(陕西引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710010)

热胀冷缩是混凝土普遍存在的一种物理特性。在施工期，由于外界气温的变化，混凝土外部和内部温度存在一定差异时，自身体积会发生热胀冷缩改变，形状的变化受到阻力后，在混凝土内部会产生一种温度应力。引起温度变化的主要因素有：水化热、初始温差(浇筑温度与准稳定或稳定温度之差)、气温年变化、气温日变化(日温差)。气温骤降导致的混凝土温度应力一般可分为基础温度应力和表层温度应力。基础温度应力主要由水化热产生的应力和初始温差产生的应力、气温年变化产生的应力构成，通过计算基础温度应力，确定浇筑块中央部位水平应力以及沿基础面的剪应力是否满足混凝土允许应力要求，从而判断混凝土是否产生贯穿裂缝。表层温度应力主要由气温年变化产生的温度应力和水化热温度应力等叠加构成[1]。

通常气温骤降导致的应力是持续时间较短的荷载，其影响深度在1～3m左右。因此，坝体上下游表面附近的混凝土应在考虑水化热、气温年变化、初始温差产生的应力基础上，同时考虑气温骤降产生的温度应力，确定大坝上下游表面不同龄期的应力是否满足允许拉应力要求。本文通过计算坝体表面温度应力，对秦岭腹地南北分界线复杂气候区域碾压混凝土大坝浇筑过程温差裂缝成因进行研究，为该特殊地区碾压混凝土大坝浇筑过程产生的温度裂缝采取相对合理防控措施提供参考。

1 工程概况

三河口水利枢纽碾压混凝土大坝位于陕西省汉中市佛坪县和宁陕县交接处的子午河上，是一座坝高为141.5m的碾压混凝土双曲拱坝，大坝的上下游表面、坝体与岸坡连接处、表孔和底孔的结构部位均采用常态混凝土，大坝施工过程中混凝土的浇筑总量约为109.8万m3，其中坝体碾压混凝土为90.68万m3。根据三河口大坝水利枢纽坝址区施工期近6年各月的气象资料，统计分析当地气温在1～5天内的下降变化过程，可知温度持续降低的天数以4天比较多，4天中气温的累计降低区间介于13～15℃之间，

大坝混凝土浇筑后，在水化热作用下，混凝土内部温度迅速上升，其内部温度达到最高值后缓慢下降，最后降低到一个相对稳定的温度。对于表面混凝土，由于受外界气温的影响，其温度由最高降到与气温接近，此后随年气温变化而变化，因此，混凝土表面温度应力也随外界气温的变化而变化，外界气温达到最低时，混凝土表面温度也达到最低，此时产生的应力最大。本工程外界月平均气温7月最高(25.3℃)，1月最低(2.8℃)，气温年变化达22.5℃，地区气温年变化过程见图1。

图1 地区气温年变化过程线

2 温度的仿真计算处理

2.1 温度初始条件

在计算过程刚开始的瞬间，混凝土自身和基础内部的温度特性是重要的求解前提。大坝混凝土浇筑之前，首先以外界的地表和深层恒定的温度为前提，对恒定的温度场进行计算，所得的结果作为大坝混凝土开始浇筑前的基础初始温度。采用新浇筑大坝混凝土的入仓温度作为浇筑温度。新、老混凝土相互结合部位的初始温度，选用两层混凝土结合点之间的平均值[2]。

2.2 温度边界条件

大坝基础的边界采用绝热情况来实施，大坝与外界气候接触的界面是第三类的边界情况，对于不同时间段的表层放热系数，依据本地风速和时间的推移关系以及物体表面释放热量的系数伴随着风的变化过程而设定。

2.3 胶凝材料水化热

胶凝材料产生的水化热以体积力的特性施加到坝体混凝土的各个单元上，在有限元仿真模拟计算的过程中，选取模拟计算过程产生的前后两个独立时间间隔水化热之差：ΔQ(t)=Q(tn)-Q(tn-1)。Q(t)依据施工现场实际实验情况的曲线拟合[5]。

2.4 材料力学性质

坝体混凝土的弹性模量与时间变化之间的关系，可通过工程现场施工过程中的实验数据模拟，为指数形式。混凝土产生的徐变度和自身体积变化过程是荷时间与加载龄期之间的函数，通过实验结果将其拟合成为指数函数。通过模拟的过程仿真计算混凝土内部温度应力时，将一个特定的计算时间点用材料力学的物理特性拟合成曲线并对其赋予一定的数值[3,6]。

3 气温骤降的温度应力有限元分析

3.1 计算模型

为模拟不同浇筑月份、不同龄期的混凝土在气温年变化、水化热、初始温差共同作用下的混凝土表面一定范围内的混凝土温度应力，采用三维有限元精细网格进行模拟，计算模型共划分成14800个单元，三河口大坝坝体三维有限元模型见图2。

