跌水壩大體積混凝土降低水化熱的技術(shù)研究

焦鵬飛,鐘 凱,林存康,王亞林,干龍飛

(中建新疆建工(集團(tuán))有限公司,烏魯木齊 830000)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,大壩建設(shè)需求不斷增多。因具備材料豐富和施工便捷等優(yōu)勢,在大壩建設(shè)中越來越多的應(yīng)用到大體積混凝土[1]。但與此同時(shí)也出現(xiàn)了一定的問題:因大體積混凝土有較大的結(jié)構(gòu)尺寸,含有豐富的膠凝材料,使其在養(yǎng)護(hù)期容易出現(xiàn)顯著的水化熱效應(yīng),而在內(nèi)外約束和外部影響下,使其容易轉(zhuǎn)化為溫度裂縫,若無法有效控制溫度裂縫則會進(jìn)一步發(fā)展為貫穿裂縫,以至于對結(jié)構(gòu)的剛度和耐久性造成影響[2]?？梢?降低跌水壩大體積混凝土水化熱反應(yīng)有重要意義。

1 有限元模型

以某跌水壩為研究對象,其頂部高程為1170.20m,長為315m,最大壩的高和寬分別為14m和6m,路面平整度較好。上游壩坡坡比為1∶3,干砌石護(hù)坡坡度為0.4m,有較為清晰的整體結(jié)構(gòu),壩體以高噴帷幕灌漿的方式進(jìn)行防滲。下游壩有1∶2.5的坡度比,草皮護(hù)坡,整體壩陂平整度較高,沒有出現(xiàn)塌陷等情況,跌水壩下方設(shè)置有土坡護(hù)腳,壩腳設(shè)置有排水管,并設(shè)置堆石砌筑。壩頂?shù)纳笆访婧?0cm。

為準(zhǔn)確模擬該跌水壩,根據(jù)其設(shè)計(jì)圖紙和地質(zhì)條件選取合適范圍進(jìn)行建模。在模型底板共設(shè)置3個測溫?cái)嗝妗?2個測溫點(diǎn)。A、B、C3個斷面分別為底板中軸線豎直斷面、過底板中心點(diǎn)水平斷面、過底板上表面朝下50cm水平斷面。

2 設(shè)置冷卻水管方案

所使用的冷卻水管直徑為0.05m,直接抽取水庫的水,冷卻水管內(nèi)水溫度在7.5°C以上,管中水流量為1.2m3/h。在跌水壩底部共設(shè)置有5層冷卻水管,且每層布置有8根。第一層冷卻水管和下頂面距離2m,第5層冷卻水管和上頂面距離2m。

2.1 溫度場分析

限于篇幅,文章僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù),具體結(jié)果見圖1。

圖1 A斷面溫度-時(shí)間曲線

從結(jié)果可以看出:

1)底板結(jié)構(gòu)體積較大,導(dǎo)熱性差,膠凝材料不斷出現(xiàn)水化熱反應(yīng),導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度場劇烈變化,各測點(diǎn)約有8.3～9.5℃的最大升溫速率。底板在完成澆筑施工后的72～96h出現(xiàn)內(nèi)部溫度峰值,測點(diǎn)2、測點(diǎn)3和測點(diǎn)4的溫度峰值分別是39.6℃、36.4℃和39.1℃。在大體積混凝土內(nèi)部水化熱溫升的影響下,底板底部測點(diǎn)1在完成混凝土澆筑后的60h出現(xiàn)34.0℃的溫度峰值,表面測點(diǎn)5在完成混凝土澆筑后的48h出現(xiàn)33.0℃的溫度峰值?；炷林械亩鄶?shù)膠凝材料在達(dá)到溫度峰值后已經(jīng)基本水化,剩余部分所產(chǎn)生的水化熱要比混凝土散熱效率低,因此混凝土溫度開始下降。底板表面測點(diǎn)5的最大降溫速率出現(xiàn)在48～120h的時(shí)間范圍內(nèi),數(shù)值約是2.5℃/d,大于規(guī)范限定值[3]。結(jié)構(gòu)對流面周邊溫度梯度隨著不斷減小的內(nèi)部熱量而持續(xù)減小,在120～336h的時(shí)區(qū)內(nèi)表現(xiàn)出平穩(wěn)降溫,且約有0.6～2.0℃/d的降溫速率。

2)在斷面B中,其測溫點(diǎn)周邊的溫度變化和中心處有較大差別,有更為明顯的管冷降溫效果,在升溫后,測點(diǎn)6～10周邊在完成澆筑后的96h出現(xiàn)有37℃的最大溫度峰值,相比于底板中心最大溫度峰值約減小3℃。測點(diǎn)8和11與底板側(cè)表面冷卻水管進(jìn)水口較為接近,因此其溫度峰值約的出現(xiàn)約提前了24h,約有36℃的最大溫度峰值,且峰值出現(xiàn)后的降溫速率也較大,約有1.9℃/d的降溫最大速率,比該截面的其他測點(diǎn)周邊降溫速率要高約93%,在336h時(shí)約有11.5℃的最大溫差。

