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        航運(yùn)樞紐工程泄水閘大體積混凝土澆筑分層工藝參數(shù)優(yōu)化探討

        2023-05-09 07:23:45宣俊旭
        西部交通科技 2023年12期

        宣俊旭

        摘要:文章以平陸運(yùn)河青年樞紐項(xiàng)目為依托,選取泄水閘底板為主要研究對(duì)象,基于理論計(jì)算和施工配合比分析,使用有限元模擬分析軟件建立泄水閘底板模型并進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬。通過構(gòu)建的泄水閘底板仿真模型,設(shè)置上下層不同澆筑時(shí)間間隔、不同分層厚度兩種工況,進(jìn)行底板開裂風(fēng)險(xiǎn)仿真分析,進(jìn)而探討泄水閘大體積混凝土澆筑分層工藝參數(shù)優(yōu)化策略,為泄水閘建設(shè)工程中大體積混凝土澆筑工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。

        關(guān)鍵詞:大體積混凝土;分層厚度;澆筑間隔時(shí)間;約束應(yīng)力;抗裂安全系數(shù)

        中圖分類號(hào):U615.4 A 12 031 5

        0 引言

        水利工程在現(xiàn)代社會(huì)中扮演著重要的角色,對(duì)水資源的調(diào)控和防洪抗災(zāi)具有不可替代的意義[1]。泄水閘作為水利工程的重要組成部分,承擔(dān)著調(diào)節(jié)水流、防洪排澇的重要職責(zé)[2]。在泄水閘主體建設(shè)中,大體積混凝土澆筑是一項(xiàng)關(guān)鍵工藝,其質(zhì)量和穩(wěn)定性直接影響工程的安全運(yùn)行。

        隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展,對(duì)于水利工程建設(shè)的要求越來越高。傳統(tǒng)的混凝土澆筑方法難以滿足大體積混凝土結(jié)構(gòu)的施工需求,因此分層澆筑成為一種重要的施工方法[3-5]。通過分層澆筑,可以控制混凝土的溫度,減少溫度裂縫的產(chǎn)生,提高混凝土的整體性能。而分層厚度和澆筑時(shí)間間隔作為分層工藝的核心參數(shù),直接關(guān)系到混凝土的澆筑質(zhì)量和效率[6-10]。因此,優(yōu)化分層厚度和澆筑時(shí)間間隔,以達(dá)到最佳的結(jié)構(gòu)性能,仍然是亟待解決的問題。

        本文旨在通過綜合研究分析,探討泄水閘大體積混凝土澆筑分層工藝參數(shù)的優(yōu)化策略,從分層厚度與澆筑時(shí)間間隔兩類工藝參數(shù)展開討論,通過仿真數(shù)據(jù)以及平陸運(yùn)河泄水閘工程案例的分析,探究分層工藝參數(shù)的優(yōu)化策略,為泄水閘大體積混凝土澆筑工藝提供科學(xué)合理的建議,為運(yùn)河樞紐工程領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和工程實(shí)踐的創(chuàng)新提供參考。

        1 工程概況

        平陸運(yùn)河是西部陸海新通道骨干工程,始建于2022年8月,建設(shè)內(nèi)容包括航道工程、航運(yùn)樞紐工程、沿線跨河設(shè)施工程及配套工程。按內(nèi)河Ⅰ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),從上游至下游建設(shè)馬道、企石、青年三個(gè)梯級(jí)樞紐。其中青年樞紐是平陸運(yùn)河規(guī)劃三座梯級(jí)中的最下游梯級(jí),主要施工內(nèi)容包括:雙線船閘、泄水閘、電站、連接壩和魚道,而泄水閘目前為青年樞紐主體建設(shè)重點(diǎn)。

        針對(duì)泄水閘混凝土結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù),設(shè)計(jì)文件中規(guī)定了關(guān)鍵的澆筑分層工藝參數(shù)。綜合考慮散熱效應(yīng)和施工工作面情況,大體積混凝土層間間歇期控制在5~10 d;基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)混凝土分層厚度為1.5~2.0 m,其他部位為2.0~3.0 m。

        泄水閘底板最大邊尺寸為35 m,當(dāng)其直接澆筑在基巖或結(jié)構(gòu)處于混凝土強(qiáng)約束區(qū),且不采取任何控裂措施,混凝土結(jié)構(gòu)的開裂風(fēng)險(xiǎn)均較高。為此,本文選取了開裂風(fēng)險(xiǎn)較大的底板進(jìn)行澆筑工藝參數(shù)優(yōu)化探討。

