王祥峰， 孫利敏， 王可峰

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072; 2.四川省清源工程咨詢有限公司， 四川 成都 610072；3.西南交通大學(xué)， 四川 成都 610072)

錦屏一級(jí)水電站泄洪洞龍落尾段混凝土溫控防裂設(shè)計(jì)

王祥峰1， 孫利敏2， 王可峰3

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072; 2.四川省清源工程咨詢有限公司， 四川 成都 610072；3.西南交通大學(xué)， 四川 成都 610072)

泄洪洞在泄洪時(shí)具有高水頭、高流速、泄洪量大等特點(diǎn)[1]，對(duì)襯砌混凝土施工質(zhì)量具有較高要求，因而其溫控防裂問(wèn)題應(yīng)得到重視。錦屏一級(jí)水電站泄洪洞襯砌混凝土施工中，為加快施工進(jìn)度，采用底板分段長(zhǎng)度27 m拖模施工。針對(duì)此種施工工藝，本文通過(guò)選擇不同的溫控措施，采用FZFX3D軟件模擬仿真其施工期溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)，得出推薦的溫控措施，為后續(xù)水電工程泄洪洞襯砌混凝土施工提供參考。

泄洪洞； 襯砌混凝土； 溫控防裂

0 前 言

目前地下洞室混凝土施工中廣泛地運(yùn)用了臺(tái)車、滑膜、拖模、翻模、異形拼模等工藝，有效地解決了平硐、斜井、豎井混凝土施工中存在的場(chǎng)地狹窄、通道有限、體型復(fù)雜、進(jìn)度受限等問(wèn)題[2]。針對(duì)采用拖模施工的泄洪洞抗沖耐磨混凝土，其溫控防裂問(wèn)題應(yīng)得到足夠重視。

1 工程背景

錦屏一級(jí)水電站位于四川省鹽源縣和木里縣交界處，是雅礱江干流水能資源最富集的中、下游河段五個(gè)梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)中的第一級(jí)。錦屏一級(jí)水電站以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙等作用。樞紐主要建筑物由混凝土雙曲拱壩、壩身4個(gè)表孔+5個(gè)深孔+2個(gè)放空底孔與壩后水墊塘、右岸1條有壓接無(wú)壓泄洪洞及右岸中部廠房等組成。水庫(kù)正常蓄水位1 880 m，總庫(kù)容77.6億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容49.1億m3，為年調(diào)節(jié)水庫(kù)。電站裝機(jī)容量3 600 MW。

泄洪洞采用有壓接無(wú)壓、洞內(nèi)“龍落尾”的布置形式，進(jìn)口為岸塔式結(jié)構(gòu)，塔體尺寸為25.00 m×34.00 m×61.00 m(長(zhǎng)×寬×高)，塔基高程1 825.00 m，頂高程1 886.00 m。進(jìn)水塔沿水流向長(zhǎng)34.00 m，后接有壓隧洞；有壓洞由直段和平面彎段組成，總長(zhǎng)560.19 m，縱坡0.010 305 3。彎段轉(zhuǎn)彎半徑150.00 m，彎段后直洞長(zhǎng)約100 m，末端為圓變方壓坡連接段，壓坡連接段長(zhǎng)度為25.00 m，將14.50 m高的圓形洞漸變至13.00 m×10.50 m(寬×高)，后接弧形工作閘門(mén)室；無(wú)壓隧洞段始于弧形工作閘門(mén)室后，總長(zhǎng)796.37 m，由上直坡段、奧奇曲線段、斜坡連接段、反弧曲線段以及下直坡段等組成，無(wú)壓洞斷面尺寸為13.00 m×17.00 m(寬×高)，斷面形式為圓拱直墻型。

2 計(jì)算原理及條件

2.1 計(jì)算方法

2.1.1 溫度場(chǎng)求解方程

混凝土通常分層澆筑，設(shè)第i批澆筑混凝土的體積為Ri(i=1,2,…,n) ， 則在Ri中混凝土溫度場(chǎng)的定解方程為[3]：

(1)

