王 麗，鄧 繼，徐純霞，朱耀軍，蔣夢(mèng)源，張紅石

（1.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇淮安 223005；2.漣水縣水利勘測(cè)設(shè)計(jì)室，江蘇淮安 223499；3.漣水縣水生態(tài)建設(shè)服務(wù)中心，江蘇淮安 223499；4.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京 210098；5.浙江省水文管理中心，浙江杭州 310009）

朱碼閘位于江蘇省漣水縣城北約5 km處的朱碼鎮(zhèn)北側(cè)，屬于鹽河干流梯級(jí)控制工程，具有排澇、蓄水灌溉和發(fā)電等功能。朱碼閘原建于1958年，朱碼閘上游河道長(zhǎng)約47 km，控制排澇面積191.5 km2，原設(shè)計(jì)過閘流量218 m3/s，運(yùn)行至今已60年之多。新建朱碼閘位于S235省道西側(cè)，閘室軸線與河道中心線正交，距離S235省道橋中心線約115.34 m。朱碼閘包括節(jié)制閘和水電站，節(jié)制閘和水電站采用分體式底板結(jié)構(gòu)布置，節(jié)制閘位于右岸，水電站位于左岸，正向進(jìn)、出水布置。左岸設(shè)檢修間、右岸設(shè)控制樓。

水電站的邊墩往往為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，其拉應(yīng)力主要來源于兩個(gè)方面［1-3］：一是施工期混凝土溫度變化等因素引起的殘余應(yīng)力；二是運(yùn)行期荷載。而目前常用的減小大體積混凝土拉應(yīng)力的方法主要是施工期溫度控制，但需要在混凝土內(nèi)布置非常密集的冷卻水管，對(duì)施工振搗等工作存在一定的不便影響。預(yù)應(yīng)力也是大體積薄壁結(jié)構(gòu)常用的減小運(yùn)行期拉應(yīng)力的重要方法，在橋梁、渡槽等大體積薄壁結(jié)構(gòu)中都有成功的應(yīng)用［4］，也有學(xué)者通過數(shù)值模擬對(duì)其在水閘中的作用進(jìn)行分析；陳堅(jiān)等［5-6］探究了軟基上水閘應(yīng)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)的可行性；沈旭鴻等［7］研究了在不同閘室結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力的加固作用；但在水閘、水電站工程中，尚未見預(yù)應(yīng)力技術(shù)在減少施工期溫度應(yīng)力上的應(yīng)用。本文在傳統(tǒng)溫控措施［8］的基礎(chǔ)上協(xié)同使用了預(yù)應(yīng)力措施，將兩者聯(lián)合運(yùn)用，從而更方便、有效地控制這種閘站結(jié)構(gòu)的施工期拉應(yīng)力。

1 計(jì)算參數(shù)和模型

1.1 基本參數(shù)和邊界條件

根據(jù)當(dāng)?shù)氐亩嗄隁鉁刭Y料，將多年月平均氣溫?cái)M合為一條余弦曲線：

式中：t為時(shí)間，月；Ta為月平均氣溫，℃。

參考類似工程的材料參數(shù)，取熱力學(xué)及力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

1.2 計(jì)算模型

鑒于朱碼閘水電站廠房結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，取一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，圖1中有限元模型共有單元69 277個(gè)，節(jié)點(diǎn)76 649個(gè)，含地基和樁。坐標(biāo)原點(diǎn)位置如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)總體有限元模型

圖2 半個(gè)廠房結(jié)構(gòu)有限元模型

溫度場(chǎng)仿真計(jì)算中，地基的四周和底面為絕熱邊界，上表面為散熱邊界。結(jié)構(gòu)對(duì)稱面為絕熱邊界，其他表面為散熱邊界。各倉(cāng)混凝土在不同齡期階段有木模板或保溫材料進(jìn)行保溫，一段時(shí)間后自由散熱。

為了觀察仿真計(jì)算的結(jié)果，選取了3個(gè)特征點(diǎn)，見表2、圖3。由于邊墩拉應(yīng)力較大易裂，取邊墩中心剖面為特征剖面，即x=0.6 m剖面。

表2 各特征點(diǎn)位置坐標(biāo)

圖3 特征點(diǎn)1～特征點(diǎn)3位置示意圖（x=0.6 m剖面）

本文計(jì)算了水電站結(jié)構(gòu)在春季澆筑并采用不同溫控措施和預(yù)應(yīng)力張拉荷載加載方案時(shí)的工況，各結(jié)構(gòu)的澆筑時(shí)間與澆筑溫度如表3所示。

