蜀河水電站廠房壩段溫控仿真分析

葉 焰 中

(深圳市北部水源工程管理處，廣東 深圳 518000)

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蜀河水電站廠房壩段溫控仿真分析

葉 焰 中

(深圳市北部水源工程管理處，廣東 深圳 518000)

根據(jù)蜀河水電站廠房壩段的基本資料、計(jì)算模型和施工計(jì)劃等條件,對(duì)該廠房壩段的施工過程進(jìn)行了仿真分析，介紹了廠房壩段的溫度控制方案和在使用該控制方案后的計(jì)算結(jié)果,為該工程的溫控防裂提供了理論基礎(chǔ)。

水電站，廠房壩段，溫度應(yīng)力，溫控措施

蜀河水電站為二等大(Ⅱ)型工程，工程的主要任務(wù)是發(fā)電，并兼顧航運(yùn)等。總裝機(jī)容量276 MW，年平均發(fā)電量9.53億kW·h，年利用3 530 h。樞紐建筑物布置形式為左岸溢流式廠房方案，壩頂高程230.00 m，最大壩高為65 m。該地區(qū)多年平均氣溫15.3 ℃，最高年平均氣溫20.3 ℃，最低年平均氣溫為11.4 ℃；多年最高月平均氣溫為31.8 ℃(7月)，多年最低月平均氣溫為-0.2 ℃(1月)。本文針對(duì)蜀河水電站廠房壩段在高溫季節(jié)不同入模溫度對(duì)壩體內(nèi)的溫度和應(yīng)力變化進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

1 氣候條件

混凝土不同階段的溫度變化及溫度差是引起混凝土裂縫的重要原因之一,根據(jù)工程所在地氣象統(tǒng)計(jì)資料，蜀河水電站外界氣溫函數(shù)模型擬合如下[1-3]：

(1)

其中，τ為時(shí)間。

1.1 廠房壩段混凝土材料屬性

根據(jù)廠房壩段的混凝土材料配合比、絕熱溫升圖以及常態(tài)混凝土復(fù)合指數(shù)絕熱溫升公式，擬合得到了廠房壩段的絕熱溫升公式為：

θτ=26.0×(1-e-0.15τ0.69)

(2)

根據(jù)《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》及類似工程經(jīng)驗(yàn)選取廠房壩段材料徐變度為：

C(t,τ)=C1(3.0+70τ-0.50)[1-e-0.3(t-τ)]+

C2(1+4.0τ-0.5)[1-e-0.005(t-τ)]

(3)

由于施工單位未能提供廠房壩段混凝土的材料屬性，根據(jù)文獻(xiàn)[1]結(jié)合以往工程常態(tài)混凝土材料屬性，擬定選用彈性模量為25.5 GPa,導(dǎo)熱系數(shù)為10.17 kJ/(m·h·℃),導(dǎo)溫系數(shù)為0.004 5 m2/h,泊松比為0.167，重度為24 kN/m3。

1.2 廠房壩段溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

表1 混凝土容許溫差表

通過廠房壩段準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)的計(jì)算,廠房壩段在0L～0.2L(L≥40)區(qū)域,穩(wěn)定溫度最低為12 ℃～15 ℃；廠房壩段在0.2L～0.4L(L≥40)段的廣大區(qū)域,準(zhǔn)穩(wěn)定溫度維持在16 ℃。如果以常規(guī)混凝土澆筑廠房壩段在0L～0.2L(L≥40)區(qū)域的混凝土,從表1可知,在施工期間,只要控制廠房壩段0L～0.2L(L≥40)區(qū)域混凝土最高溫度小于28 ℃(13+15=28),廠房壩段0.2L～0.4L(L≥40)區(qū)域混凝土最高溫度小于31 ℃(16+15=31),混凝土的抗裂安全將是有保證的。具體各部位的溫控標(biāo)準(zhǔn)見表1[4-6]。

2 廠房壩段溫控仿真計(jì)算

蜀河電站廠房壩段計(jì)算時(shí)，將廠房壩段底部按絕熱邊界來選取，頂部采用與空氣接觸邊界。倉(cāng)面混凝土在澆筑過程中，邊界條件是不斷變化的，當(dāng)舊混凝土被新澆筑混凝土覆蓋時(shí)，舊混凝土與新混凝土邊界條件按第一類邊界條件，當(dāng)澆筑混凝土與空氣接觸時(shí)，邊界條件轉(zhuǎn)變成第三類邊界條件。根據(jù)實(shí)際工程施工圖紙，綜合考慮廠房壩段分縫情況及壩段結(jié)構(gòu)布置、工作特性等因素建立其有限元分析模型，本模型采用8節(jié)點(diǎn)6面體單元離散結(jié)構(gòu)，將模型劃分成17 348個(gè)單元、23 310個(gè)節(jié)點(diǎn)，壩段層厚為2.5 m～3 m，如圖1所示。

2.1 不同工況下溫控方案的計(jì)算

對(duì)廠房壩段在仿真計(jì)算時(shí)，根據(jù)工程實(shí)際情況，共設(shè)計(jì)了5種不同的工況。根據(jù)施工單位提供的混凝土澆筑厚度和澆筑時(shí)間以及相鄰澆筑塊之間時(shí)間間隔、上下層混凝土澆筑時(shí)間間隔，初步擬定了仿真分析需要的澆筑塊。本壩段從2012年8月1日開始澆筑到2013年4月30日結(jié)束，在仿真計(jì)算中，將計(jì)算時(shí)間延長(zhǎng)了2個(gè)月到2013年6月1日。對(duì)廠房壩段的應(yīng)力分析，我們選用澆筑完成后5 d(2009年4月5日)的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，由于在該時(shí)間最后一倉(cāng)混凝土水化熱高峰期剛好散完，其溫度應(yīng)力應(yīng)為最不利時(shí)，所以選用該時(shí)間為最不利應(yīng)力場(chǎng)時(shí)間。

