向家壩水電站左岸壩體分縫溫度控制研究

魏道紅,周厚貴,楊慧敏(1.河海大學(xué)水電學(xué)院,南京210098;2.華北水利水電學(xué)院監(jiān)理中心,鄭州50011; 3.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)公司,湖北宜昌3002;.河南國(guó)基建設(shè)集團(tuán)有限公司,鄭州50011)

向家壩水電站左岸壩體分縫溫度控制研究

魏道紅1,2,周厚貴1,3,楊慧敏4
(1.河海大學(xué)水電學(xué)院,南京210098;2.華北水利水電學(xué)院監(jiān)理中心,鄭州450011; 3.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)公司,湖北宜昌443002;4.河南國(guó)基建設(shè)集團(tuán)有限公司,鄭州450011)

混凝土壩由于壩體體積較大,內(nèi)部水化熱不易散發(fā),易造成壩體裂縫。為避免壩體裂縫的發(fā)生,通過對(duì)壩體施工基本資料進(jìn)行分析,用三維有限單元法計(jì)算壩體穩(wěn)定溫度場(chǎng)。對(duì)典型壩段施工全過程采用仿真進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算,分析不同分縫方案下壩體內(nèi)部溫度場(chǎng)與溫度應(yīng)力,確定合適的壩體分縫施工方案,可有效減少裂縫的發(fā)生。

分縫;溫度場(chǎng);溫度應(yīng)力

向家壩水電站大壩為常態(tài)混凝土重力壩,共布置49個(gè)壩段,壩頂高程384.00 m,壩頂長(zhǎng)度896.26 m,最大壩高162.00 m,分兩期實(shí)施。一期壩體順?biāo)髯畲蟮讓?52 m。按原設(shè)計(jì)方案,壩體設(shè)置一條縱縫。考慮到壩體受基礎(chǔ)溫差及內(nèi)外溫差的影響大,產(chǎn)生危害性裂縫的風(fēng)險(xiǎn)大,為使壩體結(jié)構(gòu)更有利于溫控防裂,確保工程安全和施工質(zhì)量,業(yè)主提出了左岸大壩設(shè)置2條縱縫的意見。為了分析不同分縫方案對(duì)壩體溫度應(yīng)力的影響,對(duì)各種分縫方案壩體施工期混凝土溫度及溫度應(yīng)力采用有限單元法計(jì)算,選用通用ANSYS程序進(jìn)行溫度及溫度應(yīng)力仿真計(jì)算。計(jì)算時(shí)先按擬定壩體施工進(jìn)度模擬逐層澆筑上升,仿真計(jì)算壩體各時(shí)段混凝土溫度,然后計(jì)算各時(shí)段混凝土徐變溫度應(yīng)力。

1 混凝土溫度計(jì)算原理[1]

溫度場(chǎng)的邊界條件主要分以下3種情況:

式中:φ,?為已知函數(shù);h為表面對(duì)流系數(shù);T0為環(huán)境溫度。

將求解區(qū)域R劃為有限個(gè)單元Ωe(e為有限單元個(gè)數(shù)),引入單元形函數(shù)Ni,則單元內(nèi)任意點(diǎn)的溫度T,可由構(gòu)成單元m個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度Ti插值:T=。

根據(jù)變分原理,可導(dǎo)出滿足熱傳導(dǎo)基本方程和邊界條件的有限元支配方程

2 基本資料

混凝土溫控研究所需資料和參數(shù)主要包括空氣溫度,水庫(kù)水溫,混凝土的熱學(xué)、力學(xué)和變形性能指標(biāo),施工情況,水管冷卻參數(shù)等。

2.1 空氣溫度

一般根據(jù)余弦函數(shù)曲線模擬氣溫年周期性變化。

式中:Ta為環(huán)境溫度;A為多年平均氣溫;B為氣溫年變幅。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T統(tǒng)計(jì)資料,取A= 18.4℃,B=10℃,C=21℃。

2.2 水庫(kù)水溫

向家壩水庫(kù)總庫(kù)容51.63億m3,按徑流庫(kù)容法判斷,α為28(大于20),屬混合型水庫(kù),按水庫(kù)寬深比法計(jì)算,向家壩水庫(kù)寬深比為5.8(小于30),屬分層型水庫(kù)。經(jīng)多方面、多因素分析預(yù)測(cè),向家壩水庫(kù)水溫存在穩(wěn)定的低溫水體,水庫(kù)為分層型。

