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摘 要：风速会影响大体积混凝土表面与外界热量交换的速率，从而改变混凝土温度分布状态。随着风速的增大，混凝土浇筑块表面温度梯度加大，可能会形成较大的表面拉应力，增大产生表面裂缝的风险。以西南地区某在建混凝土坝为例，对浇筑块表面温度梯度进行实时跟踪监测，确定了外界风速对表面混凝土的影响范围，并建立有限元模型，计算了不同风速条件下混凝土块的温度梯度。结果表明：风速对距混凝土浇筑块表面0.2 m以内的混凝土温度影响最明显，且在浇筑完成后4 d最为显著，及时覆盖保温板可有效控制混凝土的温度梯度。
关键词：风速;数值模拟;表面混凝土;温度梯度
中图分类号：TV315 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.026
Abstract： The wind speed can affect the heat exchange rate between the surface of mass concrete and the outside and change the temperature distribution of concrete. With the increase of wind speed， a large temperature gradient will be formed on the concrete surface. This causes a large surface tensile stress， which increases the risk of surface crack. In this paper， the surface temperature gradient of concrete dam was monitored in real time. The influence of external wind speed to the surface concrete was determined. A finite element model was established to calculate the temperature gradient of concrete under different wind speed conditions. The results show that the effect of wind speed on concrete temperature within 0.2 m of the concrete surface is obvious and the effect of wind is most remarkable in the first four days. The temperature gradient of concrete can be effectively controlled by covering heat preservation board timely.
Key words： wind speed; numerical simulation; surface concrete; temperature gradient
混凝土坝的温度控制与防裂一直是水工结构领域的研究焦点[1]。随着我国水电事业的快速发展，西南、西北地区已成为水电建设的主要地区，建坝环境较之前更为严苛，强风、高温等恶劣天气对大坝的浇筑质量提出了更為严峻的考验。西南地区某在建混凝土坝在施工期常会面临大风天气，据当地气象站统计资料显示，坝址附近出现7级以上大风天气的平均时间为241 d，占整年总天数的66.0%，其中干季（1—4月和10—12月）178 d，10级以上的日极大风速基本出现在1—4月。大风天气对表层混凝土的温度梯度影响较大，会扩大混凝土内外温差，导致表面裂缝的产生。
