溢洪道閘墩薄壁混凝土置換加固溫度應力分析及驗證★

陳智云 馬 超 高大水 陜 亮

(1.國家電投江西電力有限公司，江西 南昌 330096； 2.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 3.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430010; 4.長江科學院，湖北 武漢 430010)

1 概述

洪門水電站溢洪道建于20世紀60年代，為混凝土重力式溢流堰，共3孔，孔口尺寸12 m×9 m(寬×高)，中墩寬3.0 m，堰頂高程91.4 m，設有三扇弧形閘門和三臺固定式啟閉機，下接兩級消力池消能。溢洪道運行至今已50多年，由于工程存在先天不足，加上工程老化嚴重，經復核評價，溢洪道閘墩存在以下主要問題：1)閘墩混凝土強度偏低，強度等級僅為C10；2)閘墩混凝土配筋不足，其中中墩表面僅有受力筋與分布筋且均為φ8@20 cm，邊墩未見鋼筋；3)閘墩混凝土多處存在結構裂縫；4)閘墩混凝土碳化嚴重[1]。為此對工程進行了加固處理?；炷灵l墩加固方法主要有拆除重建加固、置換表層混凝土加固、粘貼鋼板加固、粘貼纖維復合材料加固、體外預應力加固等幾種方法[2]。由于洪門溢洪道閘墩加固既需解決閘墩豎向配筋不足，又要解決扇形配筋不足問題，而粘貼鋼板加固、粘貼纖維復合材料加固、體外預應力加固這幾種方法無法解決上述問題。因此本工程主要對拆除重建加固和置換表層混凝土加固兩個方案進行了比較。拆除重建方案投資為1 087.12萬元，置換表層混凝土方案投資為572.92萬元，因此，推薦采用置換混凝土的加固方案。

因置換表層混凝土方案老混凝土的強約束作用，極易引起閘墩新澆混凝土的表面裂縫。新澆混凝土開裂與否將直接關乎加固方案的成敗。為此，采用三維有限元仿真結構分析方法對置換混凝土的施工過程進行模擬分析，論證置換混凝土方案的可行性。同時實際工程中專門埋設監(jiān)測儀器監(jiān)測混凝土的溫度及應力情況，進一步驗證計算分析成果。

2 計算方法及計算模型

2.1 計算模型

為充分研究閘墩表層新澆30 cm厚混凝土澆筑過程中的溫度應力分布及其變化發(fā)展規(guī)律，采用三維有限元仿真模擬置換混凝土的施工過程。有限元網格模型見圖1[3]。

2.2 澆筑方案及防裂措施

混凝土澆筑溫度根據壩址多年平均氣溫，以及對閘墩加固工程的溫控要求，取值為10 ℃。在溫度場計算中，以混凝土澆筑溫度作為每層混凝土的初始溫度。

根據現(xiàn)場實際情況，擬定澆筑方案為：澆筑分層厚度按2.5 m控制，共分9層，每層混凝土澆筑時間間隔為5 d，整個澆筑過程歷時45 d。具體進度見圖2。

2.3 氣溫和邊界條件

2.3.1氣溫

根據壩址情況，溫度場計算中采用式(1)。

(1)

其中，Tc(t)為氣溫,℃；t為計算時刻至開始澆筑當年1月1日的距離，以天計。

2.3.2水溫

溫度場計算中采用式(2)。

(2)

其中,Tw(t)為水溫,℃；t為計算時刻至開始澆筑當年1月1日的距離，以天計。

按最不利溫度荷載考慮，假定上游高程87.0 m以下為水溫邊界，其余邊界面為氣溫按年周期變化。

2.4 計算參數(shù)

基巖、混凝土熱學性能參數(shù)見表1。

表1 材料熱學性能參數(shù)

新澆混凝土絕熱溫升表達式采用式(3)。

(3)

其中,θ(t)為混凝土絕熱溫升,℃；t為混凝土齡期,d。

壩體老混凝土不考慮徐變，新澆混凝土徐變采用式(4)。

(4)

其中,C(t,τ)為混凝土徐變度,10-6/MPa；t為混凝土齡期,d；τ為混凝土加荷齡期,d。

3 計算成果分析

3.1 溫度場計算成果

通過對閘墩表面新澆混凝土溫度場進行三維仿真計算分析，可得混凝土澆筑過程中的溫度分布及其變化發(fā)展規(guī)律。由于混凝土澆筑后的溫度變化過程相似，且外界條件基本相同，因此選取溢洪道高程95.5 m處新澆混凝土中部作為溫度特征點對其溫度變化規(guī)律進行分析。