3)C截面上測點(diǎn)5和12與底板上表面較為接近,容易向外面環(huán)境散熱。測點(diǎn)5在完成澆筑后的40h出現(xiàn)溫度峰值,約為33℃,測點(diǎn)12在30h時(shí)出現(xiàn)溫度峰值,約有18℃的最大溫度。相比于測點(diǎn)5,測點(diǎn)12與冷卻水管較近,因此溫度峰值的出現(xiàn)時(shí)間較早,且數(shù)值較低、持續(xù)短,并且底板上表面約有15℃的最高溫差,說明應(yīng)加強(qiáng)對底板上表面的保溫。

4)在完成澆筑到36h的時(shí)間范圍內(nèi),內(nèi)表溫差緩慢增加,在48～72h出現(xiàn)3.0℃/d的最大升值,隨后降低到0.5℃/d。在336h有16℃的最大溫差,滿足規(guī)范限制值,說明混凝土內(nèi)部大量熱量被冷卻水帶走,降低了內(nèi)部溫升,使溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間有所提前,能夠避免因?yàn)檫^大的內(nèi)表溫差從而導(dǎo)致開裂風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 應(yīng)力場分析

將數(shù)值模擬應(yīng)力結(jié)果如圖2所示。

圖2 表面最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)變化曲線圖

底板表面和中軸線上主要為低拉應(yīng)力區(qū),冷卻水管周邊隨著不斷增加的齡期而開始出現(xiàn)較大應(yīng)力。在7d齡期時(shí),在底板拐角圓環(huán)側(cè)面出現(xiàn)高拉應(yīng)力區(qū),該位置和冷卻水管進(jìn)水口較為接近。該節(jié)點(diǎn)在完成澆筑后的第48h出現(xiàn)2.50MPa的溫度梯度應(yīng)力,在完成澆筑后的152h出現(xiàn)2.69MPa的最大拉應(yīng)力,超出規(guī)范限定值。而其抗裂系數(shù)比的最小值為0.79,比規(guī)范限定值小,容易出現(xiàn)裂縫。原因在于管內(nèi)水溫過低,且節(jié)點(diǎn)與進(jìn)水口較為接近,側(cè)面又受到一定的約束,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部冷卻水管周邊的溫度梯度較大,所形成的溫度梯度應(yīng)力較大,溫度裂縫出現(xiàn)的概率較高[4]?；炷羶?nèi)部的最大拉應(yīng)力比容許抗拉應(yīng)力要小,并且抗裂安全系數(shù)的最小值為1.37,>1.15的抗裂安全系數(shù),理論上不會出現(xiàn)內(nèi)部裂縫的情況。

3 取消冷卻水管加強(qiáng)保溫措施

從上述方案可以看出,冷卻水管可以有效降低混凝土內(nèi)部熱量,從而對混凝土內(nèi)部溫度峰值加以控制,但也會有一定的不利影響。對于冷卻水管周邊的混凝土而言,冷卻水管中較低溫度的冷卻水會有一定的冷擊作用,導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的溫度梯度應(yīng)力[5]。并且,冷卻水管會使得混凝土內(nèi)部出現(xiàn)一定時(shí)期的劇烈降溫,導(dǎo)致混凝土徐變難以徹底發(fā)揮,使得部分混凝土局部位置出現(xiàn)更大的拉應(yīng)力。

為避免上述情況,需調(diào)整溫控措施,具體方案設(shè)計(jì)為:取消冷卻水管,并加強(qiáng)底板上表面保溫。即在底板上表面原有的聚氯乙烯薄膜上再覆蓋上厚度為5cm的棉絮。

3.1 溫度場分析

該方案下混凝土的溫度場如圖3所示。限于篇幅,文章僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖3 A斷面測點(diǎn)計(jì)算溫度歷時(shí)曲線

從結(jié)果可以看出:

1)取消冷卻水管并施加保溫措施后,混凝土水化熱溫度場的變化較大。內(nèi)部溫峰約延后24～48h,且有55℃的峰值,18℃/d的最大升溫速率,相比于調(diào)整前的措施,內(nèi)部溫度峰值約有40%的增長幅度,最大升溫速率約有1倍的增長幅度。因未設(shè)置冷卻水管,且混凝土側(cè)面有較強(qiáng)的保溫和隔熱性能,混凝土內(nèi)部熱量的對流散熱速率較慢,因此在采用該方案后,曲線在溫峰時(shí)間到120h內(nèi)均沒有陡降現(xiàn)象出現(xiàn),在達(dá)到溫度峰值后曲線的下降過程均較為平緩,內(nèi)部僅有約1℃/d的最大降溫速率,滿足有關(guān)規(guī)范中的限定值,斷面B上的溫度始終>50℃,且各點(diǎn)溫差均在0.2℃以下。

2)采用保溫措施,與底板上表面較為接近,C截面的測點(diǎn)5和測點(diǎn)12分別有45℃和37℃的峰值,溫度差為8℃,相比采取措施前的最大溫差降低了46%。并且,底板上表面約有1.1℃/d的降溫速率,相比采取措施前的約減小了41%,表明表面保溫措施效果明顯。

