白鶴灘泄洪洞大跨度頂拱襯砌混凝土拆模時(shí)間分析

康建榮，劉 凡，陳 敏

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

1 工程特性

金沙江白鶴灘水電站在左岸單側(cè)并行布置3條泄洪洞。本工程泄洪洞樞紐具有如下特點(diǎn)：①洞身長(zhǎng)：?jiǎn)螚l泄洪洞最長(zhǎng)2.4km，3條泄洪洞總長(zhǎng)6.7km；②泄洪流速高：白鶴灘泄洪洞按全洞無(wú)壓設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)泄洪流速最高近50m/s；③洞身斷面大：斷面型式為城門(mén)洞型，襯砌后過(guò)流斷面尺寸寬×高為15m×18m，屬于大跨度隧洞；④泄洪流量大：?jiǎn)螚l隧洞泄洪流量達(dá)4200m3/s。

2 研究目的

為了減少邊界約束，防止高流速泄洪洞襯砌混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫的產(chǎn)生，白鶴灘泄洪洞襯砌混凝土的施工采用了先邊墻、再頂拱、后底板的施工順序，襯砌分段長(zhǎng)度按照12m進(jìn)行控制。對(duì)于邊墻和頂拱均采用整體自行式鋼模臺(tái)車(chē)作為模板，按照設(shè)計(jì)和規(guī)范對(duì)于大跨度頂拱要求混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%方可進(jìn)行模板拆除，且不得少于36h。如果按此標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行會(huì)造成頂拱澆筑月強(qiáng)度極低，施工進(jìn)度難以保證。水利水電工程模板施工規(guī)范DL/T 5110-2013指出：經(jīng)計(jì)算及試驗(yàn)復(fù)核，混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際強(qiáng)度已能承受自重及其他實(shí)際荷載時(shí)，可提前拆模。因此，為了加快泄洪洞頂拱襯砌循環(huán)時(shí)間，確保施工進(jìn)度，降低工程施工成本，迫切需要對(duì)頂拱拆模待強(qiáng)時(shí)間進(jìn)行分析，以達(dá)到保證結(jié)構(gòu)安全的前提下實(shí)現(xiàn)提前拆模。

本工程結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)，施工環(huán)境因素，施工工藝，通過(guò)有限元建模計(jì)算，尋求最優(yōu)拆模時(shí)間。

3 拆模時(shí)間分析

3.1 分析模型的建立

考慮到泄洪洞頂拱襯砌結(jié)構(gòu)的厚度越小，斷面尺寸越大，自重作用下的應(yīng)力越大，要求的拆模待強(qiáng)時(shí)間越長(zhǎng)，這里以泄洪洞洞身上平段城門(mén)洞形斷面1.0m厚度襯砌結(jié)構(gòu)為例。

計(jì)算結(jié)構(gòu)段為泄洪洞洞身上平段，城門(mén)洞形斷面，襯砌厚度1.0m，沿泄洪洞軸線方向每隔12m設(shè)置環(huán)向施工分縫，襯砌結(jié)構(gòu)的底板和邊墻為C9040低熱混凝土，頂拱為C9030低熱混凝土，其中頂拱中部采用自密實(shí)混凝土，頂拱兩側(cè)采用一級(jí)配或二級(jí)配混凝土。泄洪洞應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算具有對(duì)稱(chēng)的幾何形狀和對(duì)稱(chēng)的載荷，因此，計(jì)算對(duì)象可按照對(duì)稱(chēng)條件截取。規(guī)定沿洞軸線往洞外為Z軸正向，襯砌結(jié)構(gòu)統(tǒng)一采用空間八結(jié)點(diǎn)等參單元，結(jié)構(gòu)段模型共劃分三維塊體單元8346個(gè)，襯砌中央橫斷面處混凝土塊體單元尺寸不超過(guò)0.5m。襯砌橫斷面及網(wǎng)格模型參見(jiàn)圖1。

圖1 泄洪洞洞身上平段A型襯砌橫斷面及有限元網(wǎng)格

3.2 外部荷載分析

拆模時(shí)可以認(rèn)為頂拱結(jié)構(gòu)僅承受混凝土的自重荷載。這是因?yàn)椋孩夙敼耙r砌時(shí)洞室開(kāi)挖和初期支護(hù)已完成，洞室已經(jīng)穩(wěn)定；②由于頂拱澆筑工藝的限制，頂拱混凝土澆筑時(shí)上部空間的混凝土不飽滿(mǎn)，頂拱中心一定范圍內(nèi)混凝土和頂部圍巖并未接觸，存在著一定的空隙，往往需要經(jīng)過(guò)回填灌漿才能保證緊密結(jié)合，故灌漿前頂部圍巖荷載不會(huì)傳到頂拱結(jié)構(gòu)上；③混凝土澆筑完成后，拆模后的頂拱不存在人員或設(shè)備等活荷載；④澆筑混凝土?xí)r圍巖滲水往往通過(guò)預(yù)先埋設(shè)的排水管排除，不存在內(nèi)外水壓力。⑤頂拱鋼筋提前安裝并通過(guò)與錨桿連接將其自重荷載傳遞至開(kāi)挖巖面。

