某大孔口水閘底板施工溫控?cái)?shù)值模擬

金鑫鑫，張建華，張國(guó)新

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038；2.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江西 南昌 330029）

1 研究背景

目前，國(guó)內(nèi)水閘單孔寬度基本在8～12 m，20 m以上水閘較少，相比常規(guī)水閘，大孔口水閘閘孔尺寸均超過30 m。水閘底板平面尺寸大而厚度薄，易受環(huán)境溫度影響；水閘底板與地基、閘墩之間的約束較強(qiáng)；且水閘結(jié)構(gòu)大多采用高性能混凝土，其水泥用量多，水化熱量大，彈性模量大，開裂風(fēng)險(xiǎn)高，因此大孔口水閘結(jié)構(gòu)的溫控防裂問題具有特殊性，溫差及約束是產(chǎn)生溫度應(yīng)力的主要原因。尤其早期（通常1～2 d之內(nèi)）的通水降溫易形成內(nèi)外溫差而產(chǎn)生表面淺層裂縫。大孔口水閘底板的溫控防裂主要從降低內(nèi)外溫差和改善約束兩方面入手。降低內(nèi)外溫差的手段主要包括內(nèi)部合理降溫、倉(cāng)面保溫等。在改善約束方面，主要包括避免基礎(chǔ)過大起伏和剛度的不均勻、減少澆筑尺寸，合理的設(shè)置分縫、分塊，調(diào)整施工順序，合理設(shè)置間歇期等等［1-3］。目前大孔口水閘建設(shè)仍存在以下問題：（1）規(guī)范不足：目前還沒有專門針對(duì)大孔口水閘的設(shè)計(jì)施工規(guī)范，且由于已建的工程較少，因此缺乏實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)及相應(yīng)的溫控標(biāo)準(zhǔn)［4-5］。（2）通水冷卻問題：鋪設(shè)水管將影響施工進(jìn)度，且初期降溫防裂難度較大。針對(duì)上述問題，有必要對(duì)大孔口水閘在施工期的溫控防裂問題進(jìn)行研究，降低開裂的風(fēng)險(xiǎn)。本文依托某大孔口水閘仿真計(jì)算在不同季節(jié)澆筑下施工期水閘底板的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，把握其分布規(guī)律和演化過程，并針對(duì)應(yīng)力超標(biāo)問題提出有效的工程和結(jié)構(gòu)措施，為大孔口水閘底板的溫控防裂提供參考。

2 某大孔口水閘底板施工期溫控?cái)?shù)值分析

2.1 工程概況本文計(jì)算的水閘單孔孔口凈寬62 m，閘墩厚7 m，底板厚7 m。閘底板高程為6.5 m，閘頂高程為25 m，閘室順流向長(zhǎng)45 m。閘室內(nèi)設(shè)有升臥式翻板門，泄水閘上游混凝土鋪蓋長(zhǎng)20 m，厚1.5 m，泄水閘下游消力池長(zhǎng)30 m。具體的結(jié)構(gòu)布置及材料分區(qū)見圖1。

2.2 有限元程序簡(jiǎn)介本文采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究開發(fā)的SAPTIS程序?qū)κ┕て诶鹊缿?yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬，SAPTIS歷經(jīng)30年的發(fā)展，能夠全面模擬混凝土工程的整個(gè)施工及運(yùn)行過程，已成功應(yīng)用于上百座工程，包括混凝土壩、渡槽、橋梁和隧洞等［9-10］。在溫度場(chǎng)計(jì)算模塊中，可以考慮不同通水條件、通水期數(shù)、表面保溫等對(duì)溫度演化過程產(chǎn)生影響的多種因素，計(jì)算結(jié)果能夠反映實(shí)際溫度場(chǎng)特點(diǎn)。

圖1 水閘剖面（單位：m）

2.3 計(jì)算參數(shù)選取水閘所在地區(qū)的實(shí)測(cè)月平均氣溫見表1，水閘混凝土材料采用C9025W6F50，混凝土的熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)見表2。水閘地基為軟土地基，在地基處理上，進(jìn)行了回填和樁基結(jié)合的方式，具體參數(shù)見表3。泊松比采用0.3。地基與水閘底板混凝土間不設(shè)置接觸模型。

表1 實(shí)測(cè)壩址區(qū)多年月平均氣溫 （單位：℃）

表2 混凝土及基巖熱學(xué)參數(shù)

表3 地基材料參數(shù)

混凝土C9025W6F50絕熱溫升隨時(shí)間的變化采用下式擬合：

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，混凝土C9025W6F50彈性模量隨時(shí)間的變化采用指數(shù)形式進(jìn)行擬合，如下式：

2.4 數(shù)值網(wǎng)格建模及計(jì)算工況水閘網(wǎng)格模型見圖2，模型共有實(shí)體單元69 564個(gè)，節(jié)點(diǎn)72 905個(gè)。為了分析不同季節(jié)澆筑水閘底板的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)，本文計(jì)算4個(gè)不同起澆時(shí)間的工況，分別為2月1日、5月1日、8月1日和11月1日，澆筑間歇期為20 d，層厚1.5 m，不同澆筑層在圖2中彩色區(qū)分。采用自然入倉(cāng)方式，不設(shè)置通水冷卻，對(duì)冬季澆筑的混凝土進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋?。由于底板澆筑完成后，涉及到上部結(jié)構(gòu)的澆筑以及不同的表面處理措施，因此本文僅計(jì)算到澆筑完成時(shí)刻。

