引江濟(jì)淮工程樅陽船閘閘室混凝土施工期溫控措施仿真分析

覃 茜，祁勇峰，汪 健，頡志強，劉維克

(1.長江科學(xué)院 材料與結(jié)構(gòu)研究所，湖北 武漢 430010； 2.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010； 3.安徽省引江濟(jì)淮集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230092； 4.中建筑港集團(tuán)有限公司，山東 青島 266033)

0 引 言

混凝土溫度裂縫由溫差引起[1]，是水利工程建設(shè)中關(guān)注的重點問題。工程界預(yù)防混凝土溫度裂縫的主要措施有：優(yōu)選原材料(如采用低熱水泥)[2]、優(yōu)化混凝土配合比[3]、分縫分塊澆筑[4]、控溫澆筑[5]、表面保溫[4-5]、通水冷卻[5-7]、流水養(yǎng)護(hù)[8]等。為避免樅陽閘室混凝土產(chǎn)生危害性溫度裂縫，本文選取典型閘室段為研究對象，結(jié)合工程實際氣溫環(huán)境、材料熱力學(xué)特性試驗參數(shù)以及分層澆筑方案，對混凝土澆筑過程進(jìn)行了仿真模擬，分析施工期閘室的溫度場和應(yīng)力場的時空變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，重點研究并明確了澆筑溫度、表面保溫和通水冷卻措施對閘室混凝土結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)力的影響，旨在為閘室混凝土結(jié)構(gòu)合理溫控措施的制定提供參考。

1 工程概況

引江濟(jì)淮工程溝通長江和淮河兩大水系，是“十三五”期間172項節(jié)水供水重大水利工程之一。樅陽樞紐工程是該工程的一個引江口門，連接長江與菜子湖。樅陽船閘按Ⅲ級建設(shè)，設(shè)計最大船舶噸級為1 000 t級，兼顧2 000 t級船舶[9]。樅陽船閘主體段由上下閘首、閘室以及下游消能段組成，總長268 m。閘室底板底面高程-7.0 m，底板頂面高程-3.0 m，閘室有效尺度240.0 m×23.0 m×5.2 m(長×寬×門檻水深)。船閘的底板和邊墻屬于薄壁大體積混凝土結(jié)構(gòu)[10-11]，易開裂[12]。本工程采用泵送混凝土澆筑，膠凝材料用量大，放熱量大，水化溫升快[13]，因此對混凝土溫控防裂提出了更高要求。

2 基本理論及工具

大體積混凝土施工期溫度和應(yīng)力仿真一般采用三維有限元法，其相應(yīng)基本原理及方法已較為成熟[1]。本研究采用長江科學(xué)院自主研發(fā)的大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度場和溫度應(yīng)力三維有限元仿真計算軟件Ckysts1.0進(jìn)行仿真計算。閘室仿真計算模型如圖1(a)所示，考慮閘室前后、左右、下部各1.5倍尺寸長度的地基，模型采用8節(jié)點六面體實體單元，單元總數(shù)86 728個，節(jié)點總數(shù)96 405個。為考慮通水冷卻措施影響，在閘室的底板和邊墻高程5.0 m 以下，以豎向間距1.0 m、蛇形布置間距1.0 m×1.0 m的冷卻水管，通水冷卻溫度場采用改進(jìn)埋置水管單元法模擬[14]，埋置水管單元1 578個，如圖1(b)所示。計算中所用直角坐標(biāo)系定義為：順?biāo)鞣较驗閄軸，垂直水流向為Y軸，高程方向為Z軸。

圖1 閘室計算模型

3 計算條件

3.1 氣候條件

根據(jù)樅陽船閘工程所在地多年月平均氣溫統(tǒng)計，擬合日均氣溫

(1)

式中：β為月份；Ta為日均氣溫，℃。

日氣溫公式為

(2)

式中：τ為時刻；Td為τ時刻氣溫，℃；Tc為月均日溫差，℃。

3.2 混凝土熱學(xué)性能參數(shù)

閘室采用泵送混凝土澆筑，船閘混凝土熱學(xué)性能[15]如表1所示。

表1 混凝土的熱學(xué)性能

基于室內(nèi)試驗結(jié)果擬合混凝土絕熱溫升[15]，擬合公式為

T=48.5t/(t+0.7)

(3)

式中：T是混凝土的絕熱溫升值，℃；t是混凝土的齡期，d。混凝土28 d的絕熱溫升值為48.5 ℃。

3.3 混凝土力學(xué)性能參數(shù)

