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        大壩混凝土施工期溫控措施的時(shí)間和空間優(yōu)化

        2019-08-24 08:54:28鄧世順王振紅楊書君
        人民黃河 2019年8期
        關(guān)鍵詞:溫控溫差溫度場

        鄧世順,王振紅,汪 娟,楊書君

        (1.河南省豫北水利勘測設(shè)計(jì)院有限公司,河南安陽455000;2.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100038)

        混凝土壩開裂是較為普遍的現(xiàn)象[1],如何解決混凝土裂縫問題一直為眾多國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注,取得了一系列研究成果[2-5]。由于環(huán)境氣溫的隨機(jī)性和特殊性、施工過程中各種因素的不確定性、對混凝土材料特性認(rèn)識不夠深入、設(shè)計(jì)溫控措施安全裕度不夠、裂縫成因和機(jī)理不清楚等因素的存在,無論是常規(guī)混凝土壩還是以往認(rèn)為不需溫控措施的碾壓混凝土壩,施工期都難以完全避免裂縫的產(chǎn)生[6-8],因此混凝土裂縫問題仍是目前建壩過程中需要解決的關(guān)鍵性問題。

        西藏等高海拔地區(qū)具有氣候干燥、冬寒夏涼、年溫差小、日溫差大和太陽輻射強(qiáng)等特點(diǎn)[10-13],與低海拔、溫暖濕潤地區(qū)修建混凝土壩相比,這種特殊的氣候條件使得裂縫預(yù)防更為困難,施工期需要采取溫控防裂措施更具有特殊性和針對性。雖然在四川海拔相對較高的地區(qū)筑壩已積累了一定的溫控防裂經(jīng)驗(yàn),但技術(shù)還不成熟,系統(tǒng)性不強(qiáng)。因此,筆者以高海拔街需混凝土重力壩為例,采用三維有限元仿真模擬分析方法,結(jié)合混凝土溫度場和應(yīng)力場基本理論,探索高海拔地區(qū)混凝土的溫控標(biāo)準(zhǔn)及溫控防裂措施的制定,篩選出高海拔地區(qū)科學(xué)合理的溫控防裂措施,為大壩設(shè)計(jì)與施工提供參考。

        1 仿真計(jì)算原理

        1.1 溫度場計(jì)算原理

        在混凝土計(jì)算域R內(nèi)任何一點(diǎn)處,非穩(wěn)定溫度T(x,y,z,t)須滿足熱傳導(dǎo)連續(xù)方程:

        式中:T 為混凝土溫度,℃;a 為導(dǎo)溫系數(shù),m2/h;θ為絕熱溫升,℃;τ為齡期,d;t為時(shí)間,d;x、y、z為坐標(biāo)軸。

        1.2 應(yīng)力場計(jì)算原理

        在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下混凝土區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)3個方向上的應(yīng)力增量方程為

        式中:Ki為Ri區(qū)域混凝土剛度矩陣;Δδi為Ri混凝土區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)3個方向上的位移增量;為Δti時(shí)段內(nèi)由外荷載(變溫)引起的等效節(jié)點(diǎn)力增量;為徐變引起的等效節(jié)點(diǎn)力增量;為溫度引起的等效節(jié)點(diǎn)力增量;為干縮引起的等效節(jié)點(diǎn)力增量;為自生體積變形引起的等效節(jié)點(diǎn)力增量。

        2 工程概況

        街需水電站位于高海拔地區(qū),混凝土重力壩壩頂全長 340.0 m,壩頂高程 3 378.0 m,最大壩高 117.0 m,最大底寬99.8 m,壩體混凝土總方量約164萬m3,共分14個壩段,最大壩段寬度32.5 m。該壩所在地區(qū)的環(huán)境氣候條件和混凝土材料都對溫控防裂不利。

        (1)工程所在地區(qū)多年平均氣溫見表1。氣候干燥,冬寒夏涼,日溫差大,低溫時(shí)間長,太陽輻射強(qiáng),不利于混凝土的溫控防裂,很容易導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生表面裂縫。

        表1 街需重力壩所在地區(qū)多年平均氣溫 ℃

        (2)混凝土材料性能對大壩的溫度控制存在較大的不利影響,主要表現(xiàn)在混凝土絕熱溫升高、熱膨脹系數(shù)大,彈性模量、極限拉伸值和抗拉強(qiáng)度一般,不具防裂優(yōu)勢,施工期混凝土溫控防裂難度大。