风速对大体积混凝土温度场的影响主要是通过改变混凝土的表面放热系数来体现，表面放热系数值取决于固体表面粗糙度、流体导热系数、流速等[2]，实际工程中常采用经验公式或根据实测值反演获得[3]。关于有风条件下的混凝土温度场仿真计算，刘建鑫[4]通过模拟试验，统计分析了不同风速、风向对混凝土温度及气孔参数变化的影响;熊文等[5]分析了风环境下结构尺寸对混凝土水化热的影响;高纪宏等[6]依托实际工程提出了大风环境中桥梁施工应采取的防裂措施。以上研究对大风环境中桥梁施工具有一定的指导作用，而混凝土坝体型庞大，浇筑块表面与空气接触面积大，受大风影响更为显著，在水利工程中相关研究还鲜有报道。
鉴于此，笔者结合实际工程特点，开展不同风速对大体积混凝土温度梯度影响的相关研究，以某一仓为例，将风速作为控制变量，考虑水管冷却、表面保温等因素，结合现场实测温度数据，采用数值方法模拟求解不同工况下混凝土块的温度分布状况，分析风对混凝土温度场的影响范围，并分析保温板在大风条件下的温控效果，以此指导施工。
2 工程实例
我国西南地区某在建特高双曲拱坝，坝顶高程834 m，最大坝高289 m，坝顶厚14 m，最大中心角96.43°，坝体共分31个坝段。坝址地处季风区，干湿季分明，日照强，风速大，风季持续时间长。据当地气象监测资料显示，坝址处常伴有大风天气，日极大风速7级以上年平均天数达241 d，最大风速达26 m/s。大风条件下，混凝土表面的热量交换、水分散失加快，保温材料的覆盖作业变得更为困难，这都为混凝土表面的保温保湿提出了更高的要求。
2.1 计算模型
本文以河床坝段某典型浇筑块为研究对象，由于其仓面面积大，因此可将垂直于浇筑块混凝土表面方向假定为一维温度场。该浇筑块采用C18040低热混凝土，于2017年9月24日开始浇筑，历时28.36 h，层厚3 m，共分6个坯层，间歇期为9 d。冷却水管分别布设在第一坯层和第四坯层，管长300 m，管间距1.0 m×1.5 m。浇筑过程中，上下游面及横缝面均采用钢模板固定，并于浇筑完成3 d后拆除，模板拆除后覆盖聚苯乙烯保温板，浇筑块顶面在间歇期内均未覆盖保温材料。在计算过程中，结合现场实际浇筑及保温情况，以拆模时间点为分界点，分阶段加载浇筑块上下游面及横缝面边界条件。点O为浇筑块顶面中心点，在距浇筑块顶面中心点0.1、0.2、0.4、0.6 m处埋设温度计，分别记为A、B、C、D测点（如图1所示）。选取横河向为x轴，顺河向为y轴，铅直向上为z轴，采用六面体8节点等参单元建立浇筑块有限元模型。为更好地反映表层混凝土的温度梯度，将第五、六坯层的网格进行加密处理。共剖分31 500个单元、35 216个节点。 2.2 模型验证
为研究浇筑块表层混凝土温度场受大风条件的影响规律，取一个浇筑间歇期作为研究周期。求解温度场时，气温采用实测温度值，冷却水管通水水温、通水流量及通水时间均按实际方案考虑。分别以距浇筑块顶面0.1、0.6 m的A、D两个测点为例，将其在浇筑期及间歇期的仿真计算温度与实测温度进行对比验证，如图2、图3所示。
由图2可知，测点A的实测温度曲线波动比较明显，最大日变幅达3.28 ℃，主要原因是测点A靠近浇筑块顶面，受外界环境影响较大。另外，通过仿真计算得到的A点温度变化曲线与实测温度变化趋势基本一致，模拟值与实测值之差基本在1 ℃以内，个别点接近1.5 ℃，且均在浇筑后第6天达到最高温度，两者相差0.57 ℃，可见计算值与实测值吻合良好。由图3可知，测点D的实测温度曲线虽然存在上下波动的现象，但变幅较小，整体趋于稳定，模拟值与实测值之差均在1 ℃以内，该测点相比测点A吻合得更好。整体而言，采用的计算模型具有较高的精度。
2.3 计算工况
风速作为风环境的基本指标，对混凝土温度场的影响主要源于对混凝土表面放热系数的影响，而风向对此影响甚微，因此本文主要研究不同风速对混凝土表面温度的影响规律。以前文提到的典型浇筑块为研究对象，将实测浇筑温度、日平均风速、日平均气温及实际温控措施等现场实际条件组成的工况作为基本工况（工况1）;在此基础上，结合本研究依托的实例工程施工现场大风天气气象资料，选取3种典型风速作为对比计算工况（工况2～4）;同时，设计工况5对比分析7级大风条件下表面保温与否对混凝土表面温度的影响程度。计算工况见表1，不同风速下混凝土表面放热系数及保温材料等效放热系数见表2。工况2～5计算时采用的其他参数和边界条件均与基本工况完全一致。
2.4 结果分析