由于向家壩水庫(kù)為特大型水電工程,與其條件相似的已建工程很少,更無(wú)實(shí)測(cè)資料,應(yīng)考慮水庫(kù)運(yùn)行、調(diào)度、幾何形態(tài)、泥沙等多方面的影響,因此向家壩水庫(kù)水溫分析溫控計(jì)算采用數(shù)值法進(jìn)行。

2.3 混凝土的力學(xué)、熱學(xué)和變形性能指標(biāo)

混凝土試驗(yàn)所用水泥采用重慶江津地維水泥廠生產(chǎn)的強(qiáng)度等級(jí)為42.5中熱硅酸鹽水泥,粉煤灰為黃桷莊火電廠生產(chǎn)的Ⅰ,Ⅱ級(jí)粉煤灰,試驗(yàn)用的粗、細(xì)骨料均由太平料場(chǎng)加工,根據(jù)以往工程的研究成果①三峽工程混凝土溫控小組.三峽水利樞紐混凝土工程濕度控制手冊(cè),1999.,各級(jí)骨料混凝土各項(xiàng)指標(biāo)見表1。

表1 灰?guī)r骨料混凝土熱力學(xué)指標(biāo)Table 1 Limestone aggregate concrete indicators of thermodynamics

2.4 混凝土徐變和基巖力學(xué)性能

劉寧、劉光廷等首次嘗試將隨機(jī)有限元法引入大體積混凝土結(jié)構(gòu)隨機(jī)溫度徐變應(yīng)力計(jì)算,給出了相應(yīng)于初應(yīng)變隱式解法的隨機(jī)有限元計(jì)算方法[2,3],這些研究成果一定程度上反映了我國(guó)混凝土溫度應(yīng)力的研究現(xiàn)狀。

參考相關(guān)資料,混凝土徐變度公式采用經(jīng)驗(yàn)公式[4],形式如下,

式中:t為時(shí)間(d);τ為加載齡期(d);C(t,τ)為加載齡期為τ,t時(shí)刻的徐變度;xi,i=1～8為徐變參數(shù)。

基巖的物理力學(xué)指標(biāo)(試驗(yàn)值)[4]見表2。

表2 基礎(chǔ)主要物理力學(xué)參數(shù)值Table 2 The main physical and mechanical parameters

圖1 典型壩段穩(wěn)定溫度場(chǎng)(單位:℃)Table 1 Typical dam section stable temperature field

3 壩體穩(wěn)定溫度場(chǎng)

3.1 水庫(kù)水溫分析[4]

(1)考慮上游溪洛渡建成后的相關(guān)因素,對(duì)向家壩水庫(kù)的入庫(kù)水溫作相應(yīng)調(diào)整。

(2)水文氣象資料細(xì)化為逐日資料,模擬入庫(kù)的最低水溫為8.5℃,以期更好地反映水文氣象要素在年內(nèi)的變化規(guī)律。

(3)水庫(kù)初期蓄水過程對(duì)庫(kù)底水溫會(huì)有一定影響?？紤]水庫(kù)初期蓄水時(shí)間為10月初,且不考慮河流泥沙含量影響。

(4)6-9月份入庫(kù)高溫水流量較大,同時(shí)中孔下泄流量也較大,中孔相對(duì)庫(kù)底位置較低。因此,對(duì)于向家壩水庫(kù)的具體運(yùn)行情況,汛期泄洪會(huì)導(dǎo)致壩前庫(kù)底一定范圍內(nèi)的低溫水排出;而汛期大量入庫(kù)的高溫水,又將導(dǎo)致部分溫度較高的水體逐漸交換至庫(kù)底,使得庫(kù)底水溫升高。計(jì)算過程中對(duì)此因素的影響作一定程度的考慮。具體模擬結(jié)果為[1]:①水庫(kù)表面的水溫年內(nèi)在11.0℃～27.0℃的范圍內(nèi)變化,年平均庫(kù)表溫度為19.8℃;②水深在150 m左右,水庫(kù)底部可形成較為穩(wěn)定的低溫水層,水溫年內(nèi)在14℃～14.6℃的范圍內(nèi)變化,年平均庫(kù)底溫度為14.3℃;③水庫(kù)水溫沿高程的分布規(guī)律不僅取決于氣溫和水深,在很大程度上還取決于水庫(kù)的運(yùn)行情況和各月的來(lái)水溫度、電站引水口及泄水建筑物的位置?？紤]到下游庫(kù)水?dāng)_動(dòng)大且水深較小,相對(duì)蓄熱能力較差,取下游水面年平均水溫為18℃,下游底部年平均水溫為15℃。

