大壩混凝土溫控防裂措施優(yōu)化研究

于敬鐸

(遼寧西北發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117200)

1 工程概況

石橋水電站是遼寧省東部重要河流愛河下游干流上的重要水利樞紐工程，對解決當?shù)剞r(nóng)村電力供應(yīng)，控制環(huán)境污染具有十分重要的作用。根據(jù)工程設(shè)計，該水電站是一座以發(fā)電為主的綜合性小型徑流式水電站，設(shè)計庫容3664萬m3，裝機容量9600 kW[1]。石橋水電站工程主要由攔河壩、溢洪道以及引水發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成。其中，電站大壩壩型為混凝土重力壩，最大壩高為34.35 m，壩頂寬為7.00 m，坡比為1∶0.7。其中擋水壩段基建面高程為116.02 m，上游和下游設(shè)計水位分別為147.50 m和125.62 m，采用C30混凝土澆筑[2]。由于混凝土重力壩屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，澆筑過程中混凝土產(chǎn)生的水化熱不易散失，并產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力[3]。因此，研究不同溫控措施對混凝土的溫度應(yīng)力的影響，并選擇最為科學(xué)的溫控防裂方案，對大壩的順利建成和安全運行具有重要意義。

2 ANSYS有限元計算模型

2.1 計算模型的構(gòu)建

ANSYS是美國ANSYS公司推出的一款工程仿真計算軟件，具有復(fù)合材料設(shè)計、建立三維組件、擴展建模、動力學(xué)分析、流體力學(xué)分析、聲場分析以及結(jié)構(gòu)凈力分析等諸多領(lǐng)域的分析功能，可以用于結(jié)構(gòu)、流體、電力以及電磁和碰撞等方面問題的研究，在各個工程領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[4]。同時，在ANSYS有限元模型建成之后，僅需要對相關(guān)參數(shù)進行調(diào)整，即可實現(xiàn)對不同工況下的有限元計算模型重建，具有多方案計算方面的便捷性[5]?；诖?，本次選擇ANSYS軟件進行計算模型的構(gòu)建。由于大壩混凝土澆筑施工采用分段澆筑的方式，各個壩段相互獨立，因此對整個大壩進行建模計算沒有具體的施工指導(dǎo)意義，還會大幅增加計算量[6]。因此，研究中選擇大壩的6#壩段的部分澆筑塊進行建模分析。該澆筑塊的長寬均為19.0 m，高度為2.5 m，分為上下兩層。其中，底層為厚度1.0 m的墊層混凝土，上部為厚度1.5 m的C30混凝土。為了保證計算結(jié)果的科學(xué)性和準確性，模型豎直向下取10.0 m，上下游方向取19.0 m。模型以水流方向為Y軸的正方向，以垂直于Y軸指向右岸的方向為X軸的正方向，以豎直向上的方向為Z軸的正方向。研究中選取鄧肯模型作為模擬計算的本構(gòu)模型，將壩體視為線彈性材料，利用SOLID70單元進行模型的網(wǎng)格單元劃分，最終獲得24 924個計算單元，26 567個 計算節(jié)點,有限元模型示意圖如圖1。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 邊界條件和計算參數(shù)

計算模型的溫度邊界條件為模型的表面部位為大氣氣溫加2 ℃，以模擬輻射熱的作用和影響；混凝土澆筑倉面的溫度為氣溫加2 ℃[7]。模型地基的各個側(cè)面設(shè)定為法向位移約束；模型的底面為全位移約束。大壩主體采用C30混凝土進行澆筑，其不同齡期的彈性模量以及熱學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 混凝土材料的彈性模量與熱學(xué)參數(shù)

2.3 計算方案

相關(guān)研究表明，大體積混凝土澆筑過程中的內(nèi)部最高溫度等于混凝土的入倉溫度與溫升之和。因此，過高的入倉溫度不僅利于后期混凝土內(nèi)部的溫度控制，同時還會造成最大溫度應(yīng)力出現(xiàn)時間提前，進而增加溫度裂縫產(chǎn)生的風(fēng)險[8]。因此，當前的大體積混凝土澆筑主要采取低溫入倉措施，并取得良好的溫控效果。但是，一味降低混凝土入倉溫度也有不利之處。由于上層混凝土的溫度比下部混凝土的溫度明顯偏低，其入倉過程會產(chǎn)生對下層混凝土的“冷擊”進而造成拉力的超標而產(chǎn)生裂縫?；诖?，研究中設(shè)計不同的外界環(huán)境溫度和入倉溫度，設(shè)計出如表2所示的計算方案，通過數(shù)值模擬研究，獲得最佳混凝土入倉溫度。