樅陽船閘混凝土的力學(xué)性能[15]如表2所示。

表2 混凝土的力學(xué)性能

根據(jù)室內(nèi)試驗值，擬合彈性模量

E(t)=34×(1.0-e-0.7t0.43)

(4)

式中：E是混凝土的彈性模量，GPa。

納布啡靜注后引起眩暈，其作用機(jī)制不明，實驗證實腦缺血、缺氧后腦內(nèi)β-內(nèi)啡肽濃度升高[10]，內(nèi)源性β-內(nèi)啡肽濃度增高可引起眩暈。異丙嗪可以抑制前庭功能，阻斷前庭核區(qū)膽堿能突觸迷路沖動的興奮，具有較強的止吐作用及抗暈動作用。異丙嗪是治療眩暈癥常用藥物之一，對中樞性眩暈和周圍性眩暈有較好的療效 [13]，本研究結(jié)果表明，小劑量異丙嗪可有效預(yù)防納布啡靜注后引起的眩暈。由于異丙嗪對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有鎮(zhèn)靜抑制作用，與丙泊酚有協(xié)同作用，可減少丙泊酚用量。納布啡用于無痛胃腸鏡檢查，比舒芬太尼呼吸抑制發(fā)生率低，血氧飽和度高，提示納布啡用于無痛胃腸鏡安全性優(yōu)于舒芬太尼。

對比混凝土虛擬強度(彈性模量×極限拉伸值)、軸心抗拉強度、劈裂抗拉強度，對混凝土強度取值如圖2所示。出于安全考慮，采用虛擬強度作為計算混凝土抗裂安全度的強度指標(biāo)，擬合公式如下：

f(t)=3.0×(1.0-e-0.6t0.38)

(5)

式中：f(t)是虛擬強度，MPa。

圖2 強度擬合

本仿真分析中根據(jù)常態(tài)混凝土徐變度經(jīng)驗公式取值[1]。

按照NB/T 35092-2017《混凝土壩溫度控制設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，混凝土溫度應(yīng)力的控制標(biāo)準(zhǔn)可按綜合安全系數(shù)法或分項系數(shù)法確定。結(jié)構(gòu)抗裂安全度按下式計算：

(6)

式中：k(t)為齡期t時結(jié)構(gòu)抗裂安全度；f(t)為齡期t時混凝土強度(本次分析中采用虛擬強度)；σ1(t)為齡期t時的混凝土第一主應(yīng)力。為確保防裂效果，將混凝土抗裂安全度控制在1.65以上，因此，在后續(xù)分析中，將f(t)/1.65作為混凝土允許拉應(yīng)力。

3.4 澆筑方式

根據(jù)施工進(jìn)度安排，閘室分3層澆筑，閘室澆筑進(jìn)度見表3，其中底板層澆筑時采用1 m高的吊空模板。閘室底板于10月底澆筑，各澆筑層間歇20 d。考慮澆筑當(dāng)月平均溫度和混凝土拌和、運輸、澆筑條件，混凝土澆筑溫度為20 ℃。

表3 閘室澆筑進(jìn)度

設(shè)置了5個計算工況(表4)進(jìn)行對比分析，其中工況2作為基礎(chǔ)工況。裸露光滑混凝土表面放熱系數(shù)為50.48 kJ/(m2·h·℃)，根據(jù)等效放熱系數(shù)計算方法[1]，得到設(shè)置3 cm厚的木模板和倉面覆蓋2 cm草袋時表面等效放熱系數(shù)分別為17.97，17.14 kJ/(m2·h·℃)。工況5中澆筑層在混凝土澆筑時開始通水，以3.75 m3/h通水流量持續(xù)通水3 d、流量減半通水2 d，流量再減半通水2 d。

表4 溫控措施分析工況

3.5 特征點

4 結(jié)果分析

4.1 溫度場分析

圖4為無溫控措施工況下閘室表面和內(nèi)部的峰值溫度包絡(luò)圖。邊墻較底板薄，散熱能力較大，邊墻混凝土峰值溫度普遍低于底板混凝土峰值溫度。邊墻下部底板受吊空澆筑的1 m高混凝土影響，內(nèi)部溫度高于底板中間內(nèi)部溫度。

圖3 閘室特征點布置

圖4 峰值溫度包絡(luò)圖(工況2)