        2 評(píng)估方法及配合比

        2.1 開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

        參照《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50496-2018)附錄B的方法,計(jì)算底板混凝土的自約束拉應(yīng)力和外約束應(yīng)力,結(jié)合對(duì)應(yīng)齡期下的混凝土抗拉強(qiáng)度,計(jì)算得到混凝土的自約束應(yīng)力抗裂安全系數(shù)Kz和外約束應(yīng)力抗裂安全系數(shù)Kw。

        2.2 混凝土配合比

        底板混凝土配合比如表1所示。

        原材料性能指標(biāo)如下:

        (1)水泥:中熱硅酸鹽水泥P·MH 42.5,氯離子含量0.03%,堿含量0.36%,3 d水化熱247 kJ/kg,7 d水化熱257 kJ/kg。

        (2)粉煤灰:Ⅰ級(jí)粉煤灰,細(xì)度8.4%,燒失量1.90%,需水量比91%,三氧化硫含量1.04%。

        (3)礦渣粉:S95?;郀t礦渣粉,比表面積406 m2/kg。

        (4)砂:機(jī)制砂,細(xì)度模數(shù)2.8,亞甲藍(lán)值1.0 g/kg,氯離子含量0,泥塊含量0.2%,石粉含量8.7%。

        (5)碎石:碎石5~20 mm,表觀密度2 720 kg/m3,總含泥量0.7%,泥塊含量0.1%,壓碎值9.0%,針片狀顆粒含量8%,含泥量≤2.0%;碎石20~40 mm,表觀密度2 730 kg/m3,含泥量0.4%,泥塊含量0.0%,針片狀顆粒含量5%;碎石40~80 mm,表觀密度2 740 kg/m3,總含泥量0.2%,泥塊含量0.0%,針片狀顆粒總含量0。

        (6)抗侵蝕增強(qiáng)劑(CPA):比表面積≥300 m2/kg,抗蝕系數(shù)≥0.90 K。

        (7)減水劑:聚羧酸(緩凝型)高性能減水劑,減水率27%,含固量14.51%,氯離子含量0.06%,總堿含量0.67%。

        (8)水:欽江水。

        3 建立仿真模型及工況仿真分析

        3.1 有限元模型

        選取的泄水閘底板尺寸為長(zhǎng)×寬×高=35 m×16.5 m×3 m,依據(jù)實(shí)際尺寸建立有限元模型,結(jié)果如圖1所示。

        3.2 工況設(shè)置及參數(shù)取值

        針對(duì)泄水閘底板設(shè)置了兩個(gè)工況,分別研究澆筑時(shí)間間隔和分層厚度對(duì)混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)的影響,工況設(shè)置如表2所示。

        根據(jù)不同工況進(jìn)行6#壩段底板的溫度場(chǎng)有限元模擬計(jì)算,建立系列溫度場(chǎng)云圖,見圖2和圖3。

        依據(jù)中熱硅酸鹽水泥3 d和7 d的水化熱數(shù)據(jù),即Q3=201 kJ/kg、Q7=248 kJ/kg,計(jì)算得到水泥水化熱總量為Q0=300.7 kJ/kg,將該值作為有限元模擬計(jì)算用值。模擬計(jì)算參數(shù)取值,如表3所示。

        外約束應(yīng)力計(jì)算取值如表4所示。

        3.3 結(jié)果分析

        3.3.1 工況一:不同澆筑時(shí)間間隔下底板開裂風(fēng)險(xiǎn)分析

        分層厚度為3 m時(shí),在不同澆筑時(shí)間間隔下(3 d、7 d、10 d),底板混凝土的內(nèi)表溫差、上下層加權(quán)溫差、自約束應(yīng)力和外約束應(yīng)力抗裂安全系數(shù)的變化趨勢(shì)見圖4~7。

        如圖4所示,隨著澆筑時(shí)間間隔的增加,新澆筑混凝土的內(nèi)外溫差下降。這是因?yàn)樯舷聦踊炷恋臐仓g隔時(shí)間越長(zhǎng),下層混凝土產(chǎn)生的熱量對(duì)上層混凝土整體溫度的增加作用越小。

        如圖5所示,隨著澆筑時(shí)間間隔的增加,上下層混凝土的加權(quán)平均溫度差增大。最大溫差分別為4.4 ℃、7.4 ℃和8.9 ℃。溫差越大,混凝土的不均勻收縮越大。

