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        黃金峽水利樞紐表孔壩段混凝土溫控仿真分析

        2021-12-03 11:34:20谷振東
        水利規(guī)劃與設(shè)計 2021年12期
        關(guān)鍵詞:混凝土

        谷振東

        (陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司,陜西 西安 710011)

        1 概述

        我國混凝土壩在高溫時段混凝土澆筑和低溫季節(jié)防裂技術(shù)等方面取得了巨大成就,在實(shí)踐中積累了寶貴的研究成果,有很多大壩僅出現(xiàn)細(xì)微裂縫,甚至無裂縫,大壩耐久性和安全性大大提高,也推進(jìn)了混凝土溫控理論、計算軟件、智能儀器和施工技術(shù)的發(fā)展。采用計算機(jī)模擬仿真大體積碾壓混凝土的施工過程,分析溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響程度和作用歷程,為施工現(xiàn)場做出溫控防裂措施選擇與施工方案決策提供科學(xué)指導(dǎo)。

        2 工程概況

        引漢濟(jì)渭工程是陜西省規(guī)模最大的全局性、基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性水資源調(diào)配工程,從漢江流域調(diào)水至渭河流域的關(guān)中地區(qū),以解決關(guān)中地區(qū)水資源短缺,促進(jìn)陜西省內(nèi)水資源優(yōu)化配置,改善渭河流域生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)關(guān)中地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大型跨流域水利工程。其中調(diào)水工程由黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐和秦嶺輸水隧洞3部分組成。黃金峽水利樞紐是引漢濟(jì)渭工程的主水源地,年調(diào)水量10億m3,是引漢濟(jì)渭工程的龍頭樞紐工程。黃金峽水利樞紐由擋水建筑物、泄水建筑物、泵站電站建筑物、通航建筑物及過魚建筑物等部分組成,主河槽布置混凝土溢流壩段,其左側(cè)布置泄洪沖砂底孔壩段,左岸聯(lián)合布置泵站、電站壩段及壩后泵站廠房和電站廠房,其余布置混凝土擋水壩段?;炷烈缌鲏味挝挥谟野?,結(jié)構(gòu)為碾壓混凝土重力壩,布置有5個溢流表孔,混凝土量約25萬m3。

        為防止產(chǎn)生裂縫,采用較高的設(shè)計溫控標(biāo)準(zhǔn),各澆筑倉塊允許最高溫度見表1。

        表1 澆筑塊設(shè)計允許最高溫度 單位:℃

        混凝土溫度應(yīng)力的控制標(biāo)準(zhǔn)采用綜合安全系數(shù)法,根據(jù)表孔壩段的特點(diǎn),綜合安全系數(shù)采用1.5,經(jīng)計算,施工期混凝土允許拉應(yīng)力值見表2。

        表2 混凝土允許抗拉強(qiáng)度取值 單位:MPa

        3 計算模型

        黃金峽水利樞紐表孔壩段中間墩段寬21.0m,兩側(cè)壩段寬30.0m,中墩厚5.0 m,邊墩厚5.5m,壩段建基面高程為392.0m,壩段寬度為102.0m,最大壩高63.0m,堰頂高程為425m,底部順流向長度為46.05m,下游接消力戽及護(hù)坦。表孔壩段EL414.5m以下是碾壓混凝土溫控重點(diǎn),共4個壩段,分8層澆筑。10#、11#壩段通倉施工,12#、13#壩段通倉施工。計算模型模擬部分基巖,在上下游方向、深度方向各模擬1倍壩高,模型共劃分68480個單元,61446個結(jié)點(diǎn)。模型按整體建模、分部分期計算,本次研究的重點(diǎn)部位不含基礎(chǔ)、消力戽及護(hù)坦。

        環(huán)境溫度根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)測數(shù)據(jù),部分進(jìn)行合理修正,材料熱學(xué)、力學(xué)性能參數(shù)根據(jù)規(guī)范、試驗(yàn)數(shù)據(jù)成果及相關(guān)文獻(xiàn)確定,絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

