坝都出现了地面出现裂痕的问题，这就是混凝土因为压力与强度的关系，是混凝土不适合环境的需求，进而导致了混凝土的开裂，这种开裂的方式不一定是发生在最大变温时刻，而是在约束系数无法考虑的变温或者是应力的过程发生的，这种开裂的发生，对于大坝的整体都会存在安全隐患，严重的情况下可能会导致大坝的坍塌，对于生命财产的安全都存在隐患。

3.4 有限单元法。有限单元法是一种比较成熟的方法，也是一种比较常见的方法，这种方法对于计算混凝土的温度场与应力场的计算都是一种成熟的稳定的方法，能够比较准确的进行数值的运算。同时也能够对混凝土进行模拟的实验，这样能够更加准确的对于出现的问题进行解决。混凝土大坝的施工运行需要经历很长的一段时间，这段时间是非常容易出现失误的，需要不断的进行监督。在施工的过程中会受到很多因素的影响，像是气温、浇注温度、水化热、混凝土材料的力学、热血参数等都会在施工途中出现变化，会对混凝土大坝造成影响。为了对混凝土的温度进行精确的分析，就要不断地进行实践找出温度与应力的分布以及规律，并且在有限的空间内进行有限单元法对大坝进行离散化，这样能够不断地从不同的领域进行分散，能够比较快的把握规律，能够比较准确的进行施工的模拟，从而提高准确性。

对于温度应力来说，用有限元法计算具有以下优点：可以比较准确的计算温度场；可以真实的反映基岩对温度场和应力场的影响；可以模拟施工过程，进行仿真计算。

结语

由于工程施工过程中，初始条件（浇筑温度）、边界条件、混凝土升程计划、以及混凝土分区时常调整，混凝土配合比时有变化，导致大坝的温度和应力计算值与实测值出现较大的差距。通过不断地对已浇筑的坝体进行监测和分析，并对拟定的温控措施和施工进度进行仿真计算，对后续施工中可能出现的温度场和应力场进行预报和评估，据此不断地修改温控措施，尽量减小大坝裂缝，从而不断改进混凝土坝的施工质量。

[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，1999.

[2]李永刚，李守义.寒冷地区某碾压混凝土重力坝温控计算分析[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2005.