式中α——導(dǎo)溫系數(shù)；

θ0i——第i批澆筑混凝土的最大絕熱溫升；

Tih——第i批澆筑混凝土的通水時(shí)的溫度；

Tiw——第i批澆筑混凝土的通水溫度；

φi——水管冷卻降溫函數(shù)；

ψi——等效負(fù)熱源函數(shù)。

2.1.2 應(yīng)力場(chǎng)求解方程

溫度場(chǎng)求出后再用有限元隱式解法求徐變應(yīng)力場(chǎng)：

(2)

應(yīng)力增量Δσ由下式計(jì)算：

(3)

式中 {Δδn}——結(jié)點(diǎn)位移增量向量；

{ΔPn}——外荷載增量；

2.2 計(jì)算參數(shù)

2.2.1 熱學(xué)參數(shù)

本資料根據(jù)錦屏一級(jí)水電站前期的試驗(yàn)資料與現(xiàn)場(chǎng)混凝土的配合比推導(dǎo)得出。由于未進(jìn)行相應(yīng)混凝土的溫控參數(shù)試驗(yàn)研究，因此本參數(shù)僅供參考(見(jiàn)表1)。

絕熱溫升公式采用雙曲線公式，公式形式如下：

(4)

式中θ——溫升值，℃；

θ0——最大絕熱溫升，℃；

τ——時(shí)間，d；

n——水化熱上升速率，d。

2.2.2 力學(xué)參數(shù)與應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)

混凝土力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 泄洪洞抗沖耐磨混凝土熱力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)成果

表2 混凝土力學(xué)參數(shù)

根據(jù)壩體混凝土不同齡期的劈拉強(qiáng)度值，對(duì)其進(jìn)行擬合，即可得到混凝土強(qiáng)度隨齡期變化關(guān)系。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL5108-1999)的規(guī)定，本文溫度應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)：混凝土允許水平拉應(yīng)力按照劈拉強(qiáng)度/1.65 、極限拉伸×彈模/1.65比較后取小值控制；混凝土允許鉛直拉應(yīng)力按劈拉強(qiáng)度選取。

混凝土徐變度采用以下公式擬合：

C(t,τ)=(0.008 2+58.202 5τ-0.660 8)[1-e-0.672 9(t-τ)]+(0.908 5+49.668 4τ-0.486 8)[1-e-0.017 4(t-τ)]

(5)

2.3 氣溫邊界條件

雅礱江流域地處青藏高原東側(cè)邊緣地帶，屬川西高原氣候區(qū)，壩址區(qū)多年平均氣溫17.2 ℃，多年平均水溫12.3 ℃。三灘氣象站要素統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 三灘氣象站氣象要素統(tǒng)計(jì)

泄洪洞內(nèi)空氣溫度：根據(jù)洞室內(nèi)實(shí)際氣溫監(jiān)測(cè)資料，夏季最高溫度21 ℃，冬季最低溫度18 ℃。年周期變化過(guò)程采用《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5077-1997)中余弦函數(shù)：

Ta=Tam+Aacosω(τ-τ0)

(6)

式中Tam=19.5，Aa=1.5，τ0=196。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)澆筑程序

錦屏一級(jí)水電站泄洪洞無(wú)壓段為圓拱直墻的城門(mén)洞型，在不同的部位，其襯砌的厚度不同，開(kāi)挖的尺寸也不同。根據(jù)整個(gè)泄洪洞不同的圍巖類別和不同的襯砌厚度，共分為5種典型襯砌段，其中E型斷面，混凝土分區(qū)及斷面形式見(jiàn)圖1。E型襯砌的底板為C50泵送抗沖磨混凝土，距頂拱1 m以下的邊墻為C50泵送抗沖磨混凝土，距頂拱1 m以上的邊墻和頂拱為C25泵送混凝土。

