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        變化水位下碾壓混凝土重力壩溫度應(yīng)力研究

        2021-10-08 07:40:50康志亮李龍龍劉東旭王振紅汪娟
        關(guān)鍵詞:混凝土

        康志亮, 李龍龍, 劉東旭, 王振紅, 汪娟

        (1.中國華電集團(tuán)有限公司 福建分公司,福建 福州 350013; 2.華電福新周寧抽水蓄能有限公司,福建 寧德 352100; 3.中國水利水電科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所,北京 100038)

        對(duì)于碾壓混凝土(Roller Compacted Concrete,RCC)重力壩來說,防裂是關(guān)系到工程成敗的關(guān)鍵問題[1]。與常態(tài)混凝土相比,碾壓混凝土一般摻粉煤灰,具有水泥用量少、絕熱溫升低、施工簡單且造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn),但碾壓混凝土在澆筑中上升速度快,層面散熱不多,水化熱溫升并不低;水泥用量少,徐變較小,極限拉伸變形略低,抗裂能力較低;澆筑倉面大、塊體長,無后期通水冷卻,在同樣溫差作用下,溫度應(yīng)力較大[2-4],故碾壓混凝土仍然存在溫度控制問題,因此施工期溫度應(yīng)力導(dǎo)致的開裂問題仍然較為突出[5-7]。

        目前,國內(nèi)針對(duì)碾壓混凝土壩的溫控防裂問題研究較多,主要從溫度控制和結(jié)構(gòu)分縫兩個(gè)方面來控制混凝土的溫度應(yīng)力[8-9]。張國新等[10]從仿真分析理論方法、典型裂縫成因及防裂措施、高拱壩及RCC壩溫控防裂要點(diǎn)、智能溫控4個(gè)方面介紹了高混凝土壩溫控防裂的研究進(jìn)展,給出碾壓混凝土重力壩的溫度控制要點(diǎn)是強(qiáng)化內(nèi)外溫差的溫控措施。劉毅等[11]提出“小溫差、慢冷卻、全過程保護(hù)”溫度梯度控制要求,減小上下層溫差和內(nèi)外溫差,碾壓混凝土重力壩在做好表面保護(hù)的前提下可適當(dāng)放寬對(duì)基礎(chǔ)溫差的控制要求。周偉等[12]以萬家口子碾壓混凝土拱壩為例,根據(jù)碾壓混凝土壩的實(shí)際成層澆筑過程和施工期的溫度作用,通過三維有限元數(shù)值仿真計(jì)算,對(duì)設(shè)置8縫、10縫和不設(shè)縫情況下的壩體應(yīng)力和位移分布規(guī)律進(jìn)行分析和比較,并探討了誘導(dǎo)縫的作用以及設(shè)置誘導(dǎo)縫的利弊。

        不同于常規(guī)的碾壓混凝土重力壩施工,抽水蓄能電站大壩典型的特點(diǎn)是水位變幅大,變水位區(qū)混凝土表面會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)不同的溫度邊界條件交替現(xiàn)象,表面應(yīng)力情況更加復(fù)雜。施工期的溫控防裂和運(yùn)行期的水溫氣溫交替冷擊影響,可以通過有限元仿真計(jì)算,確定溫控措施的合理與否和水溫氣溫冷擊的影響程度[13-16],進(jìn)而提前采取合理措施,為工程建設(shè)服務(wù)。本文以周寧抽水蓄能電站為例,結(jié)合三維有限單元法,研究大壩碾壓混凝土施工期的溫控方案和運(yùn)行期變化水位下的溫度應(yīng)力。

        1 計(jì)算原理與方法

        1.1 溫度場基本原理

        熱傳導(dǎo)方程為[1]:

        (1)

        式中:T為溫度,℃;a為導(dǎo)溫系數(shù),m2/h;θ為混凝土絕熱溫升,℃;τ為時(shí)間,d。

        溫度場邊界條件為:

        1)當(dāng)混凝土與空氣接觸(蓄水前),假定經(jīng)過混凝土表面的熱流量q與混凝土表面溫度T與外界氣溫Ta之差成正比,即第三類邊界條件,見式(2):

        (2)

