Page 96 - 2023年第54卷第6期

５ 强太阳辐射驱动下混凝土坝系统性态演化

５．１ 变温换热机制与宏观性能 太阳辐射经历地球－ 太阳几何位置、地形、大气与云量、结构几何形
状等因素影响后，可分为太阳辐射、散射辐射、反射辐射三部分作用于地球环境，其中，到达地表的
太阳辐射是驱动大气及地表温度变化的主控因素。如图 ５所示，由于高海拔地区云层与大气稀薄，使
得到达地表的太阳辐射增多，大气、地表、混凝土构筑物通过导热、对流、热辐射等方式快速升温，
而随着夜晚太阳辐射减弱，加之稀薄大气与云层的大气逆辐射有限，大量热辐射被释放到宇宙空间，
使高海拔地区夜间温度快速下降，甚至达到零度以下。
太阳辐射作用下的混凝土宏观性能方面，赵 文斌 等 ［５５］ 在中 国 西 北地 区 现 场试 验研 究了 太阳辐
射对混凝土抗裂性能、抗压强度、抗拉强度的影响，结果显示日照养护环境下的混凝土最先出现裂
纹，２８ｄ龄期时的抗压强度为标准养护试件的 ９４．４％，抗拉强度为标准养护试件的 ７０．８％。太阳辐
射加剧了混凝土水分散失，使混凝土干燥收缩速度加快，缺陷与裂纹数量增多，且相同损伤程度下
混凝土抗拉强度较抗压强度敏感 ［５６］ ，故太阳辐射影响下的混凝土表现出更大的抗拉强度损失。

图 ５ 高海拔地区变温换热过程

５．２ 混凝土坝温度分布与变形特征 太阳辐射作用下，混凝土表面温度通常增长较快，而混凝土内部
温度则较为稳定，因而对减小混凝土自身水化作用产生的温度梯度有积极作用 ［５７ － ５８］ ，Ｓａｅｅｄ等 ［５７］ 的模
拟结果显示，加入太阳辐射后，混凝土表面温度增加约 ８～１０℃。不同于一般混凝土试件，大坝等大
体积混凝土结构在实际服役环境中受结构几何形态、朝向、周围地形等影响，一部分结构直接暴露于
太阳辐射下，另一部分结构则会处在遮蔽物的阴影之中。目前，模拟太阳辐射作用的模型可分为，根
据实测资料建立的经验模型，如 ＡＳＨＲＡＥ晴空模型、Ｃｏｌｌａｒｅｓ － Ｐｅｒｅｉｒａ＆ Ｒａｂｌ模型、ＡＲＭＡ逐时模型
等，以及根 据 理 论 与 实 测 资 料 建 立 的 半 理 论 半 经 验 模 型， 如 ＩｑｂａｌＭｏｄｅｌＣ、 ＢｉｒｄＭｏｄｅｌ、 Ｙａｎｇ’ｓ
Ｍｏｄｅｌ 、ＣＥＭ Ｍｏｄｅｌ等 ［５９］ 。其中，ＡＳＨＲＡＥ晴空模型，经李锦萍等 ［６０］ 根据中国地区日照环境特点进行
修正后，已成为国内水工结构太阳辐射精细化模拟的常用模型之一 ［５９，６１ － ６２］ 。基于该模型，图 ６（ａ）（ｂ）
中分析了太阳辐射作用下西南地区某特高混凝土拱坝在夏至日的温度场，图 ６（ｃ）中大坝下游坝面温度
有 ２～３℃增长，局部达到 ４～５℃，且由于近坝山体对右岸坝面所受太阳辐射的遮挡，左岸坝面温度
更高，大坝整体呈现出非对称的温度分布，图 ６（ｄ）中大坝在整个夏季太阳辐射影响下的累积径向位

４
— ７ ２ —