碾壓混凝土壩陡坡壩段施工期溫控防裂研究

邢坦 胡文才 王振紅

摘?要：與常態(tài)混凝土壩相比，碾壓混凝土壩溫控防裂措施相對(duì)簡(jiǎn)單，但在氣候干燥、溫差較大和太陽輻射強(qiáng)的西藏高海拔地區(qū)建設(shè)碾壓混凝土壩將面臨著較大的溫控壓力。針對(duì)這一問題，把常態(tài)混凝土壩溫控防裂的思路和方法應(yīng)用于碾壓混凝土壩的溫控防裂，經(jīng)過方案的優(yōu)化組合和仿真計(jì)算，得到適合高海拔地區(qū)大壩施工期溫控防裂的目的。該方法以西藏地區(qū)某陡坡壩段為例，用三維有限單元法研究其溫控情況，篩選出實(shí)時(shí)合理的溫控防裂措施，實(shí)際應(yīng)用效果良好。該方法和措施對(duì)類似地區(qū)同類工程的建設(shè)具有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：重力壩;碾壓混凝土;溫控防裂;澆筑溫度;水管冷卻

中圖分類號(hào)：TV315?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.028

Abstract：Compared to the normal concrete dam， temperature control methods for cracking prevention of roller compacted concrete （RCC） dam are quite simpler， however， great challenges still exist for the dam construction in Tibetan area with high altitude， dry climate， large daily temperature difference and intense solar radiation. Based on the temperature control methods applied for normal concrete dams， an optimized temperature control and cracking prevention for RCC dams at high altitude areas was proposed. A steep slope dam segment in Tibet was taken as an example to verify the optimized method. Three-dimensional finite element method was employed to investigate the cracking sensitivities of dam segment under different temperature control methods and suitable temperature control measures were recommended and applied for actual dam construction. The effectiveness of these methods had been confirmed by the on-site inspection. The method and measures have important guiding significance for the similar projects in similar areas.

Key words： gravity dam; roller compacted concrete; temperature control and crack prevention; casting temperature; water pipe cooling

1?前?言

從美國的胡佛大壩開始，如何防止混凝土壩裂縫的產(chǎn)生已受到工程建設(shè)者的重視，并做了大量工作防止裂縫產(chǎn)生，特別是防止溫度裂縫的產(chǎn)生[1-2]，取得了不少成就[3-6]，胡佛大壩的水管冷卻技術(shù)至今仍然被廣泛應(yīng)用。但到目前為止，國內(nèi)外的混凝土壩依然會(huì)或多或少地產(chǎn)生裂縫[7-9]，危害性裂縫影響結(jié)構(gòu)的承載力、防水性、耐久性和使用壽命，而且裂縫的處理將是一件既費(fèi)時(shí)又耗資的事。施工前做好混凝土裂縫的預(yù)防對(duì)于確保工程質(zhì)量非常重要[10-11]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，碾壓混凝土壩越來越被廣泛采用，因其良好的性能和經(jīng)濟(jì)的投資得到了大家的青睞[12-14]。隨著工程建設(shè)者要求的提高，碾壓混凝土中水泥摻量越來越多，摻合料也越來越多，不同部位的混凝土配合比差距比較明顯，而簡(jiǎn)單的施工方法和簡(jiǎn)化的溫控措施是建設(shè)者所期望的。在高海拔地區(qū)筑壩面臨惡劣的自然環(huán)境、多樣的氣候條件和艱苦的施工環(huán)境[15]，仿真計(jì)算的溫度邊界條件與內(nèi)地工程有所不同，其溫控措施和標(biāo)準(zhǔn)將不僅局限于“簡(jiǎn)化溫控措施”，需要更加合理、靈活的溫控措施來指導(dǎo)施工。鑒于此，筆者以高原地區(qū)街需碾壓混凝土壩陡坡段為研究對(duì)象，研究其施工階段為避免裂縫產(chǎn)生所需的溫控防裂措施和標(biāo)準(zhǔn)，特別是在通水冷卻方面。

