丹達(dá)河水電站拱壩混凝土墊座溫控方案比較研究

黃 澄 黃達(dá)海 張晶晶 王 飛

（三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

拱壩的結(jié)構(gòu)和受力方式?jīng)Q定了其對地基地質(zhì)的嚴(yán)格要求.拱壩對地基的要求主要反映在壩體應(yīng)力、變形、穩(wěn)定安全度等指標(biāo)上.對于某些地質(zhì)條件較差的地基，當(dāng)設(shè)計(jì)應(yīng)力、強(qiáng)度、變形值或穩(wěn)定安全度不滿足要求時(shí)，就需要對地基進(jìn)行加固處理，以滿足大壩的穩(wěn)定性要求.拱壩設(shè)計(jì)中常通過設(shè)置墊座結(jié)構(gòu)來調(diào)整基巖所承擔(dān)的應(yīng)力，從而改善壩體的應(yīng)力、位移分布及穩(wěn)定性［1］.關(guān)于混凝土墊座結(jié)構(gòu)國內(nèi)已有相應(yīng)研究，如張肖、張建海等人關(guān)于錦屏一級高拱壩大墊座穩(wěn)定性的研究［2］，段寅、周偉關(guān)于錦屏一級拱壩左岸混凝土墊座溫控仿真研究［3］.本文以丹達(dá)河水電站混凝土墊座為研究對象，采用ANSYS軟件及二次開發(fā)程序進(jìn)行仿真計(jì)算，通過多組溫控參數(shù)敏感性分析并結(jié)合相應(yīng)規(guī)范，制定出最優(yōu)溫控措施.計(jì)算說明，最優(yōu)溫控措施能有效降低施工期混凝土墊座的溫度應(yīng)力，減少開裂風(fēng)險(xiǎn)，供相似工程的溫控方案選擇參考.

1 溫度應(yīng)力計(jì)算的一般方法

當(dāng)混凝土各部分溫度發(fā)生變化時(shí)，將產(chǎn)生應(yīng)變α（T-T0），α是混凝土的線膨脹系數(shù)，T是當(dāng)前溫度值，T0是初始溫度值.如果大體積混凝土各部分溫度變形不受任何約束，則混凝土有變形但不引起應(yīng)力.但是，大體積混凝土由于受外界約束或各部分溫度變化不均勻，混凝土不能自由膨脹與收縮，則將產(chǎn)生應(yīng)力.當(dāng)混凝土溫度場T求解后，需進(jìn)一步求出各部分的溫度應(yīng)力.

溫度變形只產(chǎn)生線應(yīng)變，不產(chǎn)生剪應(yīng)變，可以把這種線應(yīng)變看作是物體的初應(yīng)變.計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)首先計(jì)算出溫度引起的應(yīng)變ε0，進(jìn)而求得相應(yīng)的初應(yīng)變引起的等效結(jié)點(diǎn)溫度荷載｛Pε0｝，然后按通常的求解應(yīng)力方法求得由于溫度變化引起的結(jié)點(diǎn)位移，再求得溫度應(yīng)力σ.單元e的等效結(jié)點(diǎn)溫度荷載｛Pε0｝為

式中，［B］為應(yīng)變與位移的轉(zhuǎn)換矩陣；［D］為彈性矩陣.

可以將溫度變形引起的等效結(jié)點(diǎn)荷載Pε0與其他荷載項(xiàng)加在一起，求得包括溫度應(yīng)力在內(nèi)的總應(yīng)力.如果混凝土中含初應(yīng)變項(xiàng)，那么總應(yīng)力為

2 基本資料和參數(shù)

2.1 工程概況

丹達(dá)河水電站位于云南省迪慶州德欽縣的羊拉鄉(xiāng)，是以發(fā)電為單一任務(wù)具有季調(diào)節(jié)的混合式電站.攔河壩采用混凝土拱壩壩型.從左（岸）到右依次由非溢流壩段、左泄洪沖沙底孔表孔段、右泄洪沖沙底孔段、右非溢流壩段等6個(gè)壩段組成.混凝土墊座結(jié)構(gòu)設(shè)置在拱壩3號和4號壩段底部，為不規(guī)則多面體，底部高程為2513m，頂部高程為2533m，采用C25常態(tài)混凝土澆筑，且不分縫.根據(jù)工期要求，混凝土墊座結(jié)構(gòu)應(yīng)在6月底之前澆筑完畢.

2.2 氣象資料

丹達(dá)河水電站所在地的氣溫資料見表1.

表1 壩址多年各月氣溫統(tǒng)計(jì)表 （單位：℃）

根據(jù)表1所給氣溫資料，并參照朱伯芳院士的《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》［4］，本次計(jì)算采用余弦函數(shù)曲線模擬氣溫公式：

式中，Ta為氣溫（℃）；τ為時(shí)間（月）.

2.3 混凝土材料參數(shù)

C25混凝土的材料參數(shù)見表2.