        圖1 C9020W6F100碾壓混凝土

        溫度場計算中,基礎(chǔ)各側(cè)面、底面取絕熱邊界?;炷僚c氣溫接觸的邊界,按第三類邊界條件處理。汛期水面以下部位取為水溫邊界,其它時間取為氣溫邊界。應(yīng)力計算中,基礎(chǔ)左右兩側(cè)面、基礎(chǔ)下游面取法向約束,基礎(chǔ)底面取三向約束?;鶐r初溫定為14.6℃?;炷翝仓r的澆筑溫度作為初始溫度。

        根據(jù)施工計劃,2021年1月,基坑完成開挖,開始澆筑混凝土,2021年汛前,壩體澆筑至414.5m,完成消力戽及護(hù)坦混凝土澆筑,汛期為過水通道,汛后繼續(xù)澆筑;2022年汛前,全線上升至446.0m高程,汛期由表孔泄流度汛,汛后壩體繼續(xù)澆筑,2022年7月底,溢流壩段全線澆筑至壩頂高程455m。初定澆筑溫度見表3。

        表3 各月混凝土初定澆筑溫度 單位:℃

        溫控措施為冷卻水管及保溫。冷卻水管在混凝土內(nèi)按蛇形并垂直水流方向布置,布置間距為2.0m×1.5m(水平間距×垂直間距),預(yù)埋冷卻水管不跨越收縮縫,埋設(shè)時距上游壩面2.0~2.5m、距下游壩面2.5~3.0m,水管距接縫面、壩內(nèi)孔洞周邊1.0~1.5m。每2個壩段的冷卻水管引至下游面,引出的水管排列有序,作好標(biāo)記記錄,并對管口妥善保護(hù),防止堵塞。

        4 結(jié)果與分析

        4.1 壩體混凝土結(jié)構(gòu)溫度分布

        針對施工仿真中溫度作用的影響,設(shè)定邊界及初始條件,澆筑溫度取為擬定澆筑溫度,通水水溫取為12℃,通水流量取為1.0m3/h,未進(jìn)行表面保溫。分工況施加載荷,進(jìn)行壩體混凝土施工期瞬態(tài)溫度場及溫度應(yīng)力仿真計算分析,全面研究施工期壩體混凝土溫度場和應(yīng)力場的時空分布規(guī)律。計算成果主要采用表格、包絡(luò)圖等值線、過程線等方式給出。

        2021年汛期過水前,混凝土澆筑高程414.5m,計算第10天結(jié)構(gòu)對稱面溫度分布,如圖2所示。墊層部位混凝土溫度在18.2~19.9℃,碾壓混凝土中間部位溫度在25.9℃左右,上部混凝土因?yàn)閯倓倽仓?,最高溫度?8.3℃左右,下游側(cè)混凝土由于絕熱溫升值相對較高,最高溫度達(dá)到33.5℃。第180天時對稱面溫度分布如圖3所示。結(jié)構(gòu)表面溫度較低,內(nèi)部溫度較高,下部溫度在19.2~22.5℃之間,中上部壩體混凝土溫度相對較高,內(nèi)部最高溫度約為27.5℃。

        圖2 第10天壩體對稱面溫度分布(單位:℃)

        圖3 第180天時對稱面溫度分布(單位:℃)

        混凝土內(nèi)部大部分區(qū)域溫度峰值基本滿足設(shè)計允許最高溫度。根據(jù)壩體埋設(shè)的溫度計實(shí)測數(shù)據(jù),表孔10#、11#壩段最高溫度為30.5℃,部位為高程EL409.5m中部,該處冷卻水管出水最高溫度29.5℃;表孔12#、13#壩段最高溫度為29.8℃,部位為高程EL408.0m中部,冷卻水管出水最高溫度27.1℃。實(shí)測的溫度分布規(guī)律和數(shù)據(jù)與模型計算結(jié)果基本相符。