2?碾壓混凝土壩陡坡段溫控方案研究

2.1?工程概況

街需水電站是雅魯藏布江中游桑日縣至加查縣峽谷段的第3級(jí)電站，工程的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，水庫正常蓄水位為3 374 m，相應(yīng)庫容為4 748萬m3，調(diào)節(jié)庫容為985萬m3。電站裝機(jī)容量為560 MW，保證出力152 MW，多年平均發(fā)電量為27.556億kW·h。水電站大壩為混凝土重力壩，最大壩高117.0 m，最大底寬99.8 m，壩體混凝土總方量約164萬m3。大壩位于高海拔地區(qū)，氣候干燥，日溫差大，太陽輻射強(qiáng)，大壩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，全年施工，施工條件復(fù)雜，溫控防裂難度大。根據(jù)大壩混凝土配合比，試驗(yàn)得出的混凝土熱力學(xué)性能參數(shù)見表1。

2.2?計(jì)算模型

建立模型時(shí)，為了反映環(huán)境氣溫的影響，混凝土結(jié)構(gòu)表面單元?jiǎng)澐窒鄬?duì)密些，在高度方向，單元厚度設(shè)置考慮澆筑層厚。溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，地基底面、四周和壩體側(cè)面設(shè)置為絕熱邊界，壩體頂面、上下游面和澆筑層面為第三類邊界條件，考慮太陽輻射的影響。應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算時(shí)，地基底面視為固定，四周側(cè)面設(shè)置為連桿支撐，其他邊界面均為自由變形面。網(wǎng)格剖分時(shí)采用空間六面體等參單元模型。計(jì)算模型和特征點(diǎn)布置如圖1所示。

2.3?計(jì)算方案

碾壓混凝土大壩的施工措施和常態(tài)混凝土大壩有所不同，溫控防裂措施也略有差別。為了防止混凝土溫度裂縫產(chǎn)生，更好地保證工程質(zhì)量，結(jié)合工程實(shí)際情況，優(yōu)選合理的溫控防裂措施。控制澆筑溫度、進(jìn)行通水冷卻是大體積混凝土常用的溫控防裂方法，具有很好的溫控效果，但是過猶不及，措施過度也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。鑒于此，結(jié)合大壩的基本特征，從澆筑溫度、冷卻方式、水管布置形式、冷卻水溫、目標(biāo)溫度等方面進(jìn)行組合，篩選最優(yōu)方案。在初擬方案的基礎(chǔ)上，這里又列出了4個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比分析，見表2。

2.3.1?增加中期冷卻和加密水管

增設(shè)中期冷卻和加密基礎(chǔ)約束區(qū)冷卻水管對(duì)壩體混凝土溫度和應(yīng)力有重要影響。方案1和方案2比較發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)方案的差異在于有無中冷和基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)水管間距不同。從表3和圖2～圖5可知：

（1）只進(jìn)行初期通水可以削減溫度峰值，但是通水過后混凝土?xí)休^大的溫度反彈，基礎(chǔ)約束區(qū)溫升達(dá)到0.5 ℃;初期冷卻結(jié)束后，混凝土內(nèi)部溫度自然降低，降溫緩慢;碾壓混凝土重力壩施工期通水冷卻時(shí)間短，在施工期不會(huì)達(dá)到穩(wěn)定溫度，在給定準(zhǔn)確溫度邊界條件下，仿真計(jì)算最后一步結(jié)果達(dá)到穩(wěn)定溫度場(chǎng)。

（2）溫度和應(yīng)力的中面包絡(luò)圖顯示，夏季強(qiáng)約束區(qū)澆筑混凝土，溫控措施嚴(yán)格，最高溫度基本在控制范圍內(nèi)，溫控措施相對(duì)寬松的非約束區(qū)混凝土最高溫度相對(duì)較高;由于是陡坡壩段，斜坡上的約束強(qiáng)、范圍較大，因此其應(yīng)力值和范圍也偏大。