        如圖6所示,新澆筑混凝土7 d抗裂安全系數(shù)最小值分別為5.41、5.82和6.10。7 d抗裂安全系數(shù)全部>1.15。

        如圖7所示,30 d抗裂安全系數(shù)最小值分別為1.78、1.47和1.32。30 d抗裂安全系數(shù)全部>1.15。

        可見,固定分層厚度不變,在澆筑間隔時(shí)間為3 d、7 d、10 d時(shí),隨著泄水閘底板的澆筑時(shí)間間隔的減小,雖然新混凝土的內(nèi)外溫差增大,混凝土的自約束應(yīng)力抗裂安全系數(shù)降低,但也遠(yuǎn)大于1.15的限值;而上下層混凝土的溫差減小,混凝土的外約束應(yīng)力抗裂安全系數(shù)增大。為了保證底板有較好的抗裂性能,應(yīng)盡量選擇較短的分層澆筑時(shí)間間隔。

        3.3.2 工況二:不同分層厚度下底板開裂風(fēng)險(xiǎn)分析

        由前文分析可知,對(duì)混凝土抗裂性能影響最大的是外約束應(yīng)力。自約束應(yīng)力導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫的可能性非常小。因此,本工況下主要分析不同分層厚度下混凝土外約束拉應(yīng)力對(duì)混凝土抗裂安全系數(shù)的影響規(guī)律。

        圖8~11為分層厚度分別1.5 m、2.25 m和3.0 m情況下,混凝土的中心溫度、內(nèi)表溫差、降溫速率和抗裂安全系數(shù)的變化趨勢(shì)圖。表5為不同分層厚度下底板的溫控參數(shù)。

        如圖8所示,分層厚度為1.5 m、2.25 m和3 m時(shí)的底板中心溫度隨時(shí)間的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),且極值點(diǎn)均為t=3 d,極大值溫度約為51.8 ℃。當(dāng)?shù)装鍧仓謱雍穸葟?.5 m增大到3 m后,溫度隨著分層厚度的增加而上升,且底板混凝土的中心最高溫度升高了0.8 ℃,見表5。

        如圖9和表5所示,分層厚度為1.5 m、2.25 m和3 m時(shí)的底板最大內(nèi)表溫差分別為3.7 ℃、7.1 ℃和8.3 ℃。隨著分層厚度增加,內(nèi)表溫差呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì),但整體溫度均小于25 ℃這一限值。

        如圖10和表5所示,當(dāng)分層厚度為1.5 m的底板降溫速率最大為0.71 ℃/d,分層厚度為2.25 m時(shí),底板最大降溫速率為0.39 ℃/d,相比于1.5 m厚的底板,降溫速率下降了45%以上,且隨著厚度的減少,降溫速率呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

        如圖11所示,不同分層厚度下底板的抗裂安全系數(shù)隨齡期的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。如表5所示,分層厚度為1.5 m的底板在11 d時(shí)抗裂安全系數(shù)<1.15,分層厚度為2.25 m和3 m的底板分別在14 d和18 d時(shí)抗裂安全系數(shù)<1.15。由此可得,分層厚度增大,底板的抗裂能力提高,降低了底板的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

        綜上,固定澆筑間隔時(shí)間不變,在分層厚度為1.5 m、2.25 m、3.0 m時(shí),隨著分層厚度的增大,底板混凝土的降溫速率變小,抗裂安全系數(shù)提高。雖然增大分層厚度,會(huì)提高了混凝土的中心溫度和內(nèi)表溫差,但提升幅度較小,而隨著降溫速率降低,外約束拉應(yīng)力抗裂安全系數(shù)提高,混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)降低。但底板的開裂風(fēng)險(xiǎn)仍較大,應(yīng)采取分段澆筑或降低約束的措施(如滑動(dòng)層)或進(jìn)一步降低入模溫度,減小底板的開裂風(fēng)險(xiǎn)。因此,建議在保證澆筑能力的情況下,盡量選擇分層厚度較厚的澆筑方式進(jìn)行澆筑。

        4 結(jié)語

        本文通過對(duì)不同澆筑時(shí)間間隔和不同分層厚度下的底板混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行開裂風(fēng)險(xiǎn)分析,探討了底板混凝土結(jié)構(gòu)的澆筑工藝參數(shù),總結(jié)如下:

        (1)上下層混凝土澆筑時(shí)間間隔越短,上下層混凝土的溫差越小,底板的外約束應(yīng)力抗裂安全系數(shù)越大,混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)越小。

        (2)底板混凝土的分層厚度越大,混凝土的外約束應(yīng)力抗裂安全系數(shù)越大,混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)越小。

        (3)為了確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中,建議控制大體積混凝土的澆筑時(shí)間間隔≤10 d,分層厚度≤3 m。同時(shí)采取分段澆筑、降低入模溫度或減少約束等措施,以進(jìn)一步減小底板開裂的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

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        收稿日期:2023-10-08

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