3.3 混凝土抗力分析

影響頂拱襯砌混凝土拆模時(shí)間的相關(guān)力學(xué)參數(shù)有：混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等。白鶴灘襯砌混凝土不同齡期的混凝土力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 白鶴灘泄洪洞混凝土力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

在前期施工過(guò)程中，對(duì)頂拱襯砌范圍內(nèi)采用的不同配合比混凝土也進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)同條件養(yǎng)護(hù)試塊的不同齡期強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 同條件養(yǎng)護(hù)下試塊實(shí)測(cè)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

為了研究不同齡期混凝土強(qiáng)度，需根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行強(qiáng)度增長(zhǎng)曲線擬合。不同配合比的強(qiáng)度擬合曲線見(jiàn)圖2。

圖2 自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度擬合曲線

圖3 一級(jí)配混凝土抗壓強(qiáng)度擬合曲線

圖4 二級(jí)配混凝土抗壓強(qiáng)度擬合曲線

各齡期的彈模擬合公式的函數(shù)表達(dá)式為：

E(τ)=E0×(1-e-aτb)

式中：τ——齡期，d；

a、b——公式系數(shù)；

E0——最終彈模，取1.2E(90d)；

E——混凝土的彈性模量。

3.4 安全系數(shù)計(jì)算

3.4.1 抗拉安全系數(shù)

混凝土抗拉安全系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中，抗拉強(qiáng)度在荷載作用下一般取軸拉強(qiáng)度計(jì)算。由于無(wú)軸拉強(qiáng)度的試驗(yàn)資料，根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)成果和文獻(xiàn)報(bào)道，抗拉強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的1/12。在《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319-2005)6.3.10中規(guī)定“當(dāng)局部混凝土有抗拉要求時(shí)，抗拉安全系數(shù)應(yīng)不小于4.0?！笨紤]到地下工程的等級(jí)一般低于攔河大壩，這里按4.0計(jì)算。

3.4.2 抗壓安全系數(shù)

混凝土抗壓安全系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中，抗壓強(qiáng)度取立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

關(guān)于地下工程混凝土施工期應(yīng)力的抗壓安全系數(shù)最小值標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，目前水利水電方面的有關(guān)規(guī)范還沒(méi)有明確的規(guī)定。在《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 282-2003)6.3.1中規(guī)定.“對(duì)于基本荷載組合，1、2級(jí)拱壩的安全系數(shù)采用4.0?！笨紤]到地下工程的等級(jí)一般低于攔河大壩，這里按4.0計(jì)算。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 分析工況

根據(jù)過(guò)去的工程經(jīng)驗(yàn)，頂拱拆模時(shí)間不宜小于12h。擬定泄洪洞頂拱襯砌混凝土僅考慮自重荷載時(shí)，計(jì)算方案按照12h、24h、36h三種拆模時(shí)間進(jìn)行有限元分析。

4.2 12h拆模

方案1，泄洪洞頂拱在混凝土澆筑完12h后鋼模臺(tái)車(chē)脫模，即承重模板拆除。

4.2.1 鉛直位移

由于頂拱混凝土拆模后，自重作用下，鉛直位移較大，水平位移相對(duì)較小。鉛直位移是頂拱拆模后能否維持穩(wěn)定的主要指標(biāo)。方案1下頂拱鉛直位移云圖見(jiàn)圖5。

圖5 頂拱鉛直位移云圖(12h)

計(jì)算結(jié)果表明，12h后鋼模臺(tái)車(chē)脫模泄洪洞頂拱襯砌混凝土最大鉛直位移僅為0.724mm，在頂拱中央的內(nèi)側(cè)(中軸線襯砌混凝土下部)。

4.2.2 抗拉強(qiáng)度分析

方案1情況頂拱拉應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖6?？梢钥吹阶畲罄瓚?yīng)力為0.052MPa，出現(xiàn)在頂拱中央的內(nèi)側(cè)(中軸線襯砌混凝土下部，即表面)，抗拉安全系數(shù)為4.88(一級(jí)配)或3.24(二級(jí)配)，當(dāng)采用二級(jí)配混凝土?xí)r，抗拉安全系數(shù)不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖6 頂拱拉應(yīng)力分布云圖(12h)

4.2.3 抗壓強(qiáng)度分析

方案1條件下頂拱壓應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖7。計(jì)算結(jié)果表明，最大壓應(yīng)力為0.48MPa，出現(xiàn)在頂拱與邊墻交界面的圍巖側(cè)，抗壓安全系數(shù)為6.34(一級(jí)配)或4.21(二級(jí)配)，均大于4.0，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖7 頂拱壓應(yīng)力分布云圖(12h)

