1.2 问题的提出
与混凝土大坝相比，泵站结构一般属于薄壁结构，断面形状不一，比表面积大，受外界环境气温、水温及湿度影响大，加上如果浇筑顺序不合理或工程施工质量不好，就可能使得混凝土出现较大的拉应力，超出允许抗拉强度就导致裂缝产生。泵站混凝土底板不但尺寸大且厚度不一，受到地基的强有力的变形约束作用，有可能因此而直接致裂；在底板上浇筑的流道两侧的墩墙结构长度很长，在厚底板的约束下，这一超长墙体结构可能会成为泵站混凝土施工过程中最易出现裂缝甚至是贯穿性裂缝的部位［1］；至于进出口流道的顶板，受自身及上部结构荷载作用，极其容易产生顺水流方向的裂缝，这种裂缝会影响到整体结构的安危。根据以往工程的建设经验和已进行的调研考察情况，结构型式复杂的大型泵站在施工期就很容易出现裂缝，造成泵站始终处于低效率、高危险运行状态，加快了泵站老化的速度，减少了其使用寿命，甚至存在安全隐患，影响到泵站的灌溉、防洪排涝作用，造成巨大的经济损失。
随着人们对混凝土裂缝问题认识的加深，目前普遍认为裂缝的产生是多种因素共同作用的结果，主要是由于体积的变化及由体积变化受到约束而产生的应力所造成的。混凝土在浇筑完后还处于塑性状态或是还没有足够的强度时，就往往会由于水分的急剧蒸发而引起体积的收缩即所谓的塑性收缩，这种情况一般易发生在表面；在较干燥的地基上浇筑混凝土，混凝土中的水分很快地被地基吸收，也会引起很大的收缩，这种收缩会形成宽而深的裂缝，这种现象常发生在底板。也有人认为混凝土浇筑完了还处于塑性状态时，在模板内就会由于骨料及水泥颗粒的重新排列而引起沉缩现象，产生相当可观的体积缩小，同时有自由水在顶部析出，沉缩和析水的现象一般发生在混凝土浇筑后1h左右，在这同时，混凝土中的部分水分被水泥水化吸收，也造成混凝土体积的进一步收缩。这些变形一般约为300×10-6，在极端的情况甚至可以达到600×10-6。由于混凝土处于塑性或半塑性状态，收缩不至于引起很大的应力。以后由于干燥收缩，体积继续缩小。塑性收缩裂缝，呈直线形成或没有任何规律而言，一般不裂至构件的边缘，有时裂的也比较深［2］。
相比于干缩应变，温度变形引起的裂缝也是值得注意的。混凝土浇筑后，水泥在水化凝结过程中要散发大量的水化热，因而使混凝土体积膨胀。混凝土是一个热的不良导体，随着热量向外部介质散发，会产生一个温差，内部膨胀量很大，外部较小，内部热的混凝土约束外部冷混凝土的收缩，极有可能出现表面裂缝。同时，在施工期间和长时间的运行中，由于混凝土必须浇筑在基岩或老混凝土上，不但它们的初始温度条件不同，物理力学特性也有差别，混凝土的温度变形在基岩面受到基岩约束，因而也要产生温度应力；基岩的约束条件和内部非线性温度场的约束条件，决定了温度应力的产生和大小，当其超过混凝土的极限抗拉强度时，将会在结构中产生表面裂缝、深层裂缝或基础贯穿裂缝［3］。
除了上述两个因素之外，施工原因、外界荷载均会导致裂缝的产生。对于泵站这种复杂的薄壁结构来说，温度变化和干燥引起的变形起主导作用。主要是因为相比于大坝等大体积结构，泵站大多部位最小尺寸小于1.0m，因此水分散发速度和散发量相对快且大，干缩变形也更为突出，而底板散热面小，所受约束又很大，出现的拉应力靠混凝土自身来承受，而众所周知混凝土抗拉强度极小，控制裂缝有一定的难度。为了能够具体量化这些因素（外界温度、湿度、自生体积）对裂缝产生和发展的影响，目前比较有效且被广泛采用的是有限元数值仿真计算方法对水工结构混凝土各种影响因素进行模拟，通过仿真计算来定量地描述施工现场的实际情况，需要具备的理论和待解决的问题如下。
（1）必须具备尽可能严密的温度场、湿度场和应力场计算理论。例如，计算温度场时考虑自身温度变化影响的水化放热模型理论；计算湿度场时考虑自干燥现象导致的内部湿度变化的湿度场扩散基本理论；计算应力场时考虑弹性模量、徐变影响的应力场基本理论。
（2）解决混凝土温度场、湿度场及徐变应力场之间的两场或多场耦合问题。无论是混凝土的温度变形、自生体积变形、干缩变形或者徐变作用，两两之间或三者之间均存在相互影响及耦合作用。在精确计算单场作用对开裂影响的前提下，得出多场耦合作用对开裂的整体影响也是解决混凝土开裂难题的当务之急。
（3）混凝土材料特性参数的确定。任何成熟的模型及理论均离不开对材料参数的确定，混凝土特性参数取值准确与否关系到温度场、湿度场、应力场及多场耦合计算的可靠性甚至成败。例如，混凝土绝热温升模型参数；混凝土导温、导热及在不同环境条件下的表面散热特性参数；应力场计算时描述混凝土弹性模量、徐变的特性参数等。由于目前许多有关于混凝土热学和力学特性方面的试验代价都较为昂贵，不仅需要专门设备且有些参数存在实验周期长和实验结果可靠性差等问题，因此亟待找到一些较为简单有效的方法来获得温度、湿度及应力方面的计算参数。
由此可见，混凝土开裂问题的解决涉及一个非常复杂的过程，应当视为一个系统工程来对待。在解决单个问题前提下，进而展开对整体系统问题的研究当是一条必经之路。基于此，笔者在本书中主要就非稳定温度场基本理论及计算方法，湿度、温度及应力耦合基本理论及计算方法，水管冷却计算方法以及与温度、湿度参数获得等几个问题进行较为细致的研究，研究的目的在于探索和获知混凝土开裂的深层机理与防裂方法，为以后开裂难题的彻底解决提供一些有益的参考。