3.2 穩(wěn)定溫度場(chǎng)

綜合考慮水庫(kù)上、下游水溫與氣溫的影響,結(jié)合壩體結(jié)構(gòu)特點(diǎn),運(yùn)用三維有限單元法計(jì)算壩體穩(wěn)定溫度場(chǎng),其典型壩段穩(wěn)定溫度場(chǎng)等值線如圖1所示。據(jù)計(jì)算成果得出壩段基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)平均穩(wěn)定溫度17℃,基礎(chǔ)弱約束區(qū)平均穩(wěn)定溫度17.8℃,非基礎(chǔ)約束區(qū)平均穩(wěn)定溫度18.5℃。

3.3 水管冷卻方式[5]

1.5 m澆筑層厚水管間距1.5 m×1.5 m,2.0 m澆筑層厚水管間距1.5 m×2.0 m。收倉(cāng)后即開始初期通水,3-11月份澆筑的混凝土澆筑溫度14℃,初期通12℃的制冷水20 d。12-2月份澆筑的混凝土澆筑溫度12℃,不進(jìn)行初期通水。中期通河水冷卻,后期通水水溫12℃,壩體不保溫時(shí)混凝土表面放熱系數(shù)15 W/m·℃,混凝土齡期第7天開始保溫,保溫后,上游壩面等效放熱系數(shù)2 W/m·℃,下游壩面等效放熱系數(shù)3 W/m·℃。

4 分縫比較[1,4]

4.1 分1條縱縫

按不同的混凝土澆筑溫度及一期冷卻(包括不同水溫、水管間距)等溫控參數(shù),通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)壩段分1條縱縫的溫控措施進(jìn)行多方案的對(duì)比分析,推薦的溫控措施和特征應(yīng)力值如表3及圖2所示。

表3 分1條縱縫時(shí)推薦溫控措施Table 3 Recommendatory temperature control measure with dividing a longitudinal seam

圖2 典型部位溫度及溫度、應(yīng)力過程線Fig.2 Typical spot temperature and temperature stress process curves

4.2 分2條縱縫

為便于比較,溫控措施同分1條縱縫方案溫控措施基本相同,考慮到分2條縱縫后溫度控制標(biāo)準(zhǔn)可相應(yīng)放寬,因此對(duì)一期冷卻水管水溫統(tǒng)一按14℃考慮。其特征應(yīng)力值如圖3所示。

4.3 兩方案比較

由于縱縫接縫灌漿的需要,大壩混凝土在二期截流前很短的時(shí)間內(nèi)需強(qiáng)冷至穩(wěn)定溫度,混凝土徐變未及充分發(fā)揮,且降溫幅度大,導(dǎo)致溫度應(yīng)力值較大。由于各倉(cāng)最高溫度基本相同,雖然上游倉(cāng)塊長(zhǎng)稍短,基礎(chǔ)約束相對(duì)較小,但上游倉(cāng)冷卻溫度較低,溫差更大,其溫度應(yīng)力較下游倉(cāng)要大。具體結(jié)果如表4所示[4]。

圖3 典型高程處點(diǎn)溫度、應(yīng)力過程線對(duì)比圖Fig.3 Contrast of temperature and stress duration curves at typical elevation places

表4 不同分縫數(shù)量下壩體特征溫度及特征應(yīng)力明細(xì)表Table 4 The dam characteristic temperatures andthe characteristic stresses under different dividing seam quantity

設(shè)1條縱縫的方案第一倉(cāng)混凝土澆筑基本可以避開高溫季節(jié),第二倉(cāng)混凝土由于開始澆筑時(shí)間較晚,不能避開高溫季節(jié);設(shè)2條縱縫降低了基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)高程,可避開高溫季節(jié)澆筑基礎(chǔ)約束區(qū),有利于溫控。