表2 入倉溫度計算方案 ℃

混凝土壩的溫度裂縫主要以表面裂縫為主，且多形成于澆筑的初期。雖然大部分表面裂縫并不會對大壩的澆筑質(zhì)量和安全造成顯著影響，但是也有可能發(fā)展成為深層裂縫乃至貫通性裂縫。因此，采取切實有效的表面保溫措施極為必要。但是，表面保溫措施并不是越強越好，過度保溫不僅會增大經(jīng)濟成本，還會造成混凝土結(jié)構(gòu)散熱能力下降，不利于后期的防裂控制?；诖?，研究中采取不同材料、不同厚度的表面保溫措施，設(shè)計出如表3所示的計算方案。

表3 保溫措施計算工況設(shè)計 mm

3 計算結(jié)果與分析

3.1 入倉溫度的計算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元計算模型，對不同入倉溫度工況下的混凝土內(nèi)部的溫度和第一、第三主應(yīng)力進行模擬計算，并提取出如表4所示的計算結(jié)果最大值。由表中的計算結(jié)果可知，第一主應(yīng)力隨著混凝土入倉溫度和環(huán)境溫度溫差的增大而增大，第三主應(yīng)力隨著混凝土入倉溫度和環(huán)境溫度溫差的增大而減小。從第一主應(yīng)力的變化情況來看，當溫差小于5 ℃時，隨著溫差的增大，第一主應(yīng)力的增大幅度較為有限，當溫差大于5 ℃時，增加的速率較為迅速。鑒于主拉應(yīng)力是造成混凝土溫度裂縫的主要因素，在混凝土澆筑施工過程中，應(yīng)該時刻關(guān)注天氣和環(huán)境溫度的變化，將入倉溫度和環(huán)境溫度之差控制在5 ℃以內(nèi)。這不僅可以有效降低后期混凝土的溫升，也有利于控制施工成本和防止新入倉混凝土“冷擊”現(xiàn)象的負面影響。

表4 不同工況下溫度和應(yīng)力最大值

3.2 表面保溫措施的計算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元計算模型，對不同表面溫控措施工況下的混凝土內(nèi)部的溫度和第一、第三主應(yīng)力進行模擬計算，并提取出如表5所示的計算結(jié)果最大值。由表中的計算結(jié)果可知，隨著混凝土表面保溫措施的不斷加強，混凝土中心部位所達到的最高溫度呈現(xiàn)出不斷增加的特征。究其原因，主要是保溫措施的加強不利于混凝土本身向外部環(huán)境散熱，進而導(dǎo)致中心部位溫度的明顯升高。從第三主應(yīng)力的計算結(jié)果來看，其最大壓應(yīng)力的值在2.5 MPa左右，這一數(shù)值遠遠低于C30混凝土的抗壓強度值。從第一主應(yīng)力的最大值來看，BW1、BW2、BW3三種工況下的第一主應(yīng)力最大值已經(jīng)超過混凝土抗拉強度設(shè)計值，BW4、BW6、BW7的第一主應(yīng)力最大值已經(jīng)十分接近C30混凝土的抗拉強度設(shè)計值。由此可見，BW5的保溫措施是最為適合的。也就是說，在大壩混凝土澆筑施工過程中，應(yīng)該采用鋼模板內(nèi)部貼聚乙烯泡沫保溫板的方式進行表面保溫，厚度以2 cm 為宜。采用上述保溫措施，不僅可以保證混凝土表面的拉應(yīng)力不超過混凝土本身的抗拉強度設(shè)計值，保證混凝土表面不開裂，同時施工過程也比較簡單，有利于控制施工成本。

表5 不同工況下溫度和應(yīng)力最大值

4 結(jié) 論

(1)當溫差小于5 ℃時，隨著溫差的增大，第一主應(yīng)力的增大幅度較為有限，當溫差大于5 ℃時，增加的速率較為迅速，建議將入倉溫度和環(huán)境溫度之差控制在5 ℃以內(nèi)。

(2)在大壩混凝土澆筑施工過程中，應(yīng)該采用鋼模板內(nèi)部貼聚乙烯泡沫保溫板的方式進行表面保溫，厚度以2 cm為宜。