        3 溫控防裂方案優(yōu)化

        在環(huán)境氣候條件和混凝土材料都不利的情況下,減小溫度應(yīng)力的主要方法是控制大壩的基礎(chǔ)溫差、上下層溫差和內(nèi)外溫差。基礎(chǔ)溫差為混凝土最高溫度與大壩穩(wěn)定溫度之差,上下層溫差為澆筑層之間的溫度之差,內(nèi)外溫差為混凝土內(nèi)部溫度與表層溫度之差??刂茰夭罹涂梢钥刂苹炷磷冃危瑴p小混凝土之間的相互約束和溫度應(yīng)力。要控制溫差,首先要確定大壩的穩(wěn)定溫度場,進(jìn)而在時(shí)間和空間上優(yōu)化溫控措施。街需重力壩的溫控思路:①空間高度上按照強(qiáng)約束區(qū)、弱約束區(qū)和自由區(qū)分別設(shè)置溫控標(biāo)準(zhǔn)和措施;②強(qiáng)約束區(qū)強(qiáng)化控制基礎(chǔ)溫差;③強(qiáng)化控制時(shí)間和空間方向的溫度梯度;④降低澆筑溫度(關(guān)鍵是降低最高溫度);⑤做好表面保護(hù),降低內(nèi)外溫差。按照澆筑溫度和同時(shí)冷卻的不同,制定了4個溫控方案,見表2。

        表2 溫控方案

        續(xù)表2

        3.1 混凝土配合比和參數(shù)模型

        大壩混凝土(C9020W6F100)配合比主要參數(shù)和熱力學(xué)參數(shù)分別見表3和表4。骨料為黑云母花崗閃長巖,混凝土熱膨脹系數(shù)偏大,對混凝土的溫控防裂不利。

        表3 大壩混凝土配合比主要參數(shù)

        表4 大壩混凝土主要熱力學(xué)參數(shù)

        絕熱溫升和彈性模量為隨時(shí)間變化的參數(shù),仿真計(jì)算時(shí)采用的模型分別為

        式中:θ(τ)為絕熱溫升模型;E(τ)為彈性模量模型;τ為混凝土齡期。

        3.2 計(jì)算模型和邊界條件

        仿真計(jì)算采用三維有限單元法,計(jì)算模型單元數(shù)為60 744,節(jié)點(diǎn)數(shù)為71 049,包括大壩本身和大壩下面一定范圍的地基?;炷帘砻鏈囟忍荻认鄬^大,故網(wǎng)格劃分相對較細(xì),混凝土內(nèi)部網(wǎng)格較疏,網(wǎng)格劃分時(shí)采用空間六面體等參單元。計(jì)算溫度場時(shí),大壩的上游面和下游面在蓄水前為第三類邊界,考慮氣溫和太陽輻射,蓄水后作為第一類邊界,為相應(yīng)高程的水庫水溫;將模型地基四周和底面作為絕熱邊界,上表面為第三類邊界條件,考慮氣溫和太陽輻射。計(jì)算應(yīng)力場時(shí),結(jié)合工程實(shí)際情況,將地基底面作為三向約束、地基四周作為法向約束、其他結(jié)構(gòu)的邊界面作為自由變形面。三維有限元計(jì)算模型見圖1,模型邊界條件見圖2。

        圖1 三維有限元計(jì)算模型

        圖2 模型邊界條件

        3.3 大壩穩(wěn)定溫度場的確定

        穩(wěn)定溫度場是混凝土水化熱消散完畢后,在外部環(huán)境影響下達(dá)到的最終溫度。大壩穩(wěn)定溫度場是確定混凝土最高溫度、混凝土澆筑溫度、基礎(chǔ)容許溫差、接縫灌漿溫度等的重要依據(jù),是制定溫控措施的必要前提。街需重力壩所在地區(qū)年平均氣溫為9.3℃、水溫為9.8℃、地溫為10.3℃,綜合考慮這些影響因素,經(jīng)過三維模型數(shù)值計(jì)算,街需重力壩的壩內(nèi)穩(wěn)定溫度定為10℃。

        3.4 大壩溫控措施時(shí)間上的優(yōu)化

        溫控措施過程的優(yōu)化是指在混凝土硬化過程中對混凝土的溫度變化進(jìn)行控制,使其按照設(shè)定的溫度變化過程發(fā)展。設(shè)定的溫度變化過程是較理想的溫度發(fā)展過程,經(jīng)過大量計(jì)算研究得出,應(yīng)力較小,混凝土安全系數(shù)較高,可滿足防裂需要。表面保溫可以防止混凝土產(chǎn)生較大的內(nèi)外溫差,減小周圍環(huán)境氣溫變化對混凝土的影響;混凝土內(nèi)部水管冷卻可降低其內(nèi)部溫度、減小基礎(chǔ)溫差和內(nèi)外溫差,冷卻過程分為3期,每期要求不同的水溫、流量和降溫速率,以滿足理想降溫過程的需要。分期冷卻降溫過程示意見圖3。

