李世太
(甘肅電投炳靈水電開發(fā)有限責(zé)任公司 甘肅 永靖 731600)
碾壓混凝土因大量摻用粉煤灰,水化熱溫升速度減慢,混凝土達到最高溫度所需的時間較常態(tài)混凝土長。雖然碾壓混凝土的絕熱溫升低,但其施工速度較快,且施工中層面間歇時間短,熱量散發(fā)少,因此,碾壓混凝土壩的溫度并不低,同樣存在出現(xiàn)溫度裂縫的風(fēng)險【1、2】。本文采用三維有限元浮動網(wǎng)格法對某工程碾壓混凝土溢流壩段溫度場和應(yīng)力場進行了仿真計算,其成果為同類工程碾壓混凝土溢流壩段的溫控設(shè)計和施工方案的確定提供參考【3、4】。
工程主要開發(fā)任務(wù)為發(fā)電,水庫正常蓄水位為EL183.00m,總裝機容量為400MW。溢流壩堰頂高程為EL166.50m,設(shè)計泄量為10450m3/s,壩體上游面為富漿二級配防滲碾壓混凝土,中部為二級配碾壓混凝土,底部為三級配碾壓混凝土,溢流面附近采用常態(tài)混凝土。溫控仿真計算采用的主要參數(shù)如下∶
(1)氣象資料
壩址處各月平均氣溫見表1。
(2)混凝土的熱力學(xué)參數(shù)
大壩混凝土的熱力學(xué)試驗參數(shù)見表2。
取橫縫間的整個壩段為計算模型,壩軸線方向為x軸方向,指向右岸為正,水流方向為y軸方向,指向下游為正,豎直方向為z軸方向,向上為正。地基范圍取沿深度方向以及沿上下游方向均為100m。溫度場計算時邊界條件為∶地基底面和4個側(cè)面以及壩段橫縫面為絕熱邊界,壩體上下游面在水位以上為固—氣邊界,按第三類邊界條件處理;水位以下為固—水邊界,按第一類邊界條件處理。應(yīng)力場計算時邊界條件為:地基底面為固定支座,地基在上下游面按y向簡支處理,其余為自由邊界。溢流壩段計算模型見圖1。溢流壩材料分區(qū)見圖2。
溢流壩段的壩基面高程為73.0m,堰頂高程為166.50m,壩高 93.5m,壩段長度為19.0m,壩底寬度為82.5m。溢流壩段碾壓混凝土自2010年1月1日至2010年6月4日澆筑73.0m高程至117.0m高程,澆筑層厚均為3.0m;2010年6月5日至2010年6月7日澆筑117.0m高程至119.0m高程,澆筑層厚2.0m。溢流壩段2010年7月5日開始度汛,歷時28天。2010年11月25日恢復(fù)混凝土澆筑,至2011年5月5日溢流壩澆筑至設(shè)計高程166.50m。壩前擋水位為:2010年1月1日~2010年7月4日壩前無水;溢流壩段2010年7月5日開始度汛,壩前水位為130.0m高程,度汛完成后,壩前恢復(fù)至無水狀況;水庫自2011年2月15日開始蓄水,到2012年2月15日蓄至正常蓄水位高程183.0m。計算方案見表3。
四個方案壩體不同區(qū)域最高溫度表見表4。
從表4可以看出:
(1)在基礎(chǔ)強約束區(qū):方案2最高溫度較方案1高出2.4℃,方案4最高溫度較方案3高出2.3℃,主要原因是方案2、4基礎(chǔ)弱約束區(qū)未通水冷卻,基礎(chǔ)弱約束區(qū)溫度較高,影響基礎(chǔ)強約束區(qū)的最高溫度;方案3最高溫度較方案1高出2.5℃,方案4最高溫度較方案2高出2.4℃,主要原因是方案3、4比方案1、2在基礎(chǔ)強約束區(qū)的澆筑溫度高3℃。
表1 壩址處各月平均氣溫 單位:℃
表2 大壩混凝土的熱力學(xué)試驗參數(shù)
圖1 計算模型與坐標(biāo)系
圖2 溢流壩段材料分區(qū)
(2)在基礎(chǔ)弱約束區(qū):方案2最高溫度較方案1高出5.5℃,方案4最高溫度較方案3高出6.2℃,主要原因是方案2、4基礎(chǔ)弱約束區(qū)未通水冷卻。方案3最高溫度較方案1高出1.5℃,方案4最高溫度較方案2高出2.2℃,主要原因是方案3、4比方案1、2在基礎(chǔ)弱約束區(qū)的澆筑溫度高3℃。
(3)長間歇面影響區(qū)碾壓混凝土:方案3、4比方案1、2最高溫度高出1.6℃,主要原因是方案3、4比方案1、2在長間歇面影響區(qū)碾壓混凝土澆筑溫度高2℃。
