徐静伟 卢少为 吴利华

摘要：针对渡槽工程中常见的温度裂缝问题，利用人工气候环境实验室模拟寒潮降温，开展钢筋混凝土单厢矩形渡槽模型抗裂性能试验研究，通过监测运行期空槽、通水两种工况下的温度及应变，分析混凝土温度、应变变化规律及开裂风险区域。试验结果表明：寒潮发生时，空槽时底板表面及侧墙外壁混凝土为开裂风险区域，通水工况下侧墙外壁混凝土具有更大的开裂危险;在降温期间应加强渡槽混凝土内外表面的保温措施。

关键词：矩形渡槽;抗裂性能;运行期;模型试验;寒潮

中图分类号：TU528.1：TV672.3

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）06-0095-05

工程实践中，渡槽常因温度作用出现不同程度的裂缝[1][2]，嚴重影响结构的安全运营和使用寿命。《水工混凝土结构设计规范》[3]（SL191-2008）指出，“结构运用期的温度作用应考虑外界气温、水温、结构表面日照等影响”，因此外界气温变化对渡槽运行期的影响值得关注和研究[4]。南水北调西线工程沿线气候条件复杂多变，寒潮频繁，将给渡槽带来较大的开裂风险。目前对渡槽运行期抗裂性研究成果主要集中在太阳辐低0.7℃;②正常使用时的通水工况：室温变化情况为初始19℃- 缓慢降温2h→13.6℃- 寒潮降温2.5h→最低2.8℃。

2 试验结果及分析

2.1 运行期空槽工况 本工况主要模拟空槽时寒潮降温的气候变化情况：初始室温15℃，在1.5h后室温缓慢降至12.5℃，随后寒潮来临，出现大幅降温，最低温度0.7℃，室内气温下降幅度达到14.3℃。图4为加载过程中室内气温变化情况。

2.1.1 温度试验结果

图5反映了加载过程中沿高度方向典型测点的混凝土温度变化情况，主要选取3断面左侧墙的4个典型测点进行分析，即侧墙壁厚125mm处截面的顶部（距地高度1470mm）、中部（距地970mm）、底部（距地135mm），以及底板中部75mm高度处测点。可以看出，沿高度方向由于各部位的截面特征、与空气接触范围不同，温度变化情况有所差异。其中，侧墙顶部温度变化幅度较大，而侧墙中部、底部以及底板处混凝土温度下降较为缓慢。

为进一步研究不同时刻沿壁厚方向的温度变化，取断面3左侧墙970mm高度处7个典型测点进行分析，如图6所示。可以看出，沿壁厚方向，内部混凝土温降缓慢，加载4.5h后壁厚35 - 215mm之间的混凝土温度下降1.8 - 2.5℃，表面混凝土随环境温度变化敏感，温降趋势相对明显，4.5h后下降2.8 - 4.5℃。

2.1.2 应变试验结果

图7、图8分别为侧墙竖向及底板水平方向上的内部混凝土应变变化。由图8可知，侧墙外壁的中部及底部混凝土应变发展相对较快，寒潮降临时为受拉状态，加载4.5h后分别缓慢达到5με、11με。而侧墙内壁的温度变化相对滞后，应变变形很小，发展缓慢。由图9可以看出，底板由于尺寸相对较薄，随温度变化产生变形，应变发展趋势明显，加载4.5h后上、下层混凝土应变分别达到7-8με、10με。由试验结果来看，寒潮降温过程会导致混凝土产生拉应变。虽然在短时间内拉应变较小，不足以构成开裂风险，但如果持续降温数日，拉应变将持续发展，渡槽表面混凝土具有较大的开裂风险。

2.2 运行期通水工况

本工况主要模拟渡槽通水时寒潮降温的环境气候：初始室温19℃，降温2h温度达到13.6℃，随后发生寒潮降温，温度最低降为2.8℃。室内气温下降幅度达16.2℃。这期间室内温度变化曲线如图9所示。设计为半槽通水，水位约0.8m高。加载过程中水温从14.9℃缓慢下降至14.6℃，如图10所示。