        4.2 溫度歷程

        特征點(diǎn)溫度歷程如圖4所示。第一層為墊層混凝土,澆筑溫度為11.2℃,第3天溫度達(dá)到最大值21.3℃,由于通水作用,溫度降至15.2℃,之后由于上層混凝土的澆筑,溫度有所回升,最高值為19.3℃,而后緩慢下降,直至準(zhǔn)穩(wěn)定溫度15.4℃左右。第四層中心高程為401m,溫度變化規(guī)律與第一層混凝土內(nèi)部點(diǎn)一致,澆筑溫度為18℃,最高溫度為26.6℃,降溫過程較為緩慢,后期準(zhǔn)穩(wěn)定溫度變?yōu)?5.4℃。第八層混凝土中心高程為413m,澆筑溫度為21℃,澆筑4d后達(dá)到最高溫度29.37℃,通水冷卻使其降溫至26.6℃,之后受外界溫度影響,出現(xiàn)升降變化,2021年底,該處溫度約為12.4℃,此后由于上層混凝土的澆筑,溫度明顯回升至20.5℃,后期該處溫度逐漸下降,隨外界溫度變化有小的波動。

        圖4 特征點(diǎn)溫度歷程(局部)

        溫度歷程可得出初期通水效果是混凝土溫控的關(guān)鍵。根據(jù)混凝土施工進(jìn)度安排,4—10月最大月強(qiáng)度約6.5萬 m3,結(jié)合壩址處氣候條件,初期通水采用制冷水進(jìn)行降溫。測算初期冷卻所需最大通水強(qiáng)度為78m3/h,配備3臺移動式冷水站,2臺運(yùn)行,1臺備用,單臺制冷容量為45萬 kcal,標(biāo)準(zhǔn)工況制冷水能力為約85m3/h,滿足初期制冷水需求。冷卻水管鋪設(shè)好后即開始通水 0.2MPa 壓力水進(jìn)行檢查與平壓。初期通水控制混凝土溫度與水溫之差不超過 25℃,通水水溫為 10~12℃制冷水,通水時間實(shí)測確定10~15 d;每 24 h改變1次水流方向,冷卻時混凝土日降溫幅度不超過 1℃。中期、二期冷卻主要利用河水進(jìn)行冷卻,必要時采用制冷水補(bǔ)充。

        4.3 混凝土溫度應(yīng)力分布

        (1)混凝土剛澆筑完畢時,對稱面各向應(yīng)力均較小,順流向應(yīng)力、橫流向應(yīng)力基本在0.5MPa以下。下游側(cè)結(jié)構(gòu)混凝土部位應(yīng)力相對較大,順流向應(yīng)力、橫流向應(yīng)力最大值分別為0.77、1.24MPa,主要是因?yàn)樵摬课唤^熱溫升值較高,溫度峰值較高,降溫幅度較大所致。

        (2)第180天時順流向較大應(yīng)力出現(xiàn)在414.5m高程,最大應(yīng)力達(dá)到2.60MPa,其它區(qū)域應(yīng)力較小,橫流向較大應(yīng)力主要出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)周邊部位,其中上游面、下游面、頂面附近最大應(yīng)力分別為1.15、1.80、1.48MPa,結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力相對較小。

        (3)最大應(yīng)力分布以整個表孔溢流堰為計算模型。順流向應(yīng)力,碾壓混凝土內(nèi)部應(yīng)力較小,最大應(yīng)力約為1.07MPa,高程414.5m區(qū)域應(yīng)力較大,最大值達(dá)到2.72MPa,堰頂部以下部位最大應(yīng)力達(dá)到1.34MPa。橫流向應(yīng)力,碾壓混凝土內(nèi)部應(yīng)力較小,較大值出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)周邊及高程414.5m處。上游面、下游面、堰頂下部最大應(yīng)力分別達(dá)到1.82、2.27、2.27MPa。應(yīng)力超標(biāo)主要由外界年氣溫變化引起,應(yīng)采取一定的溫控防裂措施。

        高溫季節(jié)施工是溫控工作的重點(diǎn),要降低混凝土出機(jī)口溫度,減少運(yùn)輸途中及倉面的溫度回升和溫度倒灌,混凝土運(yùn)輸車輛頂部搭設(shè)活動遮陽蓬,車廂兩側(cè)設(shè)保溫層,增大冷卻通水流量至1.5m3/h,表面采用灑水噴霧降溫等措施,減小壩體混凝土溫升峰值,減小后期應(yīng)力?;炷脸跗趦?nèi)外溫差較大的情況下,及時進(jìn)行適度表面保溫,減小開裂風(fēng)險。