考慮泄洪洞襯砌混凝土夏季施工工況，澆筑順序?yàn)檫厜Α敼啊装澹购槎囱剌S線剖面見(jiàn)圖1，澆筑時(shí)間見(jiàn)圖2。洞身邊墻及頂拱澆筑長(zhǎng)度9 m，底板采用拖模施工，長(zhǎng)度27 m。

圖1 泄洪洞結(jié)構(gòu)布置

圖2 泄洪洞澆筑順序及典型點(diǎn)示意

2.5 計(jì)算模型

三維有限元模型(見(jiàn)圖3)節(jié)點(diǎn)共20 564個(gè)，單元17 460個(gè)。泄洪洞內(nèi)部的混凝土表面受洞內(nèi)空氣溫度的影響，作為第三類邊界條件處理。當(dāng)泄洪時(shí)，泄洪洞襯砌混凝土表面受水溫影響，與水接觸的混凝土表面按第一類邊界條件處理。圍巖的內(nèi)表面被混凝土覆蓋前受洞內(nèi)空氣溫度的影響，作為第三類邊界條件處理。被混凝土覆蓋后，圍巖和混凝土之間進(jìn)行熱交換。在圍巖外邊界處，溫度邊界取為絕熱邊界，變形條件取為固定。計(jì)算工況如下：

工況1：澆筑溫度16 ℃，通水4～7 d，通水流量3～4 m3/h，通水水溫10～11 ℃，最高溫度到達(dá)后，進(jìn)行表面保溫及養(yǎng)護(hù)；

工況2：澆筑溫度14 ℃，其他同工況1。

圖3 三維有限元計(jì)算模型

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 工況結(jié)果對(duì)比

由表4可以看出，工況1由于澆筑溫度提升2 ℃，邊墻、頂拱及底板特征點(diǎn)最高溫度升高約1.5～2 ℃；工況1邊墻點(diǎn)及底板點(diǎn)順河向最大拉應(yīng)力達(dá)到3.2 MPa，底板特征點(diǎn)橫河向拉應(yīng)力達(dá)到3.1 MPa，均超出允許拉應(yīng)力范圍，存在較大的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。工況2結(jié)果顯示，降低澆筑溫度2 ℃，應(yīng)力水平降低明顯，橫河向及順河向拉應(yīng)力最大2.3 MPa左右，滿足允許拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。

表4 各工況襯砌混凝土溫度及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.2 推薦方案溫度應(yīng)力云圖

為更直觀地展示泄洪洞襯砌混凝土溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)，沿洞軸線剖面共選取頂拱1個(gè)特征點(diǎn)，邊墻3個(gè)特征點(diǎn)，底板1個(gè)特征點(diǎn)，特征點(diǎn)示意如圖4所示，溫度及應(yīng)力包絡(luò)云見(jiàn)圖5～8。

圖4 特征點(diǎn)示意

圖5 最高溫度包絡(luò)云圖(℃)

圖6 A塊橫河向及順河向應(yīng)力云圖(MPa)

圖7 B塊橫河向及順河向應(yīng)力云圖(MPa)

圖8 C塊橫河向及順河向應(yīng)力云圖(MPa)

通過(guò)溫度及應(yīng)力包絡(luò)云圖可以看出，在推薦溫控措施下，混凝土內(nèi)部最高溫度34～35 ℃左右，出現(xiàn)在混凝土齡期3 d左右，分布在邊墻及底板C9050混凝土區(qū)域，頂拱最高溫度28 ℃左右。通過(guò)應(yīng)力包絡(luò)云圖可以看出，內(nèi)部橫河向最大拉應(yīng)力2.3 MPa，主要集中在底板及邊墻處，順河向拉應(yīng)力2.3 MPa左右，主要集中在底板處。均滿足允許拉應(yīng)力要求。頂拱順河向及橫河向拉應(yīng)力為0.1～0.2 MPa，滿足允許拉應(yīng)力要求。