3)通過溫度場分布云圖能夠看出,底板上表面和內(nèi)部域的溫度較為均勻分布,沒有分布較大面積的溫度梯度,說明混凝土徐變發(fā)展比較充分,能夠較大程度改善底板溫度梯度的應(yīng)力情況。

4)未設(shè)置冷卻水管,增加保溫措施以后,在澆筑后的336h出現(xiàn)混凝土的內(nèi)表溫差最大值,為17.7℃,相比于未采取措施的情況約有1.5℃的增長,滿足規(guī)范限定值的要求。

3.2 應(yīng)力場分析

混凝土的應(yīng)力場如圖4所示。在采取溫控措施后,在3d、7d和14d的齡期下,底板中心位置集中出現(xiàn)高拉應(yīng)力區(qū),底板側(cè)表面沒有高拉應(yīng)力出現(xiàn)。表明底板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和約束條件與側(cè)表面高拉應(yīng)力分布面積有較大聯(lián)系,管冷措施能夠減小結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度應(yīng)力。

圖4 表面應(yīng)力和容許抗拉強(qiáng)度

底板內(nèi)部最大應(yīng)力位于測點(diǎn)5,該節(jié)點(diǎn)在完成澆筑48h時(shí)的抗拉強(qiáng)度要大于容許抗拉強(qiáng)度,在完成澆筑的168h出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度最大值3.20MPa,隨后逐漸減小到允許抗拉強(qiáng)度以下。在完成澆筑后120h時(shí),內(nèi)部節(jié)點(diǎn)最大拉應(yīng)力比的最小值為0.84,比1.15安全抗裂系數(shù)小,從理論上講,如果不采取防裂措施將會有裂縫出現(xiàn)。表面節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力均小于容許抗拉強(qiáng)度,且最大拉應(yīng)力比要大于安全抗裂系數(shù),從理論上看不會有裂縫出現(xiàn)在混凝土表面[6]。

4 底板溫度實(shí)測結(jié)果及模型對比分析

根據(jù)該跌水壩底板的實(shí)際情況,施工時(shí)采取無冷卻水管,并一次性澆筑的施工方案。調(diào)整“取消冷卻水管加強(qiáng)保溫措施”方案的模型參數(shù),以15°C作為澆筑平均溫度,以48.5°C作為混凝土絕熱溫升值,以現(xiàn)場溫度變化為基準(zhǔn)調(diào)整模型環(huán)境氣溫,通過覆蓋聚氯乙烯和棉被的方式加強(qiáng)保溫。溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 底板內(nèi)部實(shí)測溫度曲線

從結(jié)果可以看出:

1)實(shí)測溫度和模型計(jì)算溫度有基本相符的曲線變化趨勢。但兩者的溫峰出現(xiàn)時(shí)間和最大溫升值有所不同。①建模時(shí),所用的是簡化邊界條件的理論絕熱升溫曲線,因此曲線線性波動較小,光滑程度較高,但具體施工時(shí),因自然條件變化的不確定性和施工行為的影響,使得實(shí)際環(huán)境下混凝土和環(huán)境的熱對流并不穩(wěn)定,實(shí)測溫度曲線表現(xiàn)出鋸齒狀的波動性。②模型中假定底板瞬間澆筑完成,各部位的水化放熱同時(shí)進(jìn)行,但實(shí)際上采用的是分層澆筑的施工方法,每層有50cm的控制厚度,各層水化放熱時(shí)間有所不同,因此兩者的溫峰出現(xiàn)時(shí)間有所不同[7]。

2)在澆筑完200h后,底板內(nèi)部實(shí)測溫度與峰值接近。實(shí)際出現(xiàn)溫峰的時(shí)間是246h,上表面溫峰出現(xiàn)的時(shí)間則為96h,相比于計(jì)算模型的情況,溫度峰值的出現(xiàn)時(shí)間分別為84h和24h,從溫度的實(shí)測曲線可以看出,在0～336h的范圍內(nèi),隨著不斷發(fā)展的齡期,混凝土內(nèi)部溫度表現(xiàn)出迅速上升-溫度峰值穩(wěn)定-逐漸降溫的情況;底板表面溫度則表現(xiàn)出迅速上升-溫度峰值短暫-迅速降溫的情況?？梢钥闯?其與大體積混凝土水化熱初期溫度反應(yīng)基本相似。

綜合上述分析可知,所建立有限元模型可有效反映大體積混凝土底板水化熱初期溫度特征,此外,從現(xiàn)場施工情況看,在完成底板澆筑的14d內(nèi)結(jié)構(gòu)表面未出現(xiàn)裂縫,表明所建立模型對混凝土開裂情況的預(yù)測是可靠的。

5 結(jié) 語

文章以某跌水壩為研究對象,對其大體積混凝土溫度場、應(yīng)力場和溫控措施進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明,所建模型具有一定的可靠性,相比于原有的設(shè)置冷卻水管的方案,取消冷卻水管并加強(qiáng)保溫措施的方案可有效降低表面溫度梯度,且底板上表面最大溫差要比原方案下降約46%,有更好的溫控制效果。