表2 混凝土材料參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)院資料，C25混凝土的絕熱溫升公式為

C25混凝土的彈性模量采用如下雙曲線公式：

2.4 冷卻水管

冷卻水管采用非金屬管，根據(jù)朱伯芳院士提出的水管冷卻的等效熱傳導(dǎo)方程［4］把冷卻水管看成來熱匯，在平均意義上考慮水管冷卻的效果，可簡化計(jì)算.考慮水管冷卻效果的混凝土等效熱傳導(dǎo)方程如下：

計(jì)算相應(yīng)冷卻水管參數(shù)，結(jié)果見表3.

表3 冷卻水管布置形式下的混凝土等效導(dǎo)溫系數(shù)

管長：L＝300m，管厚：2mm，外半徑：c＝16mm，內(nèi)半徑：r0＝14mm，冷卻水流量：Q＝28.0L／min.

等效導(dǎo)溫系數(shù)

2.5 允許溫差及最高溫度控制標(biāo)

按《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL／T-5346-2006）［5］，采用混凝土極限拉伸值來估算基礎(chǔ)均勻溫降條件下的混凝土容許溫度應(yīng)力：

式中，［σ］為混凝土容許溫度應(yīng)力（MPa）；εp為28d齡期混凝土極限拉伸的實(shí)測值；Ec為28d齡期混凝土彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)值（GPa）；r0為溫度應(yīng)力控制正常使用極限狀態(tài)短期組合結(jié)構(gòu)系數(shù)，取1.5；rd3為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.1.

表4 基于極限拉伸值的容許溫度應(yīng)力

取表4基于極限拉伸值的容許應(yīng)力成果計(jì)算容許溫差.按《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL／T-5346-2006）［5］，容許溫差計(jì)算公式

式中，［ΔT］為均勻溫降下混凝土容許溫差；μ為混凝土泊松比；k為混凝土結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，取1.5；Kp為混凝土徐變松弛系數(shù)，當(dāng)對應(yīng)的［σ］90d齡期時(shí)，取0.65～0.75，此處取0.70；Ec為各齡期混凝土彈性模量（GPa）；R為基礎(chǔ)約束系數(shù)（新老約束系數(shù)）；α為混凝土線膨脹系數(shù).

按上述公式，計(jì)算了C25混凝土的基礎(chǔ)容許溫差為18℃.由于丹達(dá)河拱壩壩體很薄，沒有穩(wěn)定溫度場，計(jì)算年平均氣溫下壩體的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場如圖1所示.

圖1 年平均氣溫下壩體中心剖面準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場云圖

混凝土墊座結(jié)構(gòu)與邊界條件相對簡單，結(jié)合壩體的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場和基礎(chǔ)容許溫差，確定混凝土墊座的最高溫控標(biāo)準(zhǔn)為28℃.

3 各種工況下混凝土墊座溫控參數(shù)敏感性分析

3.1 計(jì)算模型及邊界條件

采用ANSYS建模，模型如圖2所示，共有節(jié)點(diǎn)61960個(gè)，單元56588個(gè).邊界條件如圖3所示.

圖2 墊座與周圍基巖

圖3 墊座邊界條件

3.2 計(jì)算工況

為了確定最優(yōu)溫控措施，擬定以下工況見表5.

表5 計(jì)算工況表

3.3 溫控方案分析

對上述的的7種工況分別進(jìn)行仿真分析計(jì)算，對這7種工況溫控措施進(jìn)行比較，選取典型位置（如圖4所示）作相應(yīng)的溫度包絡(luò)線圖及點(diǎn)過程線圖.

圖4 墊座中心線及中心點(diǎn)位置圖

從圖5可以看出：

1）在不通冷卻水自然澆筑狀態(tài)下，混凝土澆筑溫度為澆筑期內(nèi)的月平均氣溫（氣溫超過18℃，控制混凝土澆筑溫度為18℃），3.0m層厚澆筑時(shí)混凝土內(nèi)部最高溫度高達(dá)37.8℃，2.5m層厚澆筑時(shí)混凝土內(nèi)部最高溫度達(dá)到37.3℃，2.0m層厚澆筑時(shí)混凝土內(nèi)部最高溫度達(dá)到36.5℃，1.5m層厚澆筑時(shí)混凝土內(nèi)部溫度也達(dá)到35.2℃.因此，不通冷卻水自然澆筑難以滿足溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求.

2）通水冷卻對控制混凝土內(nèi)部最高溫度的效果非常明顯，最高溫度降幅超過7℃.1.5m澆筑、通16℃冷卻水時(shí)墊座上部小范圍最高溫度超過溫控標(biāo)準(zhǔn)0.5℃，能夠滿足溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求.

3）推薦溫控措施擬選定如下：混凝土澆筑溫度為月平均均氣溫（氣溫超過18℃，控制混凝土澆筑溫度為18℃）、通水溫度為16℃、通水15d，水管采用1.5 m×1.5m的布置方式.除此之外，混凝土澆筑塊表面要特別注意進(jìn)行表面養(yǎng)護(hù)，以適當(dāng)降低表面最高溫度.

