閘墩混凝土較高溫季節(jié)澆筑溫控防裂研究
——以出山店水庫(kù)表孔閘墩混凝土澆筑為例

王桂生馬東亮楊 中強(qiáng) 晟

（1.中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 230601 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院 南京 210098）

1 引言

出山店水庫(kù)重力壩表孔壩段總長(zhǎng)150.5m，共8孔，每孔凈寬15.0m，邊墩厚3.0m，中墩厚3.5m，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度31.0m，堰頂至墩頂高17.4m。閘墩采用C30W4F150和C35W4F150混凝土，工程所在地春季環(huán)境氣溫具有日平均氣溫不斷上升、日夜溫差大等特點(diǎn)，在此時(shí)段澆筑大體積、高標(biāo)號(hào)混凝土，若不采取有效的溫度控制措施，混凝土內(nèi)部最高溫度、最大溫升及溫度梯度等溫度指標(biāo)將急劇上升，由此產(chǎn)生的溫度應(yīng)力將突破混凝土自身的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。因此必須對(duì)閘墩混凝土澆筑采取有效的溫度控制措施。

2 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

對(duì)表孔壩段選取其典型9#壩段建立有限元整體模型網(wǎng)格，見圖1。其中壩基蓋重層及壩下游面為C20混凝土，壩體上游防滲層為C25混凝土，壩體內(nèi)部為C15混凝土，堰面83.0m高程以上閘墩內(nèi)部為C30混凝土，外部為C35混凝土。本文的主要研究對(duì)象是表孔壩段堰面上部閘墩結(jié)構(gòu)混凝土。典型表孔壩段有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)77756，單元數(shù)70888，圖2是表孔壩段典型壩段有限元混凝土模型網(wǎng)格，混凝土材料的熱學(xué)與力學(xué)參數(shù)見表1。

在溫度場(chǎng)仿真計(jì)算時(shí)，假定壩基礎(chǔ)底面及四周均為絕熱邊界，壩體橫縫面為絕熱邊界，其他面為熱量交換邊界。在應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算時(shí)，假定基礎(chǔ)底面為鉸支座，四周為連桿支撐，上部結(jié)構(gòu)均自由。由于溫度應(yīng)力是一個(gè)自平衡力系，其影響主要發(fā)生在溫度變化激烈部位及其周圍，同時(shí)考慮到在計(jì)算規(guī)模和時(shí)間上的限制，取計(jì)算域基礎(chǔ)在壩體向外擴(kuò)展范圍為：基礎(chǔ)上、下游各取60m，垂直水流方向各取25m，地基深度取70m。

2.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算時(shí)多年平均日氣溫變化擬合為：

t為月份。

主要的熱力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 孔壩段整體模型網(wǎng)格圖

圖2 表孔壩段混凝土模型網(wǎng)格圖

圖3 表孔壩段澆筑分層示意圖

3 計(jì)算工況和結(jié)果

3.1 計(jì)算工況

表孔壩段從2016年11月份開始澆筑蓋重層混凝土，按照2017年新的澆筑進(jìn)度計(jì)劃，2017年5月份之前澆筑到壩頂，從6月1日到9月30日為汛期，混凝土表面過(guò)水，2018年4月份水庫(kù)開始蓄水，仿真計(jì)算一直模擬到蓄水后約10年時(shí)間。

2017年澆筑進(jìn)度見表2，澆筑分層示意見圖3，根據(jù)實(shí)際進(jìn)度計(jì)劃模擬表孔閘墩的澆筑進(jìn)度，根據(jù)實(shí)際進(jìn)度對(duì)閘墩采取通冷卻水管加保溫措施進(jìn)行溫度控制，選擇兩種不同水管密度和保溫措施作為計(jì)算工況。

工況1：按照四月份澆筑進(jìn)度進(jìn)行模擬，倉(cāng)面采用保溫被覆蓋直至上層混凝土澆筑或覆蓋到5月初，立面拆模后掛保溫被，保溫到5月初。閘墩內(nèi)部采用金屬冷卻水管，布置密度為1.0m×1.0m，采用河水冷卻。

工況2：在工況1基礎(chǔ)上，閘墩第一大層混凝土水管加密到0.5m×0.5m。溢流面C35混凝土摻入膨脹劑，減小80%的自變，并布置0.5m×0.5m的水管。各澆筑層立面拆模后以及倉(cāng)面均保溫28d。

3.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)工況1和工況2計(jì)算得到相應(yīng)的溫度，由于4月份和5月份氣溫高，導(dǎo)致澆筑溫度高，冷卻水溫高。在1.0m×1.0m的水管布置密度條件下，第一大層混凝土的溫度峰值為57.6℃，第二大層混凝土的溫度峰值為64.2℃，閘墩底部2m高范圍內(nèi)的拉應(yīng)力是閘墩中最大的，達(dá)到3.7MPa，超過(guò)了抗拉強(qiáng)度。閘墩第二大層的最大拉應(yīng)力為2.6MPa，未超過(guò)抗拉強(qiáng)度。工況2條件下，由閘墩底部2m高范圍內(nèi)的溫度峰值降至50℃，最大拉應(yīng)力降至3.4MPa，仍超過(guò)C30混凝土的抗拉強(qiáng)度。閘墩表面的C35混凝土由于受到了較好的保溫，內(nèi)外溫差減小，表面拉應(yīng)力不再超過(guò)C35的抗拉強(qiáng)度。

表1 材料的熱學(xué)與力學(xué)參數(shù)表

表2 四月份澆筑的典型表孔壩段進(jìn)度表

4 溫控措施

在仿真計(jì)算結(jié)果和溫控指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往類似工程的經(jīng)驗(yàn)，并考慮該工程的實(shí)際情況，提出如下溫控建議。

4.1 通水冷卻

高程89～100.4m的閘墩，水管間距1.0m×1.0m。采用河水進(jìn)行冷卻，通水時(shí)間長(zhǎng)度為10～20d，溫度峰值后的溫降速率不快于2℃/d。以有效控制混凝土溫升幅度。

4.2 表面保溫

鋼模板外貼5cm厚聚乙烯苯板，拆模后立即覆蓋聚乙烯卷材（俗稱大壩保溫被），覆蓋時(shí)長(zhǎng)不少于28d。間歇期倉(cāng)面的覆蓋材料為2.0cm厚大壩保溫被，倉(cāng)面要盡早覆蓋，盡晚掀開。溫降在15℃左右的寒潮，覆蓋4.0cm厚的保溫被，溫降在20℃左右的寒潮，覆蓋6.0cm厚大壩保溫被。

5 結(jié)論

采取上述溫度控制方案后，混凝土經(jīng)過(guò)內(nèi)部通水冷卻、表面保溫措施后，以7#閘墩為例，5月下旬平均大氣溫度25℃，混凝土內(nèi)平均最高溫度34℃，滿足設(shè)計(jì)提出的容許最高溫度限值。汛期拆模后，檢查閘墩混凝土表觀質(zhì)量，未發(fā)現(xiàn)裂縫，表明混凝土澆筑質(zhì)量?jī)?yōu)良，溫度控制措施合理且經(jīng)濟(jì)，為類似工程提供了參考■