聶軍洲

(金中天水利建設(shè)有限公司，廣州 510700)

1 概 述

在水利工程大壩的修建過程中，通?；炷恋目估瓘?qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，如果混凝土處于溫度變化比較大的環(huán)境中，容易導(dǎo)致溫差產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，產(chǎn)生比較嚴(yán)重的拉裂縫，從而給水利工程的建設(shè)和運(yùn)營帶來較大的影響。華龍海[1]基于數(shù)值模擬方法，研究大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生原因，并進(jìn)一步給出了相應(yīng)的溫控措施。李黎[2]研究大體積混凝土溫度裂縫擴(kuò)展機(jī)理，著重分析大體積混凝土裂縫形成和擴(kuò)展原因，指出目前控制措施的不足，并給出了合理優(yōu)化措施。徐萬富[3]依托景洪水電站大壩，研究大體積混凝土在高溫下裂縫的成因，給出了對(duì)應(yīng)措施。尹向偉[4]研究了芷江蟒塘溪水利水電樞紐工程大壩MgO混凝土其中一條裂縫的擴(kuò)展規(guī)律，結(jié)果表明采用聯(lián)合控溫手段對(duì)于控制混凝土裂縫最為有效。吳長鋒[5]的研究結(jié)果表明，控制混凝土溫度和約束條件可以有效減緩混凝土開裂。袁葳等[6]基于有限元法開展了施工期溫度對(duì)混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力仿真，結(jié)果表明進(jìn)水口流道混凝土是最容易開裂的部位，并給出了具體防護(hù)建議。翟洪波和汪永劍[7]基于現(xiàn)場觀測，研究了混凝土的配合比對(duì)混凝土裂縫的影響，結(jié)果表明優(yōu)化的混凝土配合比的防裂效果較好。周廷清[8]等基于高原地區(qū)水電站大壩混凝土裂縫擴(kuò)展情況，研究了海拔、平均氣溫以及太陽輻射強(qiáng)烈對(duì)混凝土開裂性能的影響，并提出優(yōu)化措施，研究結(jié)果對(duì)大體積混凝土的抗裂性能具有重要意義。

基于以上研究，本文以某水電為例開展數(shù)值模擬，探討溫度控制下混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，給出減輕混凝土開裂措施的方法。研究成果對(duì)大壩大體積混凝土順利施工和安全運(yùn)行具有重要意義。

2 工程概況

研究區(qū)水電工程位于廣東省，是當(dāng)?shù)刂匾乃麡屑~設(shè)施，對(duì)于解決當(dāng)?shù)仉娏?yīng)和減小環(huán)境污染具有重要意義。該水電站大壩主要包括攔河壩以及溢洪道。壩體為典型的重力式大壩，混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C30澆筑，設(shè)計(jì)高度為34.4 m，頂寬7.0 m，坡比約1∶0.7。其中，擋水壩高程116.0 m，上下游設(shè)計(jì)水位分別為147.5和125.6 m。大壩設(shè)計(jì)庫容為3 664×103m3，裝機(jī)容量9 600 kW?；趬误w主要組成為混凝土結(jié)構(gòu)，在澆筑大壩過程中難免會(huì)產(chǎn)生水化熱，導(dǎo)致溫度升高，并產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力。

3 數(shù)值有限元模型

3.1 模型建立

基于大型通用有限元軟件開展模型構(gòu)建。該軟件是目前國內(nèi)外進(jìn)行有限元數(shù)值模擬的主流商業(yè)軟件，具有三維設(shè)計(jì)、擴(kuò)展建模、流體力學(xué)、動(dòng)力學(xué)響應(yīng)仿真分析的強(qiáng)大功能。通常只需在軟件中建模完成后，在對(duì)各材料進(jìn)行參數(shù)賦值即可實(shí)現(xiàn)多工況的數(shù)值計(jì)算，具有很強(qiáng)的適用性。本文模型中，首先考慮大壩澆筑屬于典型的分段澆筑方式，因此模型假設(shè)各個(gè)壩段彼此獨(dú)立。為了進(jìn)一步減小計(jì)算工作量，本文建模僅對(duì)典型的1#壩段進(jìn)行建模計(jì)算,最終建立的模型長度為19 m，寬度19 m，壩高2.5 m。建模分為上下兩層，頂層為厚度1.5 m的混凝土，底層為厚1.0 m的混凝土，上下兩層混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C3。為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，適當(dāng)對(duì)模型進(jìn)行擴(kuò)大，擴(kuò)大方式為向下取10 m。模型的X軸定義為指向右岸，Y軸為水流的方向，Z軸定義向上。

根據(jù)目前的研究，本文計(jì)算采用經(jīng)典的鄧肯模型，材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系假定為線彈性。模型共24 925個(gè)網(wǎng)格，26 568個(gè)節(jié)點(diǎn)。材料屬性以及熱力學(xué)參數(shù)見表1。

3.2 邊界條件和計(jì)算參數(shù)

本文數(shù)值模擬中，地基的各個(gè)側(cè)面采用法向位移約束，底面約束3個(gè)方向的位移。計(jì)算溫度邊界采用混凝土表面溫度升高2℃，混凝土澆筑入倉溫度增加2℃。大壩主體混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，根據(jù)前人對(duì)不同齡期混凝土的研究，本文給出數(shù)值模擬計(jì)算中混凝土不同養(yǎng)護(hù)齡期的材料參數(shù)，見表1。