（3）早期降溫幅度小，應(yīng)力較小，安全系數(shù)較大;后期降低到穩(wěn)定溫度場(chǎng)時(shí)，混凝土的應(yīng)力超過運(yùn)行拉應(yīng)力，最大應(yīng)力達(dá)到2.09 MPa，安全系數(shù)只有1.34，存在較大開裂可能。

（4）減小水管間距，對(duì)最高溫度影響較大，水管間距由1.5 m×1.5 m變?yōu)?.5 m×1.0 m后，基礎(chǔ)約束區(qū)最高溫度由27.19 ℃變?yōu)?5.98 ℃，降低了1.21 ℃。

（5）增加中期冷卻，降低了后期的溫降幅度，減小了后期應(yīng)力。不設(shè)中冷時(shí)，強(qiáng)約束區(qū)最大應(yīng)力為2.09 MPa，安全系數(shù)只有1.34，增加中期冷卻后，強(qiáng)約束區(qū)最大應(yīng)力降低為1.54 MPa，安全系數(shù)增大到1.82。雖然早期應(yīng)力有所增大，但依然在允許應(yīng)力范圍內(nèi)，安全系數(shù)大于2。

可見，對(duì)碾壓混凝土而言，降低最高溫度、縮小基礎(chǔ)溫差、盡早冷卻能達(dá)到較好的溫控效果。

2.3.2?降低澆筑溫度

不同澆筑溫度對(duì)陡坡壩體溫度應(yīng)力有重要影響。從表4和圖6、圖7可知：

（1）當(dāng)強(qiáng)約束區(qū)澆筑層厚1.5 m，夏季澆筑的強(qiáng)約束區(qū)混凝土澆筑溫度分別為15、13 ℃時(shí)，澆筑溫度每降低2 ℃，壩體混凝土最高溫度降低約1.13 ℃，最大應(yīng)力相應(yīng)降低0.06～0.07 MPa，抗裂安全系數(shù)分別為1.82和1.89。

（2）在相同的溫控措施下，澆筑溫度降低引起最高溫度降低，使得混凝土整體應(yīng)力降低，安全系數(shù)升高。

2.3.3?控制降溫速率

考慮到早期降溫過快會(huì)導(dǎo)致早期應(yīng)力增大，對(duì)早期溫降過程進(jìn)行控制，研究其對(duì)溫度和應(yīng)力的影響效果。1#特征點(diǎn)在3 284 m高程處，下同。從表5和圖8、圖9可知：

（1）將中冷水溫由12 ℃升高到15 ℃，目標(biāo)溫度由15 ℃調(diào)整為16 ℃時(shí)，澆筑倉內(nèi)最高溫度不受影響，強(qiáng)約束區(qū)最高溫度基本為24.85 ℃

（2）早期最大順河向應(yīng)力由0.73 MPa降低到0.56 MPa，安全系數(shù)由2.56增大到3.33;后期最大順河向應(yīng)力由1.48 MPa增大到1.56 MPa，安全系數(shù)由1.89降低到1.79。

2.3.4?增大水管間距

在方案3滿足溫控防裂的基礎(chǔ)上，探討經(jīng)濟(jì)合理的溫控措施。從放寬冷卻水管間距角度出發(fā)，研究其對(duì)壩體混凝土溫度和溫度應(yīng)力場(chǎng)的影響。由表6和圖10、圖11可知：將水管間距由1.5 m×1.0 m改為1.5 m×1.5 m時(shí)，混凝土內(nèi)最高溫度由24.85 ℃升高到26.05 ℃，相差1.2 ℃;最大順河向應(yīng)力由1.48 MPa增大到1.61 MPa，安全系數(shù)由1.89降低到1.74。

3?陡坡壩段溫控措施和標(biāo)準(zhǔn)