图4为不同工况下各测点的温度历时曲线。由图4（a）可知，不同风速下测点A的温度曲线存在较大波动。当风速由2 m/s逐步增大到5、10、15 m/s时，测点A最高温度分别升高了0.57、1.03、1.26 ℃。在风速为15 m/s时，测点A的最高温度达29.12 ℃，超过了混凝土最高温度控制标准（29 ℃），温度日最大变幅为6.2 ℃，相比工况1高2.18 ℃。由图4（b）可知，与测点A相比，同一风速下测点B的最高温度和日变化幅度均有所减小。当风速由2 m/s增大到5、10、15 m/s时，最高温度分别升高了0.41、0.77、0.95 ℃。综合图4（a）、图4（b）可知，测点A、B的温度曲线在混凝土浇筑后4 d内上下波动剧烈，但随着混凝土龄期的不断增长逐渐趋于稳定;风速对距混凝土浇筑块表面0.2 m以内的混凝土温度影响显著。由图4（c）、图4（d）可知，不同风速下的温度历时曲线基本重合，说明风速在15 m/s以内时，对距混凝土浇筑块表面超过0.4 m的混凝土温度已经影响甚微。
图5为浇筑块顶面中心点O在不同工况下的温度变化曲线。由图5可知，浇筑完成后，受白天高温影响，O点混凝土温度迅速上升至27.89～29.61 ℃，随后受夜间气温下降的影响，该点混凝土温度迅速降低至17.41～19.55 ℃;第2天白天又上升至一个新的极值点，随后受施工现场气温骤降影响，O点混凝土温度急剧下降10 ℃左右。同一环境温度下，风速的增大加大了混凝土表面温度的变化幅度，风速对混凝土表面温度场的影响主要体现在浇筑完成后4 d内。
结合计算结果得出不同风速下混凝土浇筑块垂直向温度梯度，見表3。外界风速每增大1 m/s，混凝土内外温差平均增大0.21 ℃，垂直向温度梯度相应增大0.14 ℃/m。不同工况下混凝土最大温度梯度均出现在龄期1～3 d，主要原因是内部混凝土温升比较缓慢，而表层混凝土受水泥水化热及外界环境的综合影响温升明显，导致前期出现较大的内外温差。随着混凝土龄期的不断增长，不同工况下混凝土表面温度的差异变得不明显，说明风速对表面混凝土温度场的影响程度随龄期的增长逐渐减弱。
图6给出了混凝土浇筑块顶面中心点O在风速为15 m/s、保温与否工况下的温度历时曲线。由图6可知，在覆盖保温板的情况下，混凝土表面温度变化较平缓，尤其在前4 d混凝土表面温度极大值及温度变幅均得到有效控制，O点混凝土最高温度由29.61 ℃降至23.57 ℃，温度最大变化速率由0.87 ℃/h降至0.03 ℃/h，且在龄期4 d以上时，混凝土温度日变幅基本控制在1 ℃以内，保温效果较为明显。因此，若施工现场风速达15 m/s，则有必要在浇筑块施工完成后立即在其顶面覆盖保温板，确保间歇期内混凝土内外温差及最高温度不超过温控标准。
3 结 论
（1）距离浇筑块表面不同深度处混凝土温度受风速影响的程度不同，风速对距混凝土浇筑块表面0.2 m以内的混凝土温度影响最为显著。
（2）风速在15 m/s以内时，对距混凝土浇筑块表面超过0.4 m的混凝土温度影响甚微。
（3）随着风速的增大，混凝土表面放热系数增大，混凝土与外界热交换加快，形成较大的内外温差。计算结果表明，外界风速每增大1 m/s，混凝土内外温差平均增大0.21 ℃，浇筑块垂直向温度梯度相应增大0.14 ℃/m。
（4）外界风速对浇筑块表面混凝土温度场的影响在浇筑完成后4 d内最为显著，施工现场风速达15 m/s时在浇筑块顶面及时覆盖保温板可有效控制间歇期内混凝土最高温度及日最大温度变幅。
参考文献：
[1] 张国新，刘有志，刘毅.特高拱坝温度控制与防裂研究进展[J].水利学报，2016，47（3）：382-389.
[2] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国水利水电出版社，2012：16-18.
[3] 江凯，黄耀英，周宜红，等.基于光纤测温的大体积混凝土热学参数反演分析[J].人民长江，2012，42（2）：50-53.
[4] 刘建鑫.风环境对大体积混凝土水化程度与孔结构变化的影响研究[J].混凝土，2016（11）：64-67.
[5] 熊文，尤吉，房涛，等.风环境对大体积混凝土桥塔施工水化热的影响分析[J].东南大学学报（自然科学版），2015（5）：941-946.