圖2 水閘底板溫控計(jì)算網(wǎng)格模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 設(shè)計(jì)條件下水閘底板溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)分析不同季節(jié)澆筑下的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果見圖3。由圖3可見，自然入倉(cāng)條件下，隨著澆筑的進(jìn)行混凝土的澆筑溫度逐倉(cāng)改變，各倉(cāng)混凝土之間有明顯的溫度梯度。混凝土溫度冬季低，夏季高。其中2月和11月起澆的混凝土的最高溫度在36.8℃和34.6℃。其中8月份起澆的混凝土的最高溫度達(dá)到50.1℃，最大值處的環(huán)境溫度約為29℃。內(nèi)外溫差較大。

不同季節(jié)澆筑下的應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果見圖4。水閘底板應(yīng)力較大的部位一般出現(xiàn)在澆筑溫度較高或結(jié)構(gòu)較薄的部位，如門槽和上下游連接段的中部。此外，在水閘底板與上下游的連接處由于相互約束導(dǎo)致應(yīng)力集中，拉應(yīng)力水平較高。其中8月澆筑的水閘底板在門槽處的澆筑溫度較高，隨著環(huán)境溫度不斷降低，門槽處的拉應(yīng)力不斷增加，最大拉應(yīng)力達(dá)到3.16 MPa，在上下游段的中部的拉應(yīng)力達(dá)到1.9 MPa。

不同季節(jié)澆筑下的水閘底板的最高溫度和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表4。由表4可知，在5月和8月起澆的混凝土的最高溫度較大，由此產(chǎn)生的應(yīng)力也較大，超出混凝土強(qiáng)度要求，尤其是8月起澆的混凝土的應(yīng)力最大，因此應(yīng)盡量避免夏季高溫季節(jié)施工。而2月和11月起澆的混凝土應(yīng)力稍小，除了應(yīng)力集中區(qū)域以外，在不采取其他工程措施的條件下，2月和11月起澆的工況能夠滿足混凝土的強(qiáng)度要求。

最大應(yīng)力與強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果見圖5，由于2月和5月起澆的兩個(gè)工況的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在上層底板，因此其距澆筑完成的齡期較短。

圖3 不同季節(jié)起澆混凝土的溫度場(chǎng)包絡(luò)圖

圖4 不同季節(jié)起澆混凝土的第一主應(yīng)力包絡(luò)圖

3.2 設(shè)置分縫后的應(yīng)力分析針對(duì)上述在水閘底板與上下游連接處的應(yīng)力集中問題，本文采取在連接處分縫的措施，分析對(duì)結(jié)構(gòu)的改善作用。其中5月和8月在分縫后的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖6。由圖6可以看出，與未分縫結(jié)果相比，在分縫位置附近的應(yīng)力集中程度下降，應(yīng)力值有明顯的降低。其中5月份起澆的混凝土縫附近位置的應(yīng)力由原來的1.7 MPa減小為1.0 MPa，8月份的應(yīng)力由原來的1.8 MPa減小為0.8 MPa。由此說明分縫有效的改善了縫附近區(qū)域的應(yīng)力集中，但遠(yuǎn)離分縫區(qū)域的應(yīng)力沒有變化，因此分縫的作用范圍是局部的。

表4 不同季節(jié)澆筑的最高溫度和應(yīng)力最大值結(jié)果

圖5 第一主應(yīng)力最大值與強(qiáng)度曲線對(duì)比

3.3 降低澆筑溫度后的應(yīng)力分析為了進(jìn)一步降低5月和8月起澆的水閘底板應(yīng)力，將澆筑溫度降低5℃入倉(cāng)。5月起澆的水閘底板的溫度和應(yīng)力包絡(luò)見圖7（a）（b）。由圖7可見，降低澆筑溫度后，最大溫度值由原來的47.8℃減小為40.8℃，應(yīng)力明顯的降低，5月起澆混凝土的最大應(yīng)力值1.0 MPa，可以滿足強(qiáng)度要求。8月起澆的水閘底板在降低澆筑溫度后的計(jì)算結(jié)果見圖7（c）（d）。最高溫度由50.1℃降為46.4℃，整體應(yīng)力水平明顯降低，基本在1.0 MPa以下，門槽部位最大應(yīng)力為1.6 MPa。以上結(jié)果表明，通過降低澆筑溫度的方式可以有效的降低混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平。但對(duì)于8月起澆的水閘門槽部位，一味的通過降低澆筑溫度的方法來減小應(yīng)力水平是不合適的，對(duì)于高溫季節(jié)澆筑的薄底板還應(yīng)采取加強(qiáng)保溫、改變施工順序等其他措施。

圖6 5月和8月起澆的第一主應(yīng)力包絡(luò)圖

圖7 降低澆筑溫度后的5月和8月起澆的水閘底板溫度和應(yīng)力包絡(luò)圖

4 結(jié)論

大孔口水閘的底板作為薄板混凝土結(jié)構(gòu)，在施工期的防裂問題是施工過程中的工作重點(diǎn)，本文通過對(duì)某大孔口水閘底板不同條件下的施工期溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的仿真分析得到以下結(jié)論：（1）在自然澆筑情況下，2月和11月起澆的水閘底板應(yīng)力能夠滿足防裂要求，而5月和8月起澆的混凝土由于溫度較高，內(nèi)外溫差較大，因此產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，超出強(qiáng)度范圍。尤其是8月份起澆的門槽部位混凝土應(yīng)力過大。（2）通過在水閘底板與上游鋪蓋和下游消力池底板的連接處設(shè)置分縫，減小了結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)度方向的尺寸，可以有效降低縫附近區(qū)域的應(yīng)力值。（3）除了門槽局部外，通過采取降低混凝土澆筑溫度的方法，可有效降低混凝土的拉應(yīng)力水平，使得5月和8月起澆的混凝土應(yīng)力滿足抗裂要求。