熊浩波

邯鄲市漳滏河灌區(qū)灌溉供水管理處，河北 邯鄲 056000

1 溫度場和溫度應力的基本原理

1.1 溫度場

溫度場是通過時間與空間函數(shù)來計算和表達，其空間概念在函數(shù)中同時需x, y, z3個坐標來定義，在時間概念上有穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩種情況，穩(wěn)定狀態(tài)不考慮時間變量，表示為T=f（x），此時溫度場不隨時間變化而變化，非穩(wěn)態(tài)考慮時間變量的限制，表示為T=f（x, t），溫度場會隨時間變化而變化。

根據(jù)上述公式得出溫度場的3種定義：

1）穩(wěn)態(tài)：指溫度在單位空間內(nèi)的分布情況。

2）代入時間變量：物體內(nèi)部單位時間內(nèi)或某一瞬間各空間點上溫度的分布情況。

3）代入時間變量和維度：指單位時間內(nèi)或某一瞬間，在一定空間范圍內(nèi)各點的溫度分布情況的集合。

以上3個定義分別從不同角度對溫度場進行描述，所運用的范圍也不盡相同，基于水閘工程中需要考慮的各種因素，在本文中將與第一和第二定義的理念來進行研究和探討。

1.2 溫度應力

溫度應力與溫度場具有緊密的聯(lián)系，是溫度場分布下的具體研究表現(xiàn)。溫度應力的定義是：物體溫度產(chǎn)生變化時物體產(chǎn)生變形，受到約束從而產(chǎn)生的應力。物體由于溫度高低變化會產(chǎn)生一定膨脹和收縮效應，通常物體內(nèi)部本身還存在各個空間點溫度分布不均勻的現(xiàn)象，各個空間點按照自身溫度變化造成伸縮變化，整體上看導致物體物理結(jié)構(gòu)變化的限制和約束，從而會產(chǎn)生相應的應力。在水閘施工過程中就存在水閘部件內(nèi)部溫度空間點分布廣，空間點溫度變化不均的現(xiàn)象。

2 溫度場及溫度應力對水閘施工帶來的主要問題

我國子公元前起就有攔河建壩的水利工程經(jīng)驗，對水閘建設(shè)的設(shè)計理論和施工方法都已發(fā)展得比較成熟。現(xiàn)代水閘工程的基本建設(shè)原料都是混凝土，常常由于溫度，濕度的作用導致施工過程中混凝土底板和閘墩開裂，這幾乎是現(xiàn)代水閘工程中長期存在的通病，本節(jié)試通過運用溫度場基本原理分析水閘施工的兩個主要部分會出現(xiàn)的主要問題。

2.1 水閘底板開裂問題

混凝土是現(xiàn)代建筑工程運用的基本材料，而現(xiàn)代水閘也是運用混凝土與水混合澆筑而成，其中水泥成分在遇水融合時會發(fā)生水化反應，產(chǎn)生大量熱量，根據(jù)能量定律和流散原理，底板的設(shè)計需要與空氣直接接觸，以便能夠使反應熱量向空氣中流散，但不能達到完全散失。底板底面溫度較低，且與地基直接接觸，因此有一部分熱量會根據(jù)冷熱傳導的性質(zhì)由地基傳送而散發(fā)，從理想狀態(tài)來分析，熱量應該通過這兩種方式全部散發(fā)，以此達到溫度場的穩(wěn)態(tài)導熱，但由于混凝土物理結(jié)構(gòu)的特征，具有導熱性較差的缺陷，在水化反應過程中，如果反應速度大于混凝土傳熱散熱速度，那就會導致一部分熱量仍囤積在混凝土內(nèi)部，尤其是在冬季，比較寒冷的狀態(tài)下，外部凝固速度加快，內(nèi)部熱量無法順利散出，于是會相續(xù)出現(xiàn)以下情況：