4.3 24h拆模

方案2，泄洪洞頂拱在混凝土澆筑完24h后鋼模臺(tái)車(chē)脫模，即承重模板拆除。

4.3.1 鉛直位移

方案2下頂拱鉛直位移云圖見(jiàn)圖8。計(jì)算結(jié)果表明，泄洪洞頂拱襯砌混凝土最大鉛直位移為0.597mm，在頂拱中央的內(nèi)側(cè)。

圖8 頂拱鉛直位移云圖(24h)

4.3.2 抗拉強(qiáng)度分析

方案2下頂拱拉應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖9。計(jì)算結(jié)果表明，最大拉應(yīng)力為0.047MPa，出現(xiàn)在頂拱中央的內(nèi)側(cè)(中軸線襯砌混凝土下部，即表面)，抗拉安全系數(shù)為8.70(一級(jí)配)或6.74(二級(jí)配)，均大于4.0，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖9 頂拱拉應(yīng)力云圖(24h)

4.3.3 抗壓強(qiáng)度分析

方案2下頂拱壓應(yīng)力分布云圖見(jiàn)下圖10。計(jì)算結(jié)果表明，最大壓應(yīng)力為0.47MPa，出現(xiàn)在頂拱與邊墻交界面的圍巖側(cè)，抗壓安全系數(shù)為10.45(一級(jí)配)或8.09(二級(jí)配)，均大于4.0，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖10 頂拱壓應(yīng)力分布云圖(24h)

4.4 36h拆模

方案3，泄洪洞頂拱在混凝土澆筑完36h后鋼模臺(tái)車(chē)脫模，即承重模板拆除。

4.4.1 鉛直位移

方案3下頂拱鉛直位移云圖見(jiàn)圖11。計(jì)算結(jié)果表明，泄洪洞頂拱襯砌混凝土最大鉛直位移為0.536mm，在頂拱中央的內(nèi)側(cè)。

圖11 頂拱鉛直位移云圖(36h)

4.4.2 抗拉強(qiáng)度分析

方案3下頂拱拉應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖12。計(jì)算結(jié)果表明，36h拆模條件下最大拉應(yīng)力為0.047MPa，出現(xiàn)在頂拱中央的內(nèi)側(cè)(中軸線襯砌混凝土下部，即表面)，抗拉安全系數(shù)為11.26(一級(jí)配)或9.51(二級(jí)配)，均大于4.0，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖12 頂拱拉應(yīng)力分布云圖(36h)

4.4.3 抗壓強(qiáng)度分析

方案3下頂拱壓應(yīng)力分布云圖見(jiàn)下圖13。計(jì)算結(jié)果表明，在36h拆模的情況最大壓應(yīng)力為0.46MPa，出現(xiàn)在頂拱與邊墻交界面的圍巖側(cè)，抗壓安全系數(shù)為13.80(一級(jí)配)或11.66(二級(jí)配)，均大于4.0，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖13 壓應(yīng)力分布云圖(36h)

5 結(jié)語(yǔ)

采用有限元法對(duì)白鶴灘水電站泄洪洞以厚度最小為1.0m的襯砌混凝土，在自重作用下拆模時(shí)間分析結(jié)論如下：

(1)鉛直位移。拆模越早，鉛直位移越大。12h拆模，最大鉛直位移僅0.724mm，不會(huì)威脅安全性。

(2)最大拉應(yīng)力及最小抗拉安全系數(shù)。隨著拆模時(shí)間的推遲，頂拱自穩(wěn)能力增強(qiáng)，拉應(yīng)力減小，最小抗拉安全系數(shù)增大。12h拆模，最大拉應(yīng)力僅0.052MPa，最小抗拉安全系數(shù)為4.88，滿(mǎn)足要求。出現(xiàn)在頂拱中部(中軸線襯砌混凝土下部，即表面)。

(3)最大壓應(yīng)力及最小抗壓安全系數(shù)。隨著拆模時(shí)間的推遲，最大壓應(yīng)力減小，最小抗壓安全系數(shù)增大。12h拆模，最大壓應(yīng)力僅0.48MPa，抗壓安全系數(shù)為4.21，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(4)可行拆模時(shí)間。僅在自重作用下，即使是12h拆模，最大位移、最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力都不大，抗拉和抗壓安全系數(shù)滿(mǎn)足大于4.0的要求?？紤]到泵送混凝土的終凝時(shí)間一般在10h左右，即在10h后才有強(qiáng)度，因此，實(shí)際拆模時(shí)間應(yīng)該是在澆筑完成24h后，方能夠保證頂拱結(jié)構(gòu)安全。