        式中:λ為混凝土導(dǎo)熱系數(shù),kJ/(m·h·℃);β為混凝土表面放熱系數(shù),kJ/(m2·h·℃);n為混凝土表面外法線方向。

        2)當(dāng)混凝土與水接觸(蓄水后),表面溫度等于已知的水溫,即第一類邊界條件,見式(3):

        T(τ)=f(τ)。

        (3)

        1.2 水管冷卻混凝土溫度場原理

        水管沿程水溫的增量(ΔTwi)[1]為:

        (4)

        式中:qw、cw、ρw分別為冷卻水的流量、比熱和密度;λ為導(dǎo)熱系數(shù);n為混凝土與水管之間混凝土面的外法線;Γ0為混凝土與水管接觸的表面區(qū)域。

        由于冷卻水的入口溫度已知,利用上述公式,對(duì)每一根冷卻水管沿水流方向可以逐段推求沿程管內(nèi)水體的溫度。水管的沿程水溫計(jì)算與溫度梯度(?T/?n)有關(guān),因此帶冷卻水管的混凝土溫度場是一個(gè)邊界非線性問題,溫度場的解無法一步得出,必須采用迭代解法逐步逼近真解。

        1.3 應(yīng)力場基本理論

        混凝土在時(shí)段Δτn內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變增量為:

        (5)

        有限元方程為:

        (6)

        2 施工期溫度應(yīng)力仿真分析

        2.1 工程概況

        周寧抽水蓄能電站位于福建省周寧縣境內(nèi),裝機(jī)容量1 200 MW。電站樞紐由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房和500 kV地面開關(guān)站等建筑物組成,工程按其裝機(jī)容量確定為一等大(1)型工程。下水庫大壩為碾壓混凝土重力壩,壩址位于龍溪二級(jí)水電站發(fā)電廠房上游約360 m的七步溪主河道上,壩址區(qū)河谷呈較狹窄的“V”字形。下水庫校核洪水位305.15 m(P=0.1%),設(shè)計(jì)洪水位304.15 m(P=0.5%),正常蓄水位299.00 m,死水位262.00 m。總庫容1 248萬m3,調(diào)節(jié)庫容799萬m3,死庫容216萬m3。碾壓混凝土重力壩壩頂高程306.0 m,最低建基面高程198.0 m,最大壩高108.0 m。壩頂全長231.0 m,共分11個(gè)壩段,從左至右依次為:1#~4#左岸擋水壩段,5#左岸泄洪底孔壩段,6#溢流表孔壩段,7#右岸泄洪底孔壩段,8#~11#右岸擋水壩段。擋水壩基本斷面為三角形,其頂點(diǎn)高程與壩頂高程相同,上游面225.0 m高程以上為豎直坡,以下坡比為1∶0.15。壩體混凝土主要分為上游防滲R90C25W8F100二級(jí)配碾壓混凝土、壩體內(nèi)部R90C15W4F50三級(jí)配碾壓混凝土和基礎(chǔ)墊層R28C20W6F50三級(jí)配常態(tài)混凝土等?;炷翢釋W(xué)和力學(xué)參數(shù)分別見表1和表2。

        表1 混凝土熱學(xué)參數(shù)

        表2 混凝土力學(xué)參數(shù)

        2.2 計(jì)算模型

        在溫度場計(jì)算時(shí),基礎(chǔ)四周和底面為不散熱邊界條件,基礎(chǔ)頂面為散熱邊界;壩體上下游面施工期為散熱邊界,蓄水后為水邊界。考慮2 ℃的太陽輻射熱影響。在應(yīng)力場計(jì)算時(shí),基礎(chǔ)四周為單向約束,底面為全約束,其余面無約束。左岸陡坡壩段的計(jì)算模型與網(wǎng)格如圖1所示?;A(chǔ)深度取3倍壩高,上下游方向取1倍壩高。壩段底高程213.0 m,頂高程306.0 m,壩段長23 m。計(jì)算模型共剖分單元數(shù)140 407個(gè),結(jié)點(diǎn)數(shù)151 417個(gè),單元為六面體等參單元。圖中順河向?yàn)閄方向,橫河向?yàn)閅方向,豎直往上為Z方向。計(jì)算時(shí),壩體強(qiáng)約束區(qū)高程范圍為213.0~237.5 m;弱約束區(qū)高程范圍為237.5~249.5 m;249.5 m高程以上為自由區(qū)。