图2 三河口大坝坝体三维有限元模型

3.2 计算参数

根据三河口水利枢纽大坝混凝土的设计文件和相应的图纸，大坝坝体碾压和常态混凝土的物理特性参数见表1。

表1 坝体碾压和常态混凝土的物理特性参数

3.3 计算条件

三河口大坝在施工过程中，采用3m浇筑层厚。本文选取无保护措施并采用等效热交换系数为5kJ/(m2·h·℃)、7kJ/(m2·h·℃)的材料进行混凝土表面保护的三种工况。根据当地的气候情况，对气温连续下降天数居多的4日型气温骤降最大降幅15℃进行有限元计算，分析坝体混凝土表层到3m深度的气温骤降过程产生的温度应力。在当地气温出现骤降现象时，混凝土的外界温度可以采用降温历时和幅度来拟合构成相应的线性函数，将函数按第三类边界条件来求解[4]。不同保护标准下不同龄期由4日型最大降幅15℃在坝体不同深度产生的温度应力见表2和图3～图7。

表2 4日型最大降幅15℃产生的表面温度应力 单位：MPa

图3 不同龄期下坝体表面温度应力变化过程曲线

图4 不同龄期下坝体0.5m深处温度应力变化过程曲线

图5 不同龄期下坝体1m深处温度应力变化过程曲线

图6 不同龄期下坝体2m深处温度应力变化过程曲线

图7 不同龄期下坝体3m深处温度应力变化过程曲线

结果表明：

a.在坝体外界气温出现骤降的过程中，坝体表面混凝土气温降幅较大、时间较短、体内温度变化的梯度较大，导致坝体混凝土热胀冷缩过程中自身徐变无法得到足够的发挥，所以坝体混凝土表面出现了较大的温度应力。

b.外界温度出现4日型最大降幅15℃时，坝体的最大降温主要出现在混凝土表层部分，同时在碾压混凝土大坝表层的应力也最大，应力在坝体混凝土0～90天龄期之间增加较快，随后增幅逐渐减小趋于稳定状态。

c.外界温度的骤降所产生的应力主要集中在坝体混凝土1～3m深处，沿坝体内部深度大幅减小，坝体混凝土内部1m部位的应力约为其外部表层的21%～25%，距表面内部3m部位的应力大约是其外部表层的8%～10%。

d.采取等效热交换系数为7kJ/(m2·h·℃)、5kJ/(m2·h·℃)的表层保护后相应部位的应力出现了大幅减小，其值分别为不采取保护措施时表层应力的36%和24%左右，采取等效热交换系数β为5kJ/(m2·h·℃)保护措施的效果比较显著。

对比以上计算结果：三河口水利枢纽碾压混凝土大坝位于秦岭南北分界线特殊地带，在当地气候条件较差的情况下，不采取保护措施时坝体混凝土表面的应力在混凝土7天、28天、90天、180天不同龄期阶段超过混凝土施工期允许拉应力，但在大坝混凝土表面采取效热交换系数比较小的强保护标准保护后,能够有效降低由气温骤降所产生的温度应力，达到混凝土施工期允许拉应力要求，保护标准越强，效果越突出。

4 结 论

a.在外界气温骤降时，坝体表面的温度迅速降低，相应的其拉应力在0～90天龄期内迅速增加，对于龄期较早的混凝土来说，允许承受的拉应力较小，很容易在混凝土表面产生裂缝。

b.对于大坝上、下游坝面和坝体永久外露面要采取全年保温措施。在混凝土浇筑完成之后立刻进行保温，混凝土表面等效热交换系数在采取保温措施后满足β≤5.0kJ/(m2·h·℃)。

c.坝体混凝土的侧面及仓面要采用临时保温措施。冬季11—3月浇筑的混凝土表面应覆盖保温标准β≤5.0kJ/(m2·h·℃)的保温材料，至翌年3月下旬拆除。

d.基础长间歇面要采用保温标准β≤5kJ/(m2·h·℃)的保温材料进行保温，直至上层混凝土覆盖前。

e.坝体底孔、表孔、内廊道等部位混凝土采取加厚保温，保温标准β≤5kJ/(m2·h·℃)。在9月底以前挂保温材料封口，防止冷空气对流而产生裂缝。

f.根据当地气象预报，在当地气温骤降时段要推迟拆模时间，否则须在拆模后立即采取其他表面保护措施。当气温降到冰点以下时，龄期短于7天的混凝土应覆盖高发泡聚乙烯泡沫塑料或其他合格的保温材料作为临时保护层。