從上述結(jié)果分析看,分1條縫與分2條縫方案的混凝土內(nèi)部最高溫度基本相同,各方案溫度應(yīng)力均能滿足要求。分2條縫方案的溫度應(yīng)力較1條縫方案降低了3%～7%,這一方面說明分縫對(duì)減小拉應(yīng)力區(qū)的范圍及降低拉應(yīng)力的值是有利的,另一方面也可看出降低幅度是有限的。同時(shí)分縫后混凝土溫控要求及難度降低,對(duì)施工有利。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,按照已確定并實(shí)施的大壩混凝土總體澆筑方案,充分發(fā)揮向家壩水電站大壩溫控所具有的混凝土線脹系數(shù)低、基巖彈模低、壩址區(qū)氣候溫和等有利條件,通過計(jì)算分析,左岸大壩分1條縱縫和分2條縱縫方案均可滿足溫控要求[6]。從現(xiàn)場(chǎng)施

工和管理的角度出發(fā),分2條縱縫比分1條縱縫有相對(duì)多的優(yōu)勢(shì),主要體現(xiàn)在倉(cāng)面小、倉(cāng)面施工組織簡(jiǎn)單、單倉(cāng)澆筑時(shí)間短、溫控標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低、基礎(chǔ)約束區(qū)高度低及溫控風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低等方面。建議一期壩體按分2條縱縫方案進(jìn)行施工。但此時(shí)混凝土倉(cāng)面面積和長(zhǎng)寬比依然較大,混凝土溫控防裂難度高,參與建筑施工的各單位應(yīng)高度重視溫控防裂問題。

[1]翁永紅,范五一,楊學(xué)紅,等.金沙江向家壩水電站一期工程大壩縱向分縫研究報(bào)告[R].武漢:長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,2007.

[2]劉寧,劉光廷.混凝土結(jié)構(gòu)的隨機(jī)溫度及徐變應(yīng)力計(jì)算方法研究[J].力學(xué)進(jìn)展,1997,(2):189-202.

[3]劉寧,劉光廷.混凝土結(jié)構(gòu)的隨機(jī)溫度及隨機(jī)徐變應(yīng)力[J].力學(xué)進(jìn)展,1998,(2):58-70.

[4]馮樹榮,潘江洋,張永濤,等.金沙江向家壩水電站左岸大壩縱向分縫施工專題報(bào)告[R].長(zhǎng)沙:中國(guó)水電顧問集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2007.

[5]戴志清,劉穎雄,張開廣,等.金沙江向家壩水電站一期工程大壩縱向分縫研究報(bào)告[R].宜昌:中國(guó)葛洲壩集團(tuán)公司,2007.

[6]彭岡,王毅,梅雪東,等.向家壩水電站左岸大壩混凝土結(jié)構(gòu)分縫專題會(huì)議紀(jì)要[R].宜昌:中國(guó)長(zhǎng)江三峽工程開發(fā)總公司,2007.

(編輯:曾小漢)

Dam Partition Temperature Control for Left Bank of Xiangjiaba Hydropower Station

WEI Dao-hong1,2,ZHOU Hou-gui1,3,YANG Hui-min4
(1.Hydroelectric Power Institute,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Supervision Centre North China University of Water Conservancy And Electric Power,Zhengzhou 450011,China; 3.China Gezhouba Group Corporation,Yichang 443002,China; 4.Henan National Basic Construction Corporation,Zhengzhou 450011,China)

Because of the larger concrete volume of Xiangjiaba Hydropower Station,the internal hydration heat is difficult to diverge out,easy to create cracks in the dam.In order to avoid the occurrence of cracks in the dam, and by means of the analysis on basic information,the dam stable temperature field was calculated by 3-D finite element method.The numerical simulation calculation for typical dam sections during the whole construction process was performed,from which the inner temperature field and thermal stresses were analysed under different joint programs.So choosing a suitable joint program for dam construction plan can effectively reduce the occurrence of cracks.

partition;temperature field;thermal stress

TV642.3

A

1001-5485(2009)05-0054-04

2008-07-18;

2008-11-03

魏道紅(1968-),男,河南許昌人,講師,博士研究生,主要從事水利工程管理與研究,(電話)13783608126(電子信箱)wdh371@ tom.com。