(4)非約束區(qū)常態(tài)混凝土:方案1、2最高溫度為49.6℃,方案3、4最高溫度為51.1℃,最高溫度均出現(xiàn)在高程163.5m處的溢流面常態(tài)混凝土中部。該部位常態(tài)混凝土澆筑時間為2011年4月27日,外界環(huán)境溫度較高(4月平均溫度29.1℃),該區(qū)域常態(tài)混凝土的最終絕熱溫升為23.7℃,且發(fā)熱速度較快,故而溫度最高。方案3、4比方案1、2最高溫度高出1.5℃,主要原因是方案3、4比方案1、2在非約束區(qū)常態(tài)混凝土澆筑溫度高2℃。
四個方案壩體不同區(qū)域最大溫度應(yīng)力見表5,除長間歇面外其余部位最大溫度應(yīng)力均出現(xiàn)在運行期。
由表5可以看出:
(1)在基礎(chǔ)強約束區(qū)碾壓混凝土中,由于方案3、4基礎(chǔ)強約束區(qū)碾壓混凝土澆筑溫度較高(28.0℃),最大溫度應(yīng)力均超過RⅢ碾壓混凝土的允許抗裂應(yīng)力(360天齡期的允許抗裂應(yīng)力為1.35MPa),不滿足混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范要求,方案1、2最大溫度應(yīng)力均小于該部位碾壓混凝土的允許抗裂應(yīng)力。
(2)在基礎(chǔ)弱約束區(qū)碾壓混凝土中,由于方案2、4基礎(chǔ)弱約束區(qū)碾壓混凝土澆筑時未通水冷卻,最大溫度應(yīng)力均超過RⅡ碾壓混凝土的允許抗裂應(yīng)力(360天齡期的允許抗裂應(yīng)力為1.27MPa),不滿足混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范要求,方案1、3最大溫度應(yīng)力均小于該部位碾壓混凝土的允許抗裂應(yīng)力。
(3)非約束區(qū)碾壓混凝土中,各方案的最大溫度應(yīng)力均小于該區(qū)域RⅠ碾壓混凝土的允許抗裂應(yīng)力(360天齡期的允許抗裂應(yīng)力為1.20MPa)。
(4)非約束區(qū)常態(tài)混凝土中,各方案的最大溫度應(yīng)力均小于該區(qū)域CⅠ常態(tài)混凝土的允許抗裂應(yīng)力(360天齡期的允許抗裂應(yīng)力為1.80MPa)。
(5)壩段在119m高程度汛停止混凝土施工,造成長間歇面。長間歇面附近溫度應(yīng)力較大,尤其是長間歇面度汛冷擊產(chǎn)生很大拉應(yīng)力,各方案度汛時最大溫度應(yīng)力達到 1.26MPa~1.44MPa。
表3 計算方案
表4 各方案不同區(qū)域最高溫度 單位:℃
表5 各方案最大溫度應(yīng)力 單位:MPa
(1)溢流壩段方案1基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土澆筑溫度為25.0℃,非約束區(qū)混凝土澆筑溫度為28.0℃?;炷翝仓笸ê铀鋮s,通水時間為20天。冷卻水管間距為1.5m×1.5m,通水流量為1.0m3/h,冷卻水管長度為250m。經(jīng)計算分析,溢流壩段采用上述澆筑溫度和溫控措施,各部位溫度應(yīng)力均在允許抗裂應(yīng)力范圍內(nèi),滿足混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范要求,而其余各方案均不滿足混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范要求,故溢流壩段方案1為推薦方案。
(2)非約束區(qū)碾壓混凝土和常態(tài)混凝土中,各方案的最大溫度應(yīng)力均小于該區(qū)域混凝土的允許抗裂應(yīng)力,為節(jié)省工程投資,非約束區(qū)碾壓混凝土和常態(tài)混凝土的澆筑溫度可采用30℃。
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