表3 澆筑進(jìn)度

2 不同溫控與預(yù)應(yīng)力措施對(duì)防裂效果的影響

本研究共計(jì)算分析了基本工況和10個(gè)協(xié)同優(yōu)化工況，限于篇幅，僅介紹其中4個(gè)典型工況的結(jié)果，分別為：不施加任何防裂措施的基本工況；只施加預(yù)應(yīng)力措施的工況1；只施加溫控措施的工況2；同時(shí)施加預(yù)應(yīng)力措施與溫控措施的最優(yōu)工況。

2.1 基本工況的計(jì)算結(jié)果

基本工況模擬了未施加任何防裂措施情況下的施工期溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。由結(jié)構(gòu)的溫度包絡(luò)圖（圖4）與應(yīng)力包絡(luò)圖（圖5）可見，各倉(cāng)混凝土的最高溫度較高，且高溫時(shí)段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。這2個(gè)現(xiàn)象除了對(duì)本倉(cāng)混凝土的施工期拉應(yīng)力不利以外，還對(duì)其下部澆筑層產(chǎn)生較明顯的拉扯效應(yīng)。后期各倉(cāng)溫降幅度大則拉應(yīng)力增幅大，此外各倉(cāng)上部相鄰倉(cāng)的溫升幅度大且高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)亦導(dǎo)致其自身拉應(yīng)力增幅大。

圖4 基本工況邊墩中心的溫度包絡(luò)圖

圖5 基本工況邊墩中心的應(yīng)力包絡(luò)圖

選取應(yīng)力較大處的特征點(diǎn)2觀察其溫度歷時(shí)曲線（圖6）及應(yīng)力歷時(shí)曲線（圖7），該處的混凝土溫度與拉應(yīng)力在早齡期出現(xiàn)峰值，特征點(diǎn)最高溫度為49.6℃，最大拉應(yīng)力達(dá)到了4.22 MPa。可見底板和墩墻下部混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)貫穿性裂縫。特征點(diǎn)1與特征點(diǎn)3的應(yīng)力峰值同樣出現(xiàn)在早齡期，最高溫度分別為42.9℃與52.5℃，最大拉應(yīng)力分別為4.21 MPa與2.11 MPa。

圖6 基本工況特征點(diǎn)2的溫度歷時(shí)曲線

圖7 基本工況特征點(diǎn)2的應(yīng)力歷時(shí)曲線

2.2 預(yù)應(yīng)力措施對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

工況1在基本工況的基礎(chǔ)上施加預(yù)應(yīng)力，加載位置如圖8黑圓點(diǎn)所示。預(yù)應(yīng)力加在邊墩上，每個(gè)澆筑層加載6對(duì)荷載，加載時(shí)刻為各倉(cāng)混凝土14 d齡期，單節(jié)點(diǎn)上施加1 MN的張拉荷載。

圖8 工況1預(yù)應(yīng)力加載位置

該工況下，第三澆筑倉(cāng)受到預(yù)應(yīng)力的明顯影響（圖9）；特征點(diǎn)2的最大拉應(yīng)力為3.60 MPa，下降了0.62 MPa（圖10）；特征點(diǎn)3的最大拉應(yīng)力為1.61 MPa，下降了0.50 MPa。第一倉(cāng)混凝土未施加預(yù)應(yīng)力，特征點(diǎn)1未受到影響。由于預(yù)應(yīng)力會(huì)彌散到相鄰混凝土澆筑層中，因此實(shí)際本層應(yīng)力降幅會(huì)明顯低于“預(yù)應(yīng)力荷載/本層混凝土橫截面面積”。

圖9 工況1邊墩中心的應(yīng)力包絡(luò)圖

圖10 工況1特征點(diǎn)2應(yīng)力歷時(shí)曲線

2.3 通水冷卻對(duì)結(jié)構(gòu)施工期拉應(yīng)力的影響

工況2在基本工況的基礎(chǔ)上，對(duì)第二、三、四倉(cāng)混凝土削峰7℃，通水10 d，溫降速率1℃/d。

該工況下，對(duì)第二、三、四倉(cāng)混凝土最高溫度下降約10℃（圖11）；特征點(diǎn)1的最大拉應(yīng)力為4.15 MPa，下降了0.06 MPa；特征點(diǎn)2的最高溫度為45.2℃，下降了4.6℃，最大拉應(yīng)力為3.65 MPa，下降了0.57 MPa（圖13）；特征點(diǎn)3的最高溫度為48.3℃，下降了4.2℃，最大拉應(yīng)力為1.85 MPa，下降了0.26 MPa。通水冷卻措施能使前兩倉(cāng)混凝土的拉應(yīng)力明顯下降，但第三倉(cāng)混凝土的應(yīng)下降不明顯，仍有大部分部位拉應(yīng)力超過3 MPa（圖12）。