2.2.1 温度试验结果

图11为断面3上4个典型部位测点的温度变化情况，测点位置与空槽工况时一致。可以看出，温度变化与空槽状态相比，相对较为缓慢。加载过程中，渡槽各部位混凝土温度变化速率不一，其中侧墙顶部温度变化最快，加载4.5h后温度下降2.3℃;侧墙中部、底部及底板温度变化极其缓慢，甚至有滞后现象。分析原因，主要是由于槽内通水，接触水的下部结构混凝土受水温影响，温度变化较为缓慢，而不接触水的侧墙上部结构受环境温度影响，温度变化较快。

为进一步研究水位线上、下方渡槽混凝土沿侧墙壁厚方向上的温度变化情况，分别选取水位线上（距地高度1470mm处）、水位线下（距地720mm处）的测点，其沿侧墙壁厚方向每2h的温度变化曲线如图12、图13所示。从试验结果可以看出，水位线上、下方侧墙沿壁厚方向温度变化相差很大。水位线上方的侧墙混凝土，沿壁厚方向温度变化基本对称，并且表面混凝土的温度变化速率远大于内部混凝土;因侧墙内、外壁均与大气接触，温度变化较快，4h内、外壁温度分别下降6.8℃、8.6℃。而水位线下方的侧墙，外壁暴露在空气中，混凝土温度随气温变化，变化幅度较大，4h后外表面混凝土温降5.8℃;内壁与水接触，加载过程中温度变化幅度小，4h后温度仅仅下降0.5℃，并且外壁表面温度变化速率大于内壁表面温度变化速率。由试验结果可以看出，寒潮发生时，暴露在空气中的侧墙外壁温度梯度最大，具有更大的开裂风险。

2.2.2 应变试验结果

图14、图15分别为侧墙及底板混凝土内部应变变化，可以看出，加载2h后出现寒潮降温，与水接触的侧墙内壁以及底板，应变发展缓慢，甚至表现为微小的受压状态。而直接与空气接触的侧墙外壁开始产生拉应变，若实际寒潮降温持续时间较长，将存在较大的开裂风险。

3 结语

1）渡槽模型空槽时，底板表面及侧墙外壁处温度梯度较大，而侧墙内壁的温度变化相对滞后;底板应变发展趋势明显，侧墙外壁应变发展相对较快，均呈受拉状态。若寒潮降温持续数日，拉应变将持续发展，一旦超过极限抗拉能力，必然导致渡槽表面混凝土开裂。

2）渡槽模型通水时，温度变化较空槽时缓慢。沿侧墙壁厚方向的温度分布与其内壁是否接触水有关，水位线上方的侧墙内外壁温度梯度大于水位线下方的侧墙外壁;侧墙外壁表面拉应变较大。寒潮作用下，暴露在空气中的侧墙外壁混凝土具有更大的开裂危险。

3）渡槽运行期时，在空槽及通水情况下，都需要关注气象预报，加强抗裂措施。在渡槽的外表面应覆盖永久保温板，而内表面暴露空气的部分也应覆盖保温材料，或在顶部加盖封闭。、

参考文献

[1]陈浩，李小久，岳朝俊，南水北调中线工程沙河渡槽槽墩裂缝成因分析[J].中国农村水利水电，2013（10）：64-67.

[2]刘晓鹏，吕斌，新疆某供水工程渡槽裂缝成因分析及处理措施[J].人民黄河，2018，40（1）：123-126.

[3]中华人民共和国水利部.水工混凝土结构设计规范SL191-2008[S].北京：中国水利水电出版社，2008：67-68.

[4]梁飞，季日臣，寒潮期间早龄期箱形渡槽的温度效应分析[J].人民黄河，2017，39（4）：118-121.

[5]许军才，任青文，张胜，渡槽混凝土结构施工期温控防裂研究[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2011，31（4）：553-556。

[6]吴利华，矩形渡槽运行期人工模（下转第170页）

作者简介：徐静伟（1984-），女，回族，河南南阳人，硕士研究生，讲师，研究方向：建筑结构。