        4.4 特征點(diǎn)應(yīng)力歷程

        圖5為對稱面高程(高程392.8、401.0、413.0、414.5m)特征點(diǎn)順流向、橫流向應(yīng)力歷時過程。下部高程特征點(diǎn)整個歷時過程應(yīng)力較小,后期隨氣溫年變化呈波動狀態(tài)。順流向應(yīng)力,第一層混凝土中間部位通水結(jié)束時應(yīng)力達(dá)到0.50MPa。第四層中間部位初期應(yīng)力較小,后期應(yīng)力穩(wěn)定在0.5MPa左右,第八層混凝土表面應(yīng)力較大,最大值達(dá)到3.0MPa,層中間部位應(yīng)力達(dá)到1.83MPa,主要是因?yàn)榇瞬课粸殚L間歇期,受年氣溫變化影響,表面附近出現(xiàn)較大的應(yīng)力,后期由于上層混凝土的澆筑,應(yīng)力有明顯減小。橫流向應(yīng)力變化規(guī)律與順流向應(yīng)力一致,第八層混凝土表面初期應(yīng)力達(dá)到2.15MPa,后期應(yīng)力較小。

        圖5 各高程特征點(diǎn)順流向、橫流向應(yīng)力歷程

        根據(jù)施工進(jìn)度安排,在2021年汛期,高程414.5m臨時過流面過水,由于過流水溫度與氣溫比較接近,甚至略高于氣溫,因此表面附近溫度變化較小,也沒有在表面附近產(chǎn)生較大的應(yīng)力變化,過流不會對表面附近混凝土應(yīng)力產(chǎn)生較大的影響。2021年汛后因基坑清理,表孔壩段未立即往上澆筑,高程414.5m層面祼露,在年溫變化影響下,混凝土表面產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

        5 結(jié)論及建議

        (1)各層混凝土一般在澆筑后3~5d達(dá)到最高溫度,通水冷卻作用下,溫度降低,通水冷卻后溫度仍有部分小幅回升,后期隨外界溫度變化有小的波動。

        (2)碾壓混凝土薄層連續(xù)澆筑,水泥用量少、水化熱小,施工中采取混凝土出機(jī)口溫度、運(yùn)輸保溫、合理分層分塊、澆筑溫度控制、通水冷卻、混凝土外保溫及表面養(yǎng)護(hù)等綜合溫控措施,內(nèi)部順流向、橫流向應(yīng)力均較小。

        (3)高程414.5m臨時過流面部位受當(dāng)?shù)啬隁鉁刈兓绊戄^大,在低溫季節(jié)混凝土出現(xiàn)最大拉應(yīng)力超標(biāo),易引起開裂。因此,該層面除采取必要的溫控防裂措施,在氣溫驟降期間加強(qiáng)表面保溫,兩側(cè)采用2cm厚聚乙烯泡沫板,表面采用保溫棉被覆蓋,以防止寒潮引發(fā)溫度裂縫。建議調(diào)整施工方案,汛后同步推進(jìn)消力戽及護(hù)坦基坑清理和表孔上部混凝土澆筑,及時澆筑混凝土覆蓋臨時過流面,澆筑時嚴(yán)格控制上、下層混凝土澆筑溫差,在下層混凝土內(nèi)部溫度測值的基礎(chǔ)上逐層計算混凝土內(nèi)部溫度控制目標(biāo)值,避免壩體層間溫度應(yīng)力集中產(chǎn)生水平裂縫。

        (4)混凝土溫度是一個動態(tài)變化的過程,各環(huán)境變量對混凝土溫控有不同程度的敏感性,施工過程中加強(qiáng)特征部位溫度監(jiān)測數(shù)據(jù),根據(jù)環(huán)境和溫度變化調(diào)整混凝土的溫控措施。后序針對不同時段、不同部位混凝土有針對性地采用不同溫控組合措施,計算不同溫控方案溫控效果,以便更清楚地反映各方案的優(yōu)劣,方便做出溫控優(yōu)化與施工比選。

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