施工期的混凝土溫度發(fā)展，不僅要防止溫度過高，也要防止溫度過低影響混凝土材料性能，在時(shí)間上要控制其發(fā)展過程，避免過快的溫降速率產(chǎn)生較大的冷縮現(xiàn)象。同時(shí)，空間上也要防止較大的溫度梯度發(fā)生，避免因溫度變化不協(xié)調(diào)而相互約束產(chǎn)生裂縫。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在空間上也根據(jù)約束情況進(jìn)行了相應(yīng)分區(qū)，不同的分區(qū)采用不同的溫控標(biāo)準(zhǔn)和措施，既滿足防裂需求，又經(jīng)濟(jì)合理。陡坡壩段溫控措施空間分布模式如圖12所示。

3.1?允許澆筑溫度

根據(jù)大壩碾壓混凝土的材料參數(shù)性能，混凝土澆筑溫度設(shè)定為（月平均氣溫+3） ℃，但冬季不得低于6 ℃，夏季強(qiáng)約束不高于13 ℃，弱約束區(qū)不高于14 ℃，自由區(qū)不高于16 ℃，運(yùn)行澆筑溫度情況見表7。

3.2?水管冷卻模式

（1）水管布置。大壩基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)水管布置為1.5 m×1.5 m（水平×豎直）方式，弱約束區(qū)和自由區(qū)混凝土水管布置為1.5 m×2.0 m（水平×豎直）。

（2）一期冷卻。混凝土下料澆筑即可開始一期通水冷卻，冷卻時(shí)間20 d左右。前10 d水溫為10～12 ℃，流量為1.5～2.5 m3/h，11～20 d水溫為12 ℃，流量為0.8～1.2 m3/h。每24 d改變一次通水方向，同時(shí)要求最高溫度峰值過后最大日降溫速率≤0.5 ℃/d，通水溫度與混凝土溫度相差不大于20 ℃。

一期冷卻控溫的目標(biāo)是削減混凝土溫度峰值，混凝土最高溫度應(yīng)滿足要求，一期冷卻結(jié)束時(shí)混凝土溫度在20 ℃左右，一冷降溫幅度不大于8 ℃。一冷結(jié)束后進(jìn)行控溫，控溫時(shí)間為30～60 d。

（3）中期冷卻。為了防止一期冷卻結(jié)束后混凝土溫度回升，減小后期的溫降，實(shí)現(xiàn)混凝土“小溫差、慢冷卻、早保護(hù)”的溫控理念，一冷結(jié)束后應(yīng)進(jìn)行必要的控溫，高溫季節(jié)澆筑的混凝土入冬前進(jìn)行必要的大面積中期降溫。

中期通水水溫為12～15 ℃，通水流量為0.6～1.0 m3/h，最大日降溫速率≤0.3 ℃/d，保持混凝土溫度緩慢降到15～16 ℃。

通水水溫與混凝土內(nèi)部溫度之差不超過15 ℃。中期通水前通過悶溫測(cè)出壩體溫度，復(fù)核并保證通水水溫滿足水溫與混凝土的溫差要求。

3.3?最高溫度控制

考慮碾壓混凝土的一般溫控措施和有限元三維仿真計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合工程實(shí)際情況，擬定允許最高溫度見表8。

4?結(jié)?語

（1）重力壩的陡坡壩段基礎(chǔ)約束面大，壩體受地基約束明顯，再加上現(xiàn)在的碾壓混凝土水泥和摻和料越來越多，混凝土溫度越來越高，溫升越來越快，溫控措施應(yīng)更為嚴(yán)格。冷卻水管、控制澆筑溫度是防止裂縫產(chǎn)生的重要手段，通過加密冷卻水管和降低澆筑溫度可以很好地降低基礎(chǔ)溫差。

（2）不同于傳統(tǒng)的通水冷卻降溫方式，中期冷卻可防止混凝土溫度反彈，降低后期溫降幅度，減小溫降應(yīng)力，使得“小溫差、慢冷卻、早保護(hù)”的溫控理念在碾壓混凝土壩中實(shí)現(xiàn)。

（3）對(duì)高原地區(qū)的街需碾壓混凝土壩陡坡段進(jìn)行溫控研究，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行跟蹤反饋，以期對(duì)類似工程發(fā)揮更好的參考價(jià)值。

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