圖5 各種工況下墊座中心最高溫度包絡(luò)線圖

3.4 澆筑層厚敏感性分析

均不采用冷卻水管，澆筑氣溫均為月平均氣溫，計(jì)劃每7d澆筑1層，對澆筑層厚分別為1.5m、2.0 m、2.5m、3.0m4種工況（工況1～4）進(jìn)行澆筑層厚敏感性分析.澆筑日期從3月30日至6月29日，其中6月份平均氣溫為19.6℃，應(yīng)控制澆筑溫度為18℃.選取墊座中心2523m高程點(diǎn)作為典型點(diǎn)，作出相應(yīng)工況下典型點(diǎn)溫度過程線如圖6所示.典型點(diǎn)溫度在上升過程中會有一次短暫的下降，這是因?yàn)橄聦踊炷翂K在溫度上升的過程中遇到新澆筑的混凝土塊，新老混凝土相互傳熱，之后混凝土溫度繼續(xù)升高直至達(dá)到最高溫度，然后緩慢下降.各種工況下典型點(diǎn)最高溫度均超過28℃，顯然墊座混凝土在不通水自然澆筑的條件下不能滿足溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求.選取混凝土內(nèi)部溫度相對較低的1.5m層厚作為墊座澆筑層厚的澆筑方案.

圖6 澆筑層厚敏感性分析溫度過程線

3.5 冷卻水溫敏感性分析

在冷卻水管布置均為1.5m×1.5m，澆筑溫度為自然氣溫，計(jì)劃每7d澆筑1層，采用1.5m層厚澆筑，對冷卻水溫為14℃、16℃、18℃的3種工況（工況5～7）進(jìn)行冷卻水溫敏感性分析.1.5m澆筑時(shí)墊座混凝土澆筑日期從3月30日至6月29日，其中6月份平均氣溫為19.6℃，應(yīng)控制澆筑溫度為18℃.典型點(diǎn)在3種工況下溫度過程線如圖7所示.在其他條件一定的情況下，通冷卻水對降低混凝土中心溫度效果明顯.選取16℃冷卻水溫作為冷卻水管的通水溫度，此時(shí)混凝土中心降溫速率能滿足規(guī)范中降溫速度不宜大于1℃／d的規(guī)定［5］，符合溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求.

圖7 冷卻水溫敏感性分析溫度過程線

3.6 推薦溫控措施下的溫度與應(yīng)力

推薦溫控措施如下：澆筑氣溫為月平均氣溫、澆筑層厚為1.5m、計(jì)劃每7d澆筑1層、通16℃冷卻水，其中6月份平均氣溫為19.6℃，應(yīng)控制澆筑溫度為18℃.分析推薦溫控措施下2523m高程點(diǎn)的溫度與應(yīng)力，作出相應(yīng)的溫度應(yīng)力點(diǎn)過程線圖，如圖8所示.

圖8 推薦溫控措施下2523m高程點(diǎn)溫度應(yīng)力過程線

第一次降溫時(shí)，混凝土彈性模量比較小，隨之產(chǎn)生的拉應(yīng)力也較??；隨著混凝土齡期的增長，混凝土的彈性模量逐步增大，在隨后的降溫過程中拉應(yīng)力將達(dá)到最大.由此可見，拉應(yīng)力總是出現(xiàn)在混凝土降溫過程中.而在整個(gè)溫降過程中，產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為2.064MPa，此時(shí)由于混凝土齡期已經(jīng)遠(yuǎn)超過90d，允許拉應(yīng)力較大.由表4知，90d時(shí)混凝土容許拉應(yīng)力為2.276MPa，推薦溫控措施下混凝土墊座滿足應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn).

4 結(jié) 論

1）混凝土墊座在自然澆筑狀態(tài)下、不通冷卻水無法滿足最高溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求，而控制澆筑層厚并在高溫季節(jié)適當(dāng)控制澆筑溫度與通冷卻水相結(jié)合的方法能夠很好的滿足最高溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求，通過論證分析說明所擬定溫控措施為較合理溫控措施，在滿足溫控標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)也能節(jié)約成本，簡化施工工序.

2）通過溫控參數(shù)敏感性分析可以知道，其他條件不變的情況下，澆筑層厚越薄，相應(yīng)混凝土中心溫度越低，越有利于溫控措施.在施工條件和工期允許的條件下，建議盡量采用較薄的層厚澆筑混凝土.在自然澆筑下，通冷卻水對控制混凝土中心溫度效果明顯.然而，通冷卻水改變了混凝土內(nèi)部正常的降溫速率，使混凝土內(nèi)部溫度梯度的變化更不均勻，容易產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力.

［1］周維垣，林 鵬，周雅能，等.高拱壩基礎(chǔ)大墊座及周邊縫設(shè)置研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008（10）：1959-1967.

［2］張 肖，張建海，周 鐘，等.錦屏一級高拱壩大墊座穩(wěn)定性研究［J］.工程力學(xué)，2010（S1）：232-235.

［3］段 寅，周 偉.錦屏一級拱壩左岸混凝土墊座溫控仿真分析［J］.三峽大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，31（4）：9-13.

［4］朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京：中國電力出版社，1998.

［5］DL／T-5346-2006.混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國電力出版社，2006.