表1 材料參數(shù)與熱學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算工況

已有相關(guān)研究表明，大體積混凝土在澆筑工程中，混凝土內(nèi)部最高溫度等于入倉溫度與升溫之和。因此可以看出，如果入倉溫度過高可能導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度急劇增大，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，增加混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)[9-11]。進(jìn)一步表明，低溫入倉的方式可有效防治混凝土開裂。但盲目降低混凝土入倉溫度可能會(huì)導(dǎo)致上層混凝土的溫度明顯低于下部混凝土，入倉過程中上層混凝土?xí)?duì)下層混凝土產(chǎn)生冷沖擊效應(yīng)，從而造成混凝土開裂?；谝陨涎芯浚疚臄?shù)值模擬選取不同的外界環(huán)境溫度和入倉溫度作為研究溫度，匯總得到的計(jì)算工況見表2。

表2 入倉溫度計(jì)算工況

此外，考慮到混凝土溫度裂縫主要發(fā)生在混凝土表面，且發(fā)生的階段主要是在澆筑初期。這些裂縫如果不進(jìn)一步擴(kuò)展，通常不會(huì)對(duì)大壩的質(zhì)量產(chǎn)生影響。但在外荷載的影響下，裂縫可能進(jìn)一步擴(kuò)展延伸形成深層貫通性裂縫，因此需進(jìn)一步采取措施進(jìn)行控制。研究表明，溫控成為最為有效的手段。因此本文在采取溫控措施時(shí)，考慮不同材料及不同保溫措施進(jìn)行計(jì)算。見表3。

表3 保溫措施計(jì)算工況設(shè)計(jì)

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 入倉溫度計(jì)算結(jié)果

模擬不同入倉溫度對(duì)混凝土內(nèi)部的第一和第三主應(yīng)力影響，并提取最大值，見表4和圖1。

圖1 不同工況下溫度和應(yīng)力最大值

表4 不同工況下溫度和應(yīng)力最大值

表4表明，對(duì)于A1-A4工況，外界溫度均為15℃，而入倉溫度分別為0℃、5℃、10℃和15℃，該工況下對(duì)應(yīng)的第一主應(yīng)力值分別為0.05、0.08、0.72和1.36 MPa, 對(duì)應(yīng)的第三主應(yīng)力值分別為-3.13、-2.05、-1.62和-1.21 MPa，第一主應(yīng)力隨入倉溫度值的增大而增大，而第三主應(yīng)力隨入倉溫度增大而減小。同理，可以得到其他工況下也存在類似的結(jié)果。

綜上分析可知，第一主應(yīng)力隨混凝土入倉溫度和環(huán)境溫差的增大而增加，而第三主應(yīng)力隨之減小。當(dāng)溫差小于5℃時(shí)，第一主應(yīng)力隨溫差的增大其增長幅度較小。而溫差大于5℃時(shí)，第一主應(yīng)力增長幅度比較明顯。由于混凝土裂縫主要是主拉應(yīng)力導(dǎo)致的，因此實(shí)際過程中需注意環(huán)境溫度的變化對(duì)混凝土開裂的影響，盡量將混凝土入倉溫度差和環(huán)境溫差控制在5℃以內(nèi)，以便控制后齡期混凝土溫度升高，而且可以有效控制澆筑過程中上層混凝土對(duì)下層混凝土的冷沖擊效應(yīng)。

4.2 表面保溫措施的計(jì)算結(jié)果

對(duì)不同表面溫控措施的混凝土內(nèi)部第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，并提取最大值，見表5和圖2。

表5 不同工況下溫度和應(yīng)力最大值(保溫措施)

圖2 不同工況下溫度和應(yīng)力最大值(保溫措施)

計(jì)算結(jié)果表明，無溫度控制措施的B1工況下，第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的值均為最大值，表明在不采取任何保溫措施時(shí)，混凝土有極大可能會(huì)開裂。采用不同厚度的竹膠進(jìn)行溫度控制時(shí)，效果明顯好于B1工況，第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力分別為1.32、1.0、0.74 MPa和-2.51、-2.46、-2.42 MPa。而采用聚乙烯泡沫保溫措施的效果最為明顯。此外，數(shù)值模擬結(jié)果表明，混凝土內(nèi)部所達(dá)到的最高溫度隨表面保溫措施的增強(qiáng)而變大。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因主要是由于保溫措施的施加對(duì)混凝土散熱不利所造成的。第三主應(yīng)力的結(jié)果表明，第三主應(yīng)力的最大值為2.5 MPa，而這一值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混凝土極限強(qiáng)度。B1、B2和B3這3種工況下第一主應(yīng)力的最大值超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度，表明混凝土產(chǎn)生了拉裂縫。而B4、B6和B7的第一主應(yīng)力最大值也接近混凝土極限抗拉強(qiáng)度。

綜合以上分析可知，B5的保溫措施對(duì)于控制混凝土的開裂最為有效。因此在實(shí)際工程中，采用聚乙烯泡沫進(jìn)行表面保溫最為有效，且厚度可取2 cm左右。采用該措施可以保證混凝土表面拉應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度，同時(shí)施工簡單，可有效控制造價(jià)。

5 結(jié) 論

采用數(shù)值模擬分析了大體積混凝土入倉溫度和保溫措施對(duì)混凝土內(nèi)部開裂性能的影響，結(jié)論如下：

1)當(dāng)入倉溫度和環(huán)境溫差小于5℃時(shí)，混凝土內(nèi)部的第一主應(yīng)力的最大值增加幅度比較有限；當(dāng)溫度差大于5℃，第一主應(yīng)力的最大值增長速率較大。因此，在實(shí)際應(yīng)用中建議將溫差控制在5℃之內(nèi)，以減小混凝土開裂的可能性。

2)表面保溫措施計(jì)算結(jié)果表明，采用2 cm聚乙烯泡沫板作為混凝土表面的保溫措施，可以有效保證混凝土表面拉應(yīng)力小于混凝土極限抗拉強(qiáng)度，減小混凝土由于溫度作用產(chǎn)生的拉裂縫。