溫度場計算成果分析：

1)由特征點溫度變化歷程線可以看出，從混凝土開澆時起，混凝土溫度場都經歷了水化熱溫升、溫降、隨環(huán)境氣溫周期變化3個階段，符合一般新澆混凝土溫度場變化規(guī)律[4]。

2)由特征點溫度變化歷程線可以看出(見圖3)，新澆混凝土最高溫度峰值出現(xiàn)在澆筑后的第2天為12.7 ℃，環(huán)境溫度為3 ℃，溫差為9.7 ℃。經過7 d后，新澆混凝土與環(huán)境溫度溫差在2 ℃范圍內，并隨氣溫呈周期性變化。根據NB/T 35092—2017混凝土壩溫度控制設計規(guī)范規(guī)定，澆筑塊強約束區(qū)容許溫差在16 ℃～19 ℃之間[5]，滿足規(guī)范要求。

3.2 應力場計算成果

通過對閘墩表面新澆混凝土應力場進行三維仿真計算，可得混凝土澆筑過程中應力分布及其變化發(fā)展規(guī)律，見圖4，圖5。

應力場計算成果分析：

1)新澆表層30 cm厚混凝土受閘墩老混凝土強約束，澆筑后第5天達最大溫度應力，且閘墩新澆混凝土內部應力略大于閘墩表面應力，順河向應力分別為1.41 MPa和1.13 MPa，豎直向應力分別為0.86 MPa和0.75 MPa。進入運行期以后，特征點應力隨氣溫變化做周期性變化，拉應力在1.0 MPa以內。

2)根據NB/T 35092—2017混凝土壩溫度控制設計規(guī)范溫度應力控制標準要求計算得到，本工程施工期溫度應力最大值不超過1.87 MPa。計算結果表明未超過規(guī)范允許值，滿足規(guī)范要求。

4 監(jiān)測成果分析

為了監(jiān)測加固后閘墩新澆混凝土的變形問題，分別在左右邊墩高程91.5 m，95.5 m，100.0 m的新澆混凝土中部布設了一組應變計，應變計同時可監(jiān)測新澆混凝土中部的溫度變化情況，監(jiān)測儀器布置詳見圖6。

1)從圖7中可以看出，新澆混凝土實測溫度變化過程與計算溫度變化過程規(guī)律基本一致，符合新澆混凝土溫度變化一般規(guī)律。新澆混凝土溫度峰值出現(xiàn)在澆筑后的第3天為21.9 ℃，環(huán)境溫度為14.8 ℃，溫差為7.1 ℃，比計算結果9.7 ℃溫差略小，是偏安全的。經過8 d后，混凝土的溫度逐漸與環(huán)境溫度趨于一致。

2)從圖8中可以看出，受溫降影響，新澆混凝土第3天即開始出現(xiàn)較大拉應變，拉應變最大測值出現(xiàn)在澆筑后的第10天，為67.8 με，未超過混凝土的極限拉伸率100 με。新澆混凝土應變變化過程符合一般變化規(guī)律，未見異常。

3)施工階段，加強了施工過程控制和混凝土表面養(yǎng)護，現(xiàn)場巡視檢查也未見表面裂縫。

5 結語

1)計算和監(jiān)測成果表明，新澆混凝土與環(huán)境溫度的最大溫差未達到規(guī)范的容許值；最大溫度應力未超過規(guī)范允許值，最大拉應變測值未超過混凝土極限拉伸值。由此說明，采用置換表層混凝土的加固方案是可行的。

2)針對計算結果反映的溫度變化規(guī)律，在實際施工過程中，澆筑分層厚度按2.5 m控制，每層混凝土澆筑時間間隔按5 d控制。同時，在每倉混凝土澆筑后，將拆模時間延長至7 d左右，并在新澆混凝土表面鋪設潮濕草袋進行保溫防護，而且在新澆混凝土面上架設水管進行不間斷通水保濕。由于措施得當，新澆混凝土表面并未出現(xiàn)裂縫，澆筑效果良好，說明置換表層混凝土的施工措施是合理可行的。

3)閘墩采用置換混凝土的加固方法既可使閘墩表面混凝土強度及抗沖磨性能達到規(guī)范要求，又解決了閘墩配筋不足的問題，該方法具有施工時間短，造價低等優(yōu)點，可供其他類似工程借鑒。