        圖1 計(jì)算模型與網(wǎng)格

        2.3 施工期溫控方案優(yōu)選

        陡坡壩段施工期的溫控措施有如下可選方案。

        方案1:2019年2月開始澆筑,基礎(chǔ)墊層常態(tài)混凝土澆筑層厚1.5 m,其他混凝土澆筑層厚3.0 m,間歇期為5 d?;炷翝仓囟仍O(shè)定為月平均氣溫+3 ℃,強(qiáng)約束區(qū)(基礎(chǔ)面以上(0~0.2)L的高度范圍,L指混凝土澆筑塊長邊的長度,下同):5—9月澆筑溫度≤16 ℃,10月到翌年4月自然入倉。弱約束區(qū)(基礎(chǔ)面以上(0.2~0.4L)的高度范圍):5—9月澆筑溫度≤18 ℃,10月到翌年4月自然入倉。非約束區(qū)(基礎(chǔ)面以上0.4L至頂高程的高度范圍):5—9月澆筑溫度≤20 ℃,10月到翌年4月自然入倉。強(qiáng)約束區(qū)水管間距為1.5 m×1.5 m(水平×豎直),弱約束區(qū)和自由區(qū)水管間距為2.0 m×2.0 m(水平×豎直);混凝土下料澆筑即可開始一期通水冷卻,冷卻時(shí)間20 d,水溫13 ℃,流量1.5 m3/h,每24 h改變一次通水方向。上下游表面混凝土采取表面保溫措施,鋪設(shè)5 cm厚的保溫板,倉面采用保溫措施,表面放熱系數(shù)β取值為15 kJ/(m2·h·℃)。

        方案2:高溫季節(jié)(7月)澆筑,其他同方案1。

        方案3:強(qiáng)約束區(qū)澆筑溫度18 ℃,其余措施同方案2。

        不同方案陡坡壩段內(nèi)部混凝土的溫度和順河向應(yīng)力峰值見表3。圖2為優(yōu)化方案3陡坡壩段中面溫度和順河向應(yīng)力包絡(luò)圖。圖3為不同方案陡坡壩段強(qiáng)約束區(qū)典型高程特征點(diǎn)溫度和應(yīng)力過程線。

        表3 不同方案陡坡壩段內(nèi)部混凝土溫度和順河向應(yīng)力

        圖2 大壩中面溫度和順河向應(yīng)力包絡(luò)圖(方案3)

        圖3 不同方案陡坡壩段強(qiáng)約束區(qū)典型高程特征點(diǎn)溫度和應(yīng)力過程線

        由表3和圖2—3可得出:

        1)方案1陡坡壩段計(jì)劃方案為冬季澆筑方案,在擬定溫控措施和方案條件下,壩體強(qiáng)約束區(qū)碾壓混凝土最高溫度25.36 ℃,順河向最大拉應(yīng)力1.26 MPa,抗裂安全系數(shù)超過2.0。

        2)方案2為夏季澆筑方案,在擬定溫控措施和方案條件下,壩體強(qiáng)約束區(qū)碾壓混凝土最高溫度26.29 ℃,順河向最大拉應(yīng)力1.41 MPa,抗裂安全系數(shù)1.99。

        方案2澆筑時(shí)間比方案1澆筑時(shí)間推遲了5個(gè)多月,由冬季澆筑變成夏季高溫季節(jié)澆筑,計(jì)算結(jié)果顯示,由于澆筑時(shí)間由冬季變?yōu)榱讼募?,環(huán)境氣溫較高,壩體強(qiáng)約束區(qū)碾壓混凝土最高溫度升高0.93 ℃,混凝土溫度應(yīng)力增大0.15 MPa,抗裂安全系數(shù)稍有減小,但依然超過1.90。

        3)方案3在方案2的基礎(chǔ)上,強(qiáng)約束區(qū)提高澆筑溫度2 ℃,計(jì)算結(jié)果顯示,壩體強(qiáng)約束區(qū)碾壓混凝土最高溫度27.59 ℃,順河向最大拉應(yīng)力1.59 MPa,抗裂安全系數(shù)1.76。