        圖3 分期冷卻降溫過程示意

        3.5 大壩溫控措施空間上的優(yōu)化

        溫控措施空間優(yōu)化主要是指在結(jié)構(gòu)空間上對混凝土溫度進(jìn)行控制,特別是基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土、高溫季節(jié)澆筑的混凝土,通過空間上的優(yōu)化,使其所受基礎(chǔ)約束和上下層約束減小,降低溫度應(yīng)力。街需重力壩采取的優(yōu)化方案:①基礎(chǔ)約束區(qū)降低澆筑溫度、加密冷卻水管,控制最高溫度,降低基礎(chǔ)溫差;②設(shè)置同時(shí)冷卻區(qū)(同冷區(qū)),降低上下層溫差。基礎(chǔ)約束區(qū)溫度梯度分區(qū)形成過程示意見圖4(灌漿分區(qū)高度為9 m,即9 m為1個灌區(qū);灌漿區(qū)為即將進(jìn)行縱縫灌漿的1個灌區(qū);同冷區(qū):灌漿區(qū)位于約束區(qū)底部第一個灌區(qū)時(shí),同冷區(qū)為灌漿區(qū)上部2個灌區(qū),其他部位為灌漿區(qū)上部1個灌區(qū);過渡區(qū)為同冷區(qū)上部的1個灌區(qū);蓋重區(qū)為過渡區(qū)上部的1個灌區(qū))。

        圖4 基礎(chǔ)約束區(qū)溫度梯度分區(qū)形成過程示意

        3.6 溫控措施效果對比

        對溫控措施在時(shí)間過程上優(yōu)化,效果顯著。計(jì)算結(jié)果顯示,在分3期冷卻的條件下,混凝土溫度變化平穩(wěn),既避免了早期溫降過快導(dǎo)致的應(yīng)力超標(biāo),又防止了后期溫降幅度過大產(chǎn)生過大的應(yīng)力。在一期冷卻和二期冷卻效果良好的前提下,把三期冷卻時(shí)間適當(dāng)推遲,可以使最大應(yīng)力發(fā)生的時(shí)間推遲,使混凝土徐變效應(yīng)充分發(fā)揮,降低后期應(yīng)力(由 1.49 MPa降低為1.40 MPa),這時(shí)混凝土的強(qiáng)度繼續(xù)變大,混凝土的安全系數(shù)也明顯增大(由1.70增大到1.81),見表5。

        表5 各溫控方案強(qiáng)約束區(qū)溫度和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

        對溫控措施在結(jié)構(gòu)空間分布上優(yōu)化,應(yīng)力明顯減小。具體表現(xiàn):①方案1同時(shí)冷卻區(qū)高度為27 m(2個同冷區(qū)),3個灌區(qū)從二期開始同時(shí)冷卻,由于上下灌區(qū)溫差小、變形同步,因此混凝土受到的約束相對最小,最大應(yīng)力為1.40 MPa;②方案3的3個灌區(qū)從三期冷卻開始,同時(shí)冷卻區(qū)高度變?yōu)?8 m,強(qiáng)約束區(qū)最大應(yīng)力增大為1.48 MPa;③方案4同時(shí)冷卻區(qū)高度為18 m(1個同冷區(qū)),且從二期冷卻開始降溫,最大應(yīng)力變?yōu)?.49 MPa??梢钥闯?,方案1最優(yōu)。

        在溫控措施進(jìn)行時(shí)間和空間優(yōu)化的基礎(chǔ)上,降低澆筑溫度,可以使最高溫降低、應(yīng)力減小,因此在工程條件允許的前提下,降低澆筑溫度可以起到較好的溫控防裂效果,方案1比方案2更優(yōu)。

        綜上可知,同時(shí)冷卻高度對混凝土應(yīng)力的影響較為明顯,尤其對強(qiáng)約束區(qū)第一、第二灌區(qū)的混凝土影響較大。為減小灌漿前三期冷卻期末的應(yīng)力,應(yīng)盡可能增大同時(shí)冷卻區(qū)高度,以減小上下層溫差導(dǎo)致的應(yīng)力。

        3.7 推薦的溫度控制措施和標(biāo)準(zhǔn)

        通過多方案數(shù)值對比分析,結(jié)合同地區(qū)已建同類工程的溫控措施經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),方案1可以作為街需高海拔常態(tài)混凝土重力壩溫控防裂的措施和標(biāo)準(zhǔn),即10℃作為穩(wěn)定目標(biāo)溫度,基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)混凝土允許最高溫度為27.5℃,允許基礎(chǔ)溫差17.5℃,采用3期水管冷卻,時(shí)間上優(yōu)化降溫過程(強(qiáng)約束區(qū)混凝土3個灌區(qū)同時(shí)冷卻),空間上優(yōu)化溫度分布。圖5為推薦的街需大壩溫控措施。

        4 結(jié) 論

        (1)穩(wěn)定溫度場是大壩的終極溫度場,是確定混凝土最高溫度、基礎(chǔ)容許溫差、接縫灌漿溫度等的重要依據(jù),是大壩溫控防裂仿真計(jì)算的必要前提。

        (2)高海拔地區(qū)氣候條件特殊,混凝土大壩進(jìn)行溫度控制和防止裂縫產(chǎn)生困難較大,再加上街需大壩混凝土絕熱溫高、熱膨脹系數(shù)大,對溫控防裂不利。

        (3)大壩混凝土施工時(shí)在時(shí)間和空間上同步進(jìn)行溫控措施優(yōu)化,可以減小基礎(chǔ)溫差、上下層溫差和內(nèi)外溫差。

        圖5 推薦的街需大壩溫控措施

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