王富强

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

1 工程概述

大藤峡水利枢纽工程所在地多年平均气温21.5℃，极端最高气温39.2℃，极端最低气温-3.3℃，30℃以上气温出现天数为100～150d，且寒潮频繁。枢纽建筑物主要包括泄水闸、船闸和厂房结构，其中船闸结构按3000t级规模设计，主体段总长385.00m，包括上闸首、下闸首、闸室三部分。上闸首顺水流方向长58.80m，最大高度75.25m，门前部分挡水总宽度113.00m，上闸首被2道纵向结构缝分为了3块，宽度从左至右分别为45.00，28.00，40.00m。

防裂是大体积混凝土结构的主要任务，上闸首结构面临体型大、结构复杂、气温条件恶劣等不利条件，本文针对上闸首结构，通过有限元仿真计算确定关键部位的温控标准，给出相应的温控防裂措施。

2 基本理论及方法

2.1 温度场基本方程

由热传导理论，大体积混凝土结构非稳定温度场在某一区域R内应满足下列微分方程及相应的边界条件：

第一类边界条件：混凝土与水接触，即

第二类边界条件：混凝土表面热流量是时间的已知函数，即

第三类边界条件：混凝土表面热流量与混凝土表面温度T和气温Ta之差成正比，即

式中：T为温度值；a为导温系数；τ为时间；θ为混凝土绝热温升；λ为导热系数；β为表面放热系数；n为表面的外法线方向。

2.2 应力基本方程

温度应力的计算方法为增量法，把时间τ划分成一系列时间段，即△τ1，△τ2，……，△τn，在时段△τn内产生的应变增量为

而与之对应的是节点荷载增量，进行单元集成后可得整体的平衡方程：

式中：[K]为单元刚度矩阵；{△δn}为节点位移增量；{△Pn}为节点荷载增量。

由{△σn}=E{△εn}，可得{△σn}，累加后得到各单元τn时刻的应力：

混凝土温度应力控制标准按混凝土极限拉伸值控制，即

式中：γ0为结构重要性系数，对应结构安全级别分别为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ级的结构与构件，可分别取1.1，1.0，0.9；σ为各种温差所产生的温度应力之和；εp为混凝土极限拉伸值的标准值；Ec为弹性模量的标准值；γd3为温度应力控制正常使用极限状态短期组合结构系数。

船闸工程为I级建筑物，γ0取1.1，γd3取1.5，γd3·γ0=1.65定义为安全系数，若计算出的安全系数小于1.65，则判定混凝土存在开裂风险。

3 稳定温度场计算分析

船闸稳定温度场取决于当地气候条件和结构形式，为了计算船闸大体积混凝土稳定温度场，选取上闸首最大部位左边墩混凝土进行计算，上闸首左边墩混凝土最大尺寸为58.80m×45.00m×75.25m（长×宽×高）。稳定温度场的计算考虑库水温度、气温、地温变化，上游面和船闸右侧与水接触取正常蓄水位，下游面和船闸左侧为绝热边界，地面与基岩接触，其他部位与空气接触并考虑太阳辐射影响。

考虑上述计算边界条件后，对上闸首进行稳定温度场计算，计算结果如图1所示。由图1可知，强约束区稳定温度为20.10～21.77℃；弱约束区稳定温度为20.20～22.50℃，非约束区稳定温度为20.60～23.50℃；船闸中心部位的稳定温度为21.0～22.0℃。

图1 温度场计算结果图

4 混凝土温度及应力场计算

4.1 计算参数及工况

该工程上闸首混凝土主要热力学参数如表1所示，计算工况见表2。

表1 主要热力学参数

表2 计算工况表

4.2 混凝土最高温度及最大顺河向应力

混凝土最高温度及最大顺河向应力计算结果见表3，从表3中可以看出：在不采取温控措施条件下，安全系数均小于1.65，不满足温控防裂要求；在采取温控措施后，安全系数均大于1.65，满足温控防裂要求。

表3 混凝土最高温度及最大顺河向应力计算结果表

4.3 上游面混凝土最大横河向应力

考虑到上闸首左边墩上游面结构宽45.00m，上游面最大横河向应力会较大，其开裂风险也较大，因此进行了多个方案的比较计算，计算方案和计算结果见表4。

表4 上游面混凝土最大横河向应力计算方案和计算结果

从计算结果中可以看出，只有采取控制混凝土浇筑温度，一、二期通水冷却，临时保温等综合温控措施后，上游面最大横河向应力的安全系数才能大于1.65，满足温控防裂要求，因此在施工期，应加强上游面的温控措施，特别表面的临时保温和入冬前的通水降温，同时对具备回填条件的混凝土浇筑完成部位，及时进行石渣或混凝土回填以加强保温。

5 混凝土温控标准和温控措施

综合稳定温度场和混凝土温度应力计算成果，确定船闸混凝土温控标准和温控措施。

5.1 温度控制标准

船闸混凝土基础温差强约束区为15.0℃，弱约束区为17.0℃；上下层温差为15.0℃；内外温差为15.0℃。船闸混凝土容许最高温度强约束区为32.0℃，弱约束区为34.0℃，非约束区为36.0℃。

5.2 温度措施

1）采用制冷工艺，控制混凝土浇筑温度

高温季节浇筑的混凝土采用堆场初冷、风冷粗骨料、冷水拌和、加片冰拌和等组合方式控制出机口混凝土的温度。减少运输环节，加快混凝土的运输速度，减少运输过程中温度回升。施工过程中，减少浇筑块覆盖前的暴露时间，加快混凝土入仓速度和覆盖速度，浇筑完毕后，立即覆盖保温材料进行临时保温，减少仓面浇筑过程中混凝土温度回升。当浇筑仓内气温较高、日照强烈或气候干燥时，进行仓面喷雾，以降低仓面环境温度。高温季节，约束区混凝土浇筑温度按照不超过15℃控制，非约束区按照不超过17℃控制。

2）采取通水冷却，控制混凝土最高温度

船闸混凝土内部布设冷却水管进行通水冷却，水管间距为1.5m×1.5m。高温季节采用两期通水，低温季节采用一期通水。

3）表面保护

对新浇筑混凝土表面立即进行临时保温，保温材料等效放热系数不大于70kJ/（m2·d·℃）。

4）回填保温

对于具备回填条件的混凝土浇筑完成部位，及时进行石渣或混凝土回填以加强保温。

6 结语

防裂是大体积混凝土施工主要任务，裂缝的出现将会对结构的整体性、耐久性产生不利影响。大藤峡水利枢纽船闸具有体型大、结构复杂、气候条件恶劣等诸多温控防裂不利因素，本文采用有限元法对上闸首结构进行了仿真计算，根据计算结果确定了船闸混凝土的温控标准和湿控措施，从而确保了工程防裂安全。本文研究成果，对类似大体积混凝土的温控防裂设计具有一定的参考和借鉴作用。