1）施工前期（高溫期）

底板外部四周的溫度較混凝土底板內(nèi)部溫度低，內(nèi)部與表面溫度有差異，且根據(jù)反應速率和傳熱速率差距溫度差異可能增大，底板作為物體的整體表面，因物體內(nèi)部整體溫度較高而產(chǎn)生膨脹外拉的溫度應力，而內(nèi)部各點之間由于各自膨脹在相互間產(chǎn)生互相擠壓的溫度應力，這樣一來底板面就容易從內(nèi)而外產(chǎn)生開裂。

2）施工后期（降溫期）

底板內(nèi)部混凝土溫度逐漸散發(fā)，整體溫度下降，從而出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，導致內(nèi)部變形，同時，由于底板與地基相連，在收縮過程中會受到地基的約束，產(chǎn)生相應的拉應力，導致開裂問題出現(xiàn)。

2.2 水閘閘墩開裂原因

閘墩的溫度分布規(guī)律與閘底板相似，在施工過程中同樣以兩個時期來分析：

1）高溫期

施工早期水閘閘墩同樣存在外冷內(nèi)熱的現(xiàn)象，且閘墩會受到來自水流的水力影響，產(chǎn)生大量溫降，形成較大的拉應力，當拉應力大于其混凝土的抗拉強度時，就形成裂縫。

2）降溫期

閘墩內(nèi)部同樣也會由于降溫而導致結(jié)構(gòu)性收縮，但收縮又受到下方底板的約束，在水流的影響下，形成的強大拉應力會導致閘墩較脆弱的閘門及槽區(qū)先出現(xiàn)裂縫。

從整個時期上看，閘墩在整個升溫和降溫階段，墩內(nèi)外已形成非穩(wěn)態(tài)溫度場，內(nèi)外溫差的產(chǎn)生使水流方面對混凝土表面產(chǎn)生的拉應力超過其抗拉強度而開裂。

3 施工過程中溫控防裂工作

通過上節(jié)對水閘底板和閘墩開裂的探討可得出這樣的結(jié)論：水閘施工溫控防裂的重點有以下幾個方面：

1）基本建筑材料的缺陷導致開裂；

2）澆筑溫度的控制影響混凝土材料的散熱情況；

3）混凝土表面的與內(nèi)部溫差控制。

3.1 針對建筑材料的優(yōu)化建議

在上節(jié)中混凝土材料的缺陷中可看出，造成早期開裂的主要原因是混凝土中水泥成分在水化反應過程中產(chǎn)生熱量過大過快，總體溫度升幅過大而導致散熱問題，因此混凝土材料的優(yōu)化應首先針對降低其熱升溫來減小溫度升幅，可以通過選用低熱的水泥，并在材料中加入適量粉煤灰，和對水泥成分中產(chǎn)熱放熱速度快的硅酸三鈣和鋁酸三鈣含量進行調(diào)整，以減小混凝土的絕熱升溫，同時也應改善混凝土的傳染性能。

另一方面，提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉應強度也非常重要，通過在成分中加入具有張力的纖維材料可以提高混凝土物理結(jié)構(gòu)中的韌性和互聯(lián)作用，在溫度變化和水力沖擊過程中具有一定張力和彈性，減小開裂的可能性。

3.2 針對溫度的控制建議

溫度控制是一個整體的過程，由以下幾個方面組成：

1）減小澆筑溫度

減小澆筑溫度直接影響混凝土中水泥成分的水化反應放熱速度和放熱量，尤其在高溫季節(jié)進行水閘施工，更應注意澆筑溫度的控制。澆筑溫度越低，混凝土在早期的溫度升幅最高值就越低，這樣內(nèi)外溫差就相對小一些，而后期溫度降幅也相對較小，閘底板和閘墩造成的拉應力也就相對小。降溫可以通過簡單加入冰塊來實現(xiàn)。

2）混凝土表面內(nèi)表溫差控制

減小混凝土內(nèi)表溫差通過表面保溫來實現(xiàn)。通過減少表面熱擴散，降低表層溫差，或者延長散熱時間等手段可達到效果。表面保溫措施可以調(diào)節(jié)表面溫度下降的速度，從而減小混凝土內(nèi)外溫差，減小拉應力，防止表面開裂。