[6] 高纪宏，赵兴奎，尚勇，等.风速对结构表层混凝土开裂的影响[J].公路，2009（9）：162-165.
[7] 强晟，吴超，朱振泱.含冷却水管的混凝土温度场复合单元新算法[J].水利学报，2015，46（6）：739-748.
【责任编辑 张华岩】
关键词：风速;数值模拟;表面混凝土;温度梯度
中图分类号：TV315 文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.026
Abstract： The wind speed can affect the heat exchange rate between the surface of mass concrete and the outside and change the temperature distribution of concrete. With the increase of wind speed， a large temperature gradient will be formed on the concrete surface. This causes a large surface tensile stress， which increases the risk of surface crack. In this paper， the surface temperature gradient of concrete dam was monitored in real time. The influence of external wind speed to the surface concrete was determined. A finite element model was established to calculate the temperature gradient of concrete under different wind speed conditions. The results show that the effect of wind speed on concrete temperature within 0.2 m of the concrete surface is obvious and the effect of wind is most remarkable in the first four days. The temperature gradient of concrete can be effectively controlled by covering heat preservation board timely.
Key words： wind speed; numerical simulation; surface concrete; temperature gradient
混凝土坝的温度控制与防裂一直是水工结构领域的研究焦点[1]。随着我国水电事业的快速发展，西南、西北地区已成为水电建设的主要地区，建坝环境较之前更为严苛，强风、高温等恶劣天气对大坝的浇筑质量提出了更為严峻的考验。西南地区某在建混凝土坝在施工期常会面临大风天气，据当地气象站统计资料显示，坝址附近出现7级以上大风天气的平均时间为241 d，占整年总天数的66.0%，其中干季（1—4月和10—12月）178 d，10级以上的日极大风速基本出现在1—4月。大风天气对表层混凝土的温度梯度影响较大，会扩大混凝土内外温差，导致表面裂缝的产生。
风速对大体积混凝土温度场的影响主要是通过改变混凝土的表面放热系数来体现，表面放热系数值取决于固体表面粗糙度、流体导热系数、流速等[2]，实际工程中常采用经验公式或根据实测值反演获得[3]。关于有风条件下的混凝土温度场仿真计算，刘建鑫[4]通过模拟试验，统计分析了不同风速、风向对混凝土温度及气孔参数变化的影响;熊文等[5]分析了风环境下结构尺寸对混凝土水化热的影响;高纪宏等[6]依托实际工程提出了大风环境中桥梁施工应采取的防裂措施。以上研究对大风环境中桥梁施工具有一定的指导作用，而混凝土坝体型庞大，浇筑块表面与空气接触面积大，受大风影响更为显著，在水利工程中相关研究还鲜有报道。