圖11 工況2邊墩中心溫度包絡(luò)圖

圖12 工況2邊墩中心應(yīng)力包絡(luò)圖

圖13 工況2特征點(diǎn)2應(yīng)力歷時(shí)曲線

2.4 最優(yōu)工況

在經(jīng)歷了多個(gè)協(xié)同施加不同預(yù)應(yīng)力措施與溫控措施的優(yōu)化工況后，得到最優(yōu)工況：工況10。該工況中，預(yù)應(yīng)力荷載加載位置如圖14黑點(diǎn)所示，只加在邊墩下部澆筑塊上，加載10對(duì)荷載，加載時(shí)刻為各倉(cāng)混凝土14 d齡期，單節(jié)點(diǎn)上施加1 MN的張拉荷載。溫控措施為：對(duì)第一倉(cāng)混凝土削峰7℃，通水13 d，溫降速率3℃/d；對(duì)第二、四倉(cāng)混凝土削峰7℃，通水8 d，溫降速率3℃/d；對(duì)第三倉(cāng)混凝土削峰15℃，通水8 d，溫降速率3℃/d。

圖14 工況10預(yù)應(yīng)力加載位置

該工況下，結(jié)構(gòu)的最高溫度有所下降（圖15），且最大拉應(yīng)力低于3 MPa（圖16）。原本應(yīng)力較大處的特征點(diǎn)2最高溫度為39.7℃（圖17），最大拉應(yīng)力為2.64 MPa（圖18），已處于安全狀態(tài)；特征點(diǎn)1的最高溫度為36.8℃，最大拉應(yīng)力為1.86 MPa；特征點(diǎn)3的最高溫度為47.8℃，最大拉應(yīng)力為2.12 MPa。從經(jīng)濟(jì)性和安全性綜合考慮，本工況為相對(duì)最優(yōu)工況。

圖15 工況10x=0.6 m溫度包絡(luò)圖

圖16 工況10x=0.6 m應(yīng)力包絡(luò)圖

圖17 工況10特征點(diǎn)2早齡期溫度歷時(shí)曲線

圖18 工況10特征點(diǎn)2應(yīng)力歷時(shí)曲線

該工況的防裂措施在該工程2021年春季的實(shí)際施工過程中采用后，截至2022年春季，底板和邊墩未發(fā)現(xiàn)可見裂縫。

3 結(jié)論

（1）由于預(yù)應(yīng)力會(huì)彌散到相鄰混凝土澆筑層中，因此對(duì)于施加預(yù)應(yīng)力荷載的澆筑層而言，本層拉應(yīng)力降幅會(huì)明顯低于“預(yù)應(yīng)力荷載/本層混凝土橫截面面積”。

（2）單獨(dú)采用預(yù)應(yīng)力來防裂需要單點(diǎn)施加很大的荷載，可能會(huì)壓碎局部混凝土；單獨(dú)采用溫控措施則需要密集布置的冷卻水管，影響振搗。當(dāng)溫控措施與預(yù)應(yīng)力措施協(xié)同發(fā)揮作用時(shí)，效果更好。本工程中先對(duì)各倉(cāng)采用溫控措施控制溫度峰值和高溫時(shí)段時(shí)長(zhǎng)，然后對(duì)第三倉(cāng)施加預(yù)應(yīng)力，效果相對(duì)最優(yōu)。

（3）如果混凝土溫降階段的冷卻水流量太小則溫降速率太小，高溫時(shí)段偏長(zhǎng)，對(duì)本倉(cāng)和本倉(cāng)下部澆筑塊的拉應(yīng)力都不利。但如果溫降階段的冷卻水流量太大，導(dǎo)致溫降過快，拉應(yīng)力增速過快，也會(huì)使得早齡期抗拉強(qiáng)度較小時(shí)，拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度。因此，溫降速率應(yīng)該控制在合適的范圍內(nèi)。