無溫控措施工況下，閘室不同位置特征點的溫度歷程如圖5所示。混凝土在澆筑后，溫度隨水化放熱升高，達(dá)到峰值溫度后，受表面散熱影響，溫度逐漸下降至環(huán)境溫度。其中，表面溫度受外界晝夜溫差影響，產(chǎn)生3.2 ℃的溫度波動。為提高計算速率，混凝土澆筑7 d之后，計算步長設(shè)置為不小于1 d，不再考慮晝夜溫差影響，因此表面(T2)的溫度曲線在每次混凝土澆筑7 d之后，不再顯示波動。層間結(jié)合面(T4)在上層邊墻澆筑覆蓋后，溫度再次上升并達(dá)到峰值。底板整體降溫速率約0.97 ℃/d。邊墻內(nèi)部表面(T6)隨晝夜溫差變化，有2.8 ℃的溫度波動。

圖5 特征點溫度歷程(工況2)

4.2 應(yīng)力場分析

無溫控措施工況下，閘室最大第一主應(yīng)力包絡(luò)圖(即計算周期內(nèi)，各節(jié)點在不同時步第一主應(yīng)力的最大值)如圖6所示。底板表面的最大第一主應(yīng)力在中間過流面超過3.0 MPa，下部邊墻表面的最大第一主應(yīng)力在距下層面1.5 m處的內(nèi)外側(cè)表面超過3.0 MPa；底板內(nèi)部最大第一主應(yīng)力在邊墻下部底板中，邊墻內(nèi)部最大第一主應(yīng)力在下部澆筑層中；閘室內(nèi)部的最大第一主應(yīng)力較外部小。

由閘室不同部位特征點的第一主應(yīng)力歷程(圖7)可知，內(nèi)部初期為壓應(yīng)力，隨著溫度的上升，壓應(yīng)力逐漸增大；內(nèi)部點達(dá)到峰值溫度并進(jìn)入降溫期后，內(nèi)部應(yīng)力開始由壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力隨溫度降低而逐漸增大。此外，邊墻下部底板內(nèi)部(T3)還受上層混凝土澆筑的影響，由于上部溫度升高，溫差減小，歷程中出現(xiàn)壓應(yīng)力突降的現(xiàn)象。邊墻內(nèi)部(T5)在澆筑后期內(nèi)部溫度降低時，拉應(yīng)力超過允許拉應(yīng)力，開裂風(fēng)險較高。因表面(T2，T6)澆筑早期的最大第一主應(yīng)力超過相應(yīng)齡期抗拉強度，開裂風(fēng)險高，且受晝夜溫差影響，有0.5～0.8 MPa應(yīng)力波動。

圖6 最大第一主應(yīng)力包絡(luò)圖(工況2)

圖7 特征點應(yīng)力歷程(工況2)

無溫控措施工況下，由閘室結(jié)構(gòu)表面最小抗裂安全度包絡(luò)圖(圖8)可知，閘室表面混凝土大部分區(qū)域的最小抗裂安全度低于0.64，開裂風(fēng)險較高。底板內(nèi)部大部分區(qū)域的最小抗裂安全度大于1.65，開裂風(fēng)險低；但底板吊空邊墻部位的最小抗裂安全度不足1.0，開裂風(fēng)險較高。下部邊墻內(nèi)部靠近層間結(jié)合面處最小抗裂安全度也小于1.0，開裂風(fēng)險較高；上部邊墻內(nèi)部3～5 m高程處，最小抗裂安全度小于1.65，存在一定開裂風(fēng)險。

圖8 最小抗裂安全度包絡(luò)圖(工況2)

4.3 澆筑溫度影響

圖9為不同澆筑溫度下，底板內(nèi)外特征點T1和T2的溫度和應(yīng)力歷程；為便于說明表面點前期的應(yīng)力與抗拉強度關(guān)系，僅展示了T2澆筑6 d內(nèi)的情況。由圖可知，澆筑溫度越低，混凝土峰值溫度越低、最大第一主應(yīng)力越?。粷仓囟葘﹂l室內(nèi)部混凝土峰值溫度的影響比對表面混凝土峰值溫度的影響顯著。

不同澆筑溫度下，閘室各特征點的最小抗裂安全度如表5所示。閘室混凝土內(nèi)部比外部的抗裂安全度受澆筑溫度的影響更顯著。降低澆筑溫度，有利于提高該閘室混凝土抗裂能力，但是影響有限，且僅采取降低澆筑溫度措施仍無法滿足1.65的最小抗裂安全度要求，需要采取其他防裂措施。