鉴于此，笔者结合实际工程特点，开展不同风速对大体积混凝土温度梯度影响的相关研究，以某一仓为例，将风速作为控制变量，考虑水管冷却、表面保温等因素，结合现场实测温度数据，采用数值方法模拟求解不同工况下混凝土块的温度分布状况，分析风对混凝土温度场的影响范围，并分析保温板在大风条件下的温控效果，以此指导施工。
2 工程实例
我国西南地区某在建特高双曲拱坝，坝顶高程834 m，最大坝高289 m，坝顶厚14 m，最大中心角96.43°，坝体共分31个坝段。坝址地处季风区，干湿季分明，日照强，风速大，风季持续时间长。据当地气象监测资料显示，坝址处常伴有大风天气，日极大风速7级以上年平均天数达241 d，最大风速达26 m/s。大风条件下，混凝土表面的热量交换、水分散失加快，保温材料的覆盖作业变得更为困难，这都为混凝土表面的保温保湿提出了更高的要求。
2.1 计算模型
本文以河床坝段某典型浇筑块为研究对象，由于其仓面面积大，因此可将垂直于浇筑块混凝土表面方向假定为一维温度场。该浇筑块采用C18040低热混凝土，于2017年9月24日开始浇筑，历时28.36 h，层厚3 m，共分6个坯层，间歇期为9 d。冷却水管分别布设在第一坯层和第四坯层，管长300 m，管间距1.0 m×1.5 m。浇筑过程中，上下游面及横缝面均采用钢模板固定，并于浇筑完成3 d后拆除，模板拆除后覆盖聚苯乙烯保温板，浇筑块顶面在间歇期内均未覆盖保温材料。在计算过程中，结合现场实际浇筑及保温情况，以拆模时间点为分界点，分阶段加载浇筑块上下游面及横缝面边界条件。点O为浇筑块顶面中心点，在距浇筑块顶面中心点0.1、0.2、0.4、0.6 m处埋设温度计，分别记为A、B、C、D测点（如图1所示）。选取横河向为x轴，顺河向为y轴，铅直向上为z轴，采用六面体8节点等参单元建立浇筑块有限元模型。为更好地反映表层混凝土的温度梯度，将第五、六坯层的网格进行加密处理。共剖分31 500个单元、35 216个节点。 2.2 模型验证
为研究浇筑块表层混凝土温度场受大风条件的影响规律，取一个浇筑间歇期作为研究周期。求解温度场时，气温采用实测温度值，冷却水管通水水温、通水流量及通水时间均按实际方案考虑。分别以距浇筑块顶面0.1、0.6 m的A、D两个测点为例，将其在浇筑期及间歇期的仿真计算温度与实测温度进行对比验证，如图2、图3所示。
由图2可知，测点A的实测温度曲线波动比较明显，最大日变幅达3.28 ℃，主要原因是测点A靠近浇筑块顶面，受外界环境影响较大。另外，通过仿真计算得到的A点温度变化曲线与实测温度变化趋势基本一致，模拟值与实测值之差基本在1 ℃以内，个别点接近1.5 ℃，且均在浇筑后第6天达到最高温度，两者相差0.57 ℃，可见计算值与实测值吻合良好。由图3可知，测点D的实测温度曲线虽然存在上下波动的现象，但变幅较小，整体趋于稳定，模拟值与实测值之差均在1 ℃以内，该测点相比测点A吻合得更好。整体而言，采用的计算模型具有较高的精度。
2.3 计算工况
风速作为风环境的基本指标，对混凝土温度场的影响主要源于对混凝土表面放热系数的影响，而风向对此影响甚微，因此本文主要研究不同风速对混凝土表面温度的影响规律。以前文提到的典型浇筑块为研究对象，将实测浇筑温度、日平均风速、日平均气温及实际温控措施等现场实际条件组成的工况作为基本工况（工况1）;在此基础上，结合本研究依托的实例工程施工现场大风天气气象资料，选取3种典型风速作为对比计算工况（工况2～4）;同时，设计工况5对比分析7级大风条件下表面保温与否对混凝土表面温度的影响程度。计算工况见表1，不同风速下混凝土表面放热系数及保温材料等效放热系数见表2。工况2～5计算时采用的其他参数和边界条件均与基本工况完全一致。
2.4 结果分析