廠房壩段混凝土通過上述5種工況的溫控仿真計(jì)算，工況1(無溫控措施)不滿足溫度控制要求，其余4種工況方案均滿足該部分溫控要求。冷卻通水是降低混凝土內(nèi)部溫度的有效方法，在有冷卻水管的工況中，混凝土內(nèi)部溫度最高為26 ℃，出現(xiàn)在壩段與空氣接觸面上環(huán)境溫度最高時(shí)。所以，應(yīng)加強(qiáng)混凝土表面的保護(hù)。同時(shí)由于在計(jì)算過程中，部分參數(shù)為經(jīng)驗(yàn)值，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)有出入，仿真計(jì)算結(jié)果可以作為施工過程溫控的參考。完全滿足實(shí)際施工中的跳倉(cāng)澆筑情況，目前還不現(xiàn)實(shí)，但從理論上能夠滿足跳倉(cāng)澆筑的要求，即滿足相鄰澆筑塊之間間隔時(shí)間的要求；上下層澆筑塊時(shí)間間隔的要求。從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)采用溫控工況1的方案時(shí)廠房壩段混凝土最大應(yīng)力約1.86 MPa，當(dāng)采用溫度控制措施工況2～工況5時(shí)，混凝土最大應(yīng)力約為0.85 MPa，因此采用工況2～工況5溫度控制措施可以降低混凝土最大應(yīng)力，達(dá)到溫度控制的要求。

廠房壩段溫控仿真工況及其結(jié)果見表2。

表2 廠房壩段溫控仿真工況及其結(jié)果

2.2 廠房壩段不同時(shí)間點(diǎn)縱向剖面溫度場(chǎng)特性分析

通過對(duì)5種不同工況的分析，為便于施工工況的縱橫向?qū)Ρ?，本文選取工況4在不同時(shí)間點(diǎn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的同一位置的溫度應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，仿真結(jié)果見圖2～圖5。根據(jù)圖形分析結(jié)果如下：工作倉(cāng)面在施工期間一直與空氣直接接觸，因此越接近壩頂，其混凝土隨氣溫變化越顯著；隨著澆筑層的增高，壩體內(nèi)溫度最高區(qū)域的位置不斷地升高；混凝土內(nèi)部溫度最高為24 ℃,主要出現(xiàn)在壩段與空氣接觸面上環(huán)境溫度最高時(shí)，其產(chǎn)生的主要原因是由于環(huán)境對(duì)混凝土表面的影響，內(nèi)外溫差為14 ℃左右。

3 結(jié)語(yǔ)

1)通過對(duì)上述5種工況的仿真計(jì)算，溫控方案一(無溫控措施)

不滿足溫度控制要求，其余4種方案均滿足該部分溫控要求。

2)冷卻通水是降低混凝土內(nèi)部溫度的有效方法，在有冷卻水管的工況中，混凝土內(nèi)部溫度最高為27 ℃，出現(xiàn)在壩段與空氣接觸面上環(huán)境溫度最高時(shí)。所以，應(yīng)加強(qiáng)混凝土表面的保護(hù)。

3)由于在計(jì)算過程中，部分參數(shù)為經(jīng)驗(yàn)值，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)有出入，仿真計(jì)算結(jié)果可以作為施工過程溫控的參考。

4)完全滿足實(shí)際施工中的跳倉(cāng)澆筑情況，目前還不現(xiàn)實(shí)，但從理論上能夠滿足跳倉(cāng)澆筑的要求，即滿足相鄰澆筑塊之間間隔時(shí)間的要求；上下層澆筑塊時(shí)間間隔的要求。本仿真分析嚴(yán)格按照委托單位提供的工況進(jìn)行。

5)廠房壩段部分墩墻混凝土需做表面保護(hù)，建議在墩墻表面使用4 cm厚的高發(fā)泡聚乙烯卷材做永久保護(hù)。

[1] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:中國(guó)電力出版社,1999.

[2] 三峽工程混凝土溫控小組.三峽水利樞紐混凝土工程溫度控制手冊(cè)[Z].1999.

[3] 朱伯芳，許 平.碾壓混凝土重力壩的溫度應(yīng)力與溫度控制[J].水利水電技術(shù)，1996(4):18-25.

[4] 徐向東.永定橋碾壓混凝土重力壩溫控方案仿真分析[J].人民黃河，2009，31(9):104-106.

[5] 朱伯芳.混凝土壩施工期溫度場(chǎng)計(jì)算[J].水利水電技術(shù)，2010，41(9):36-41.

[6] 張國(guó)新.碾壓混凝土壩的溫度應(yīng)力與溫度控制[J].中國(guó)水利，2007(21):4-6.

On temperature control simulation analysis at dam section of Shuhe Hydropower Station

Ye Yanzhong

(ShenzhenNorthWaterSourceEngineeringAdministrativeDepartment,Shenzhen518000,China)

According to some basic documents, calculation models and construction plans of the dam sections of Shuhe Hydropower Station workshops, the paper undertakes the simulation analysis in the construction craft of the workshop dams, and introduces the temperature control scheme of the section and the calculation results after the controlling scheme, so as to provide some theoretic foundation for the temperature control and crack resistance in the project.

hydropower station, workshop dam section, temperature stress, temperature control measure

1009-6825(2016)18-0219-02

2016-04-16

葉焰中(1984- ),男，碩士，工程師

TV731

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