        與方案2相比,方案3澆筑溫度提高2 ℃,壩體強(qiáng)約束區(qū)碾壓混凝土最高溫度升高1.3 ℃,混凝土溫度應(yīng)力增大0.18 MPa,抗裂安全系數(shù)1.76。方案3可以作為夏季高溫季節(jié)陡坡壩段推薦澆筑方案。

        3 運(yùn)行期溫度應(yīng)力仿真分析

        3.1 計(jì)算工況

        抽水蓄能電站大壩典型的特點(diǎn)是水位變幅大。周寧抽水畜能電站大壩的水位最大日變幅達(dá)到37 m,研究水位變化條件對(duì)壩體溫度和應(yīng)力的影響很有必要。該工程正常蓄水位299 m,死水位262 m,陡坡壩段水位變化區(qū)域如圖4所示。

        圖4 陡坡壩段水位變化區(qū)域示意圖

        3.2 變化水位下混凝土溫度和應(yīng)力分析

        1)變化水位下混凝土表面點(diǎn)溫度和應(yīng)力日變化最大值見表4。由表4可以看出,考慮37 m的變化水位時(shí),混凝土表面溫度日變化值為1.44 ℃,橫河向應(yīng)力日變化值為0.21 MPa;當(dāng)水位固定時(shí),混凝土的表面溫度受庫水溫的影響,基本無變化,橫河向應(yīng)力變化也很小。

        表4 變化水位下溫度和應(yīng)力日變化最大值(表面點(diǎn))

        2)不同高程混凝土表面點(diǎn)的溫度和應(yīng)力過程線如圖5—7所示。由圖5—7得出,變化水位區(qū)的混凝土溫度和應(yīng)力隨著水位的變化而變化。正常蓄水位時(shí),水位以下的混凝土表面溫度等于庫水溫;死水位時(shí),水位以上的混凝土表面溫度值基本介于氣溫與水溫之間。

        圖5 高程271.0 m混凝土表面點(diǎn)溫度和應(yīng)力過程線

        圖6 高程280.5 m混凝土表面點(diǎn)溫度和應(yīng)力過程線

        圖7 高程290.0 m混凝土表面點(diǎn)溫度和應(yīng)力過程線

        3)水位的變化局限于壩體上部,而壩體最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力位于壩體下部,因此水位的變化所引起的溫度應(yīng)力變化,對(duì)壩體最大應(yīng)力的影響有限。變化水位時(shí)混凝土內(nèi)部點(diǎn)的溫度和順河向應(yīng)力過程線如圖8所示。由圖8可以看出,變化水位時(shí),混凝土內(nèi)部的溫度日變化值很小,約束區(qū)混凝土內(nèi)部的應(yīng)力日變化值隨著高程的增加而增大。

        圖8 變化水位時(shí)混凝土內(nèi)部點(diǎn)溫度和順河向應(yīng)力過程線

        4 結(jié)論

        1)根據(jù)施工期溫控方案優(yōu)選,推薦高溫季節(jié)澆筑的陡坡壩段澆筑溫度為18 ℃,最高溫度控制在28 ℃左右,抗裂安全系數(shù)達(dá)到1.76,可以滿足防裂需求。

        2)變化水位區(qū)的混凝土表面溫度日變化值為1.44 ℃,橫河向應(yīng)力日變化為0.21 MPa。

        3)變化水位區(qū)的混凝土溫度和應(yīng)力隨著水位的變化而變化。正常蓄水位時(shí),水位以下的混凝土表面溫度等于庫水溫;死水位時(shí),水位以上的混凝土表面溫度基本介于氣溫與水溫之間。

        4)水位的變化局限于壩體上部,而壩體最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力位于壩體下部,因此水位的變化所引起的溫度應(yīng)力變化,對(duì)壩體最大應(yīng)力的影響有限。

        5)本文中氣溫變化考慮的是日平均氣溫變化,沒有考慮到晝夜溫差影響,實(shí)際水位變化導(dǎo)致的應(yīng)力會(huì)更大。

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