推薦溫控措施：澆筑溫度14 ℃，通水4～7 d，通水流量3～4 m3/h，通水水溫10～11 ℃，最高溫度到達(dá)后，進(jìn)行表面保溫及養(yǎng)護(hù)。

3.3 工況對(duì)比過(guò)程線結(jié)果

由于混凝土中水泥水化熱作用，混凝土在齡期3～4 d達(dá)到最高溫度；之后在一期冷卻及洞內(nèi)氣溫綜合作用下，混凝土內(nèi)部溫度緩慢下降?；炷羶?nèi)部應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)為：隨著混凝土溫度升高，內(nèi)部積蓄壓應(yīng)力；溫度達(dá)到峰值后，隨著溫度降低，壓應(yīng)力逐漸變?yōu)槔瓚?yīng)力，直至混凝土溫度趨于穩(wěn)定。

選取頂拱邊墻及底板典型特征點(diǎn)，繪制特征點(diǎn)溫度及應(yīng)力歷史曲線，如圖9～11所示。由歷史曲線圖可以看出：工況1內(nèi)部最高溫度約36.2 ℃，發(fā)生在邊墻混凝土，相比工況2，內(nèi)部溫度升高2 ℃。工況1內(nèi)部順河向拉應(yīng)力達(dá)到3.2 MPa，發(fā)生在邊墻及底板混凝土，橫河向拉應(yīng)力達(dá)到3.1 MPa，發(fā)生在底板混凝土，均超出允許拉應(yīng)力范圍，存在較大開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，工況2推薦溫控措施下，邊墻及底板混凝土拉應(yīng)力約為2.2～2.3 MPa，應(yīng)力水平優(yōu)化明顯。

圖9 特征點(diǎn)2不同工況下溫度及應(yīng)力過(guò)程曲線對(duì)比

圖10 特征點(diǎn)3不同工況下溫度及應(yīng)力過(guò)程曲線對(duì)比

圖11 特征點(diǎn)5不同工況下溫度及應(yīng)力過(guò)程曲線對(duì)比

4 結(jié)論及建議

(1)錦屏泄洪洞龍落尾段底板分段長(zhǎng)度27 m拖模施工，澆筑溫度16 ℃，計(jì)算結(jié)果顯示邊墻及底板拉應(yīng)力均超過(guò)允許拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)較大，將澆筑溫度降低為14 ℃，底板拉應(yīng)力降低明顯，滿足允許拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。說(shuō)明通過(guò)調(diào)整溫控措施，可以對(duì)施工工藝進(jìn)行優(yōu)化。

(2)對(duì)于錦屏泄洪洞襯砌混凝土等高標(biāo)號(hào)薄層混凝土澆筑過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)澆筑過(guò)程控制，控制出機(jī)口到倉(cāng)面溫度回升不超過(guò)4 ℃，且控制澆筑溫度在12～14 ℃之間。由于混凝土內(nèi)部和表面的散熱條件不同，混凝土中心溫度高，表面溫度低,形成溫度梯度,造成溫度變形和溫度應(yīng)力，當(dāng)這種溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫。建議加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)及表面保護(hù)措施。

[1] 李眾,羅毅，李然.小灣水電站泄洪洞抗沖耐磨混凝土施工綜述[J]. 水力發(fā)電, 2011,37(4):33-35.

[2] 孫曉能.小灣水電工程洞室混凝土施工的一些技術(shù)創(chuàng)新[J]. 水力發(fā)電,2009,35(9):61-63.

[3] 王祥峰,黃達(dá)海，陳彥玉.短歷時(shí)暴雨襲擊致早齡期混凝土溫度裂縫研究[J].人民長(zhǎng)江,2010,41(17):84-87.

2016- 09- 29

王祥峰(1985-)，男，山東濰坊人，碩士，從事施工技術(shù)及混凝土溫控防裂工作。

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