图4为不同工况下各测点的温度历时曲线。由图4（a）可知，不同风速下测点A的温度曲线存在较大波动。当风速由2 m/s逐步增大到5、10、15 m/s时，测点A最高温度分别升高了0.57、1.03、1.26 ℃。在风速为15 m/s时，测点A的最高温度达29.12 ℃，超过了混凝土最高温度控制标准（29 ℃），温度日最大变幅为6.2 ℃，相比工况1高2.18 ℃。由图4（b）可知，与测点A相比，同一风速下测点B的最高温度和日变化幅度均有所减小。当风速由2 m/s增大到5、10、15 m/s时，最高温度分别升高了0.41、0.77、0.95 ℃。综合图4（a）、图4（b）可知，测点A、B的温度曲线在混凝土浇筑后4 d内上下波动剧烈，但随着混凝土龄期的不断增长逐渐趋于稳定;风速对距混凝土浇筑块表面0.2 m以内的混凝土温度影响显著。由图4（c）、图4（d）可知，不同风速下的温度历时曲线基本重合，说明风速在15 m/s以内时，对距混凝土浇筑块表面超过0.4 m的混凝土温度已经影响甚微。
图5为浇筑块顶面中心点O在不同工况下的温度变化曲线。由图5可知，浇筑完成后，受白天高温影响，O点混凝土温度迅速上升至27.89～29.61 ℃，随后受夜间气温下降的影响，该点混凝土温度迅速降低至17.41～19.55 ℃;第2天白天又上升至一个新的极值点，随后受施工现场气温骤降影响，O点混凝土温度急剧下降10 ℃左右。同一环境温度下，风速的增大加大了混凝土表面温度的变化幅度，风速对混凝土表面温度场的影响主要体现在浇筑完成后4 d内。
结合计算结果得出不同风速下混凝土浇筑块垂直向温度梯度，見表3。外界风速每增大1 m/s，混凝土内外温差平均增大0.21 ℃，垂直向温度梯度相应增大0.14 ℃/m。不同工况下混凝土最大温度梯度均出现在龄期1～3 d，主要原因是内部混凝土温升比较缓慢，而表层混凝土受水泥水化热及外界环境的综合影响温升明显，导致前期出现较大的内外温差。随着混凝土龄期的不断增长，不同工况下混凝土表面温度的差异变得不明显，说明风速对表面混凝土温度场的影响程度随龄期的增长逐渐减弱。
图6给出了混凝土浇筑块顶面中心点O在风速为15 m/s、保温与否工况下的温度历时曲线。由图6可知，在覆盖保温板的情况下，混凝土表面温度变化较平缓，尤其在前4 d混凝土表面温度极大值及温度变幅均得到有效控制，O点混凝土最高温度由29.61 ℃降至23.57 ℃，温度最大变化速率由0.87 ℃/h降至0.03 ℃/h，且在龄期4 d以上时，混凝土温度日变幅基本控制在1 ℃以内，保温效果较为明显。因此，若施工现场风速达15 m/s，则有必要在浇筑块施工完成后立即在其顶面覆盖保温板，确保间歇期内混凝土内外温差及最高温度不超过温控标准。
3 结 论
（1）距离浇筑块表面不同深度处混凝土温度受风速影响的程度不同，风速对距混凝土浇筑块表面0.2 m以内的混凝土温度影响最为显著。
（2）风速在15 m/s以内时，对距混凝土浇筑块表面超过0.4 m的混凝土温度影响甚微。
（3）随着风速的增大，混凝土表面放热系数增大，混凝土与外界热交换加快，形成较大的内外温差。计算结果表明，外界风速每增大1 m/s，混凝土内外温差平均增大0.21 ℃，浇筑块垂直向温度梯度相应增大0.14 ℃/m。
（4）外界风速对浇筑块表面混凝土温度场的影响在浇筑完成后4 d内最为显著，施工现场风速达15 m/s时在浇筑块顶面及时覆盖保温板可有效控制间歇期内混凝土最高温度及日最大温度变幅。
参考文献：
[1] 张国新，刘有志，刘毅.特高拱坝温度控制与防裂研究进展[J].水利学报，2016，47（3）：382-389.
[2] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国水利水电出版社，2012：16-18.
[3] 江凯，黄耀英，周宜红，等.基于光纤测温的大体积混凝土热学参数反演分析[J].人民长江，2012，42（2）：50-53.
[4] 刘建鑫.风环境对大体积混凝土水化程度与孔结构变化的影响研究[J].混凝土，2016（11）：64-67.
[5] 熊文，尤吉，房涛，等.风环境对大体积混凝土桥塔施工水化热的影响分析[J].东南大学学报（自然科学版），2015（5）：941-946.
[6] 高纪宏，赵兴奎，尚勇，等.风速对结构表层混凝土开裂的影响[J].公路，2009（9）：162-165.
[7] 强晟，吴超，朱振泱.含冷却水管的混凝土温度场复合单元新算法[J].水利学报，2015，46（6）：739-748.
【责任编辑 张华岩】