多场耦合下大体积混凝土初次蓄水的温度应力问题研究摘要：在大体积混凝土坝初次蓄水时，温度较低的库水必然会对坝体温度场产生较明显的影响，从而影响坝体的变形，甚至产生温度裂缝.为分析大体积混凝土初次蓄水的温度应力，本文将混凝土类多孔介质视为连续介质，综合运用水力学、热学和固体力学等基本理论，根据动量守恒、质量守恒和能量守恒方程建立了以位移、孔隙水压力、孔隙气压力、温度和孔隙率为未知量的多场耦合数学模型，在此基础上编制了有限元计算程序，并对大体积碾压混凝土块的渗流场、温度场和应力场进行了耦合分析，结果表明，考虑耦合后块体温降幅度及温度大主应力均较不考虑耦合条件下大.关键词：多场耦合；数学模型；大体积混凝土；温度应力：TU43文献标识码：A：1674-2974（2016）05-0030-09Abstract：Duringtheinitialimpoundmentofmassconcretedam，thereservoirwaterwithlowtemperaturewouldbecriticaltothetemperaturefieldofdambody，whichaffectsthedeformationofdambodyandevenresultsintemperaturecracks.Therefore，inordertoinvestigatethethermalstressdistributionofmassconcreteduringtheinitialimpoundment，theconcretewasassumedasacontinuousporousmediainthispaper.Inconsiderationofthebasictheoriesofsolidmechanics，hydraulics，andthermodynamics，themulti-fieldcouplingequationsofunsaturatedporousmediathatincludemomentumconservation，massconservation，andenergyconservationwereprovidedasthefunctionofdisplacements，poreliquidpressure，poregaspressure，temperature，andporosity.Thefiniteelementanalysisprogramwasthendeveloped.Amassroller-compactedconcreteblockwasconsideredforcouplinganalysesontheseepagefield，temperaturefield，andstressfield.Theanalysisresultsshowthatthetemperaturereductionandprinciplethermalstressoftheconcreteblockconsideringthemulti-fieldcouplingprocessaregreaterthanthosewithoutthecouplingeffect.Keywords：multi-fieldcoupling；mathematicalmodel；massconcrete；thermalstress在水利工程中，尤其是对大体积混凝土而言，较大的温度拉应力会引起混凝土的温度裂缝，因此温度应力是大体积混凝土需要额外关注的.在水库初次蓄水时，温度较低的库水必然会对坝体温度场产生较明显的影响，从而影响混凝土坝的变形，甚至产生温度裂缝.如国际上，在Revslstoke[[1]，Dworshak[[2]和Russel[[3[]等重力坝的上游表面曾经产生过严重的劈头裂缝，深入坝内几十米，有的甚至将整个坝段一分为二，产生严重漏水.目前一般都认为是在施工过程中坝体的上游侧如果出现了表面裂缝，水库蓄水之后，经过一段时间，表面裂缝突然大范围地扩展，成为劈头裂缝，尤其是通仓浇筑的混凝土重力坝更容易出现这种劈头缝，分析其原因主要是由于这类坝没有布置纵缝，不进行二期冷却，在水库初次蓄水时，坝体温度还很高，与外界低温的库水之间形成较大的内外温差，容易使表面扩展成为劈头缝[[4].由此可见，初次蓄水对混凝土重力坝的温度场和应力场的影响是需要加以研究的，并为采取有效、合理地渗控措施提供科学依据.事实上，如果将混凝土坝体也视为多孔介质，则蓄水时渗流的产生也是必然的，若考虑库水入渗，坝体非稳定温度场的变化将更加复杂.考虑渗流因素的存在，对大体积混凝土坝体温控防裂及应力状态研究都有直接意义.国内已经有学者用多场耦合的方法来求解大体积混凝土的渗流场温度场耦合作用[[5-7[]、渗流场温度应力耦合作用[[8[]等.本文在总结国内外学者对多孔介质多场耦合的机理、数学模型建立及求解方法的研究成果基础上，将混凝土视为多孔介质，综合运用固体力学、水力学、热学等基本理论，结合多孔介质的热本构关系以及孔隙流体的热运动规律，建立了混凝土多相、多场全耦合数学模型方程组，并编制了有限元求解程序，对某一大体积混凝土模型初次蓄水后一段时间内的渗流场、温度场、应力场进行耦合分析，以初步阐释大体积混凝土初次蓄水时渗流场对坝体温度场、应力场的影响过程.1混凝土类多孔介质概...