圖9 不同澆筑溫度下T1和T2的溫度與應(yīng)力歷程

表5 不同澆筑溫度下特征點最小抗裂安全度

圖10 不同溫控措施對特征點溫度和應(yīng)力歷程

圖11 不同溫控措施邊墻最小抗裂安全度

4.4 表面保溫和通水冷卻影響

4.4.1 表面保溫

僅采取表面保溫措施的工況與無溫控措施工況相比，底板特征點的溫度和應(yīng)力歷程趨勢一致(圖10)；底板內(nèi)部(T1)的峰值溫度變化不大，僅升高0.4 ℃，表面(T2)的峰值溫度大幅升高，約9.0 ℃，可見，保溫后底板內(nèi)外溫度差值(T1溫度-T2溫度)減小，且表面(T2)受外界溫度影響的波動幅度減??；底板整體降溫速率減慢至0.79 ℃/d；底板在澆筑早期，最大第一主應(yīng)力減少了0.30～0.81 MPa，如圖10(d)～(f)所示，在澆筑早期，底板表面和層間結(jié)合面第一主應(yīng)力與抗拉強度的差距減小，抗裂安全度增加。由圖11可知，邊墻混凝土的最小抗裂安全度都有所增加，上部較薄邊墻的最小抗裂安全度增幅較大；下部邊墻，尤其是表面的最小抗裂安全度仍小于1.0，開裂風(fēng)險高，因此，需增加其他溫控措施。

4.4.2 通水冷卻

與僅采取表面保溫措施的工況相比，同時采取保溫和通水冷卻措施工況的底板混凝土峰值溫度大幅降低，降幅約11.2 ℃；底板表面的峰值溫度降低0.1 ℃。因此，底板內(nèi)外溫度差值進(jìn)一步減小，基礎(chǔ)溫差(峰值溫度-準(zhǔn)穩(wěn)定溫度)大幅降低；底板整體降溫速率大幅增加，至2.6 ℃/d。如圖10(b)所示，底板內(nèi)部(T1)的前期應(yīng)力歷程趨勢發(fā)生變化，前期壓應(yīng)力較大，之后拉應(yīng)力逐漸增大，并達(dá)到當(dāng)前齡期允許拉應(yīng)力，停止通水后，第一主應(yīng)力維持在1.02 MPa左右；如圖10(d)和圖10(f)所示，底板表面(T2)和層間結(jié)合面(T4)的最大第一主應(yīng)力在澆筑早期分別降低了1.40 MPa和1.34 MPa，接近允許拉應(yīng)力，早期最小抗裂安全度提高。由圖11可知，邊墻埋水管處部位的表面和層間結(jié)合面的最小抗裂安全度有所增加，但是上部邊墻受下部通水冷卻降溫影響，靠近鋪設(shè)水管頂部(高程5.0 m處)的部位最小抗裂安全度有所降低。

5 結(jié) 論

通過三維有限元仿真，分析了澆筑溫度、表面保溫和通水冷卻措施對引江濟(jì)淮工程樅陽船閘閘室混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的影響，得到以下結(jié)論。

(1) 在澆筑前期，閘室混凝土結(jié)構(gòu)表面和層間結(jié)合面附近的開裂風(fēng)險高；澆筑后期，邊墻內(nèi)部存在一定開裂風(fēng)險。為保證閘室結(jié)構(gòu)的安全，施工時必須采取溫控措施。

(2) 降低澆筑溫度能在一定程度上提高閘室混凝土抗裂能力，但只靠降低澆筑溫度，無法滿足最小抗裂安全度(1.65)的要求，需采取其他的防裂措施；澆筑溫度對該閘室結(jié)構(gòu)的最小抗裂安全度的影響小于表面保溫和通水冷卻措施對其的影響，因此，在做好其他溫控措施時，為控制混凝土澆筑成本，可稍微降低對澆筑溫度的要求。

(3) 閘室表面保溫能減弱外界氣溫的影響，減小內(nèi)外溫差，降低表面混凝土早期的開裂風(fēng)險，提高閘室混凝土的最小抗裂安全度。采取通水冷卻措施能顯著削弱混凝土峰值，減小混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差和峰值溫度，提高表面混凝土早期的抗裂安全度。

綜上所述，針對10月底澆筑的樅陽船閘閘室混凝土，推薦在施工期采取以下溫控防裂措施：控制混凝土澆筑溫度20 ℃，側(cè)面使用3 cm木質(zhì)模板、倉面覆蓋2 cm草袋保溫，并在混凝土澆筑時通水冷卻，冷卻水溫不大于14 ℃，通水流量3.75 m3/h并持續(xù)通水3 d，通水流量減半通水2 d，流量再減半通水2 d。