通水冷卻措施對碾壓混凝土壩施工期溫度應(yīng)力及防裂影響研究

蔣曉明, 頡志強(qiáng), 徐航

(1.華電西藏能源有限公司,西藏 拉薩 856200;2.長江水利委員會長江科學(xué)院,湖北 武漢 430010;3.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)

大古水電站位于西藏自治區(qū)山南市桑日縣境內(nèi),電站裝機(jī)容量為660 MW,攔河壩為碾壓混凝土重力壩,最大壩高118.0 m,是目前國內(nèi)在建的海拔最高的碾壓混凝土重力壩[1]。受地理位置及氣候條件的影響,當(dāng)?shù)鼐哂性缤頊夭畲蟆鈮旱?、輻射?qiáng)、空氣干燥、大風(fēng)頻繁等典型的高原氣候特征,獨(dú)特的氣候條件導(dǎo)致大古水電站大壩在施工期面臨較大的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

研究和工程實(shí)踐表明,溫度應(yīng)力是導(dǎo)致大體積混凝土開裂的最主要因素。對于碾壓混凝土而言,雖然其具有低水膠比、高粉煤灰摻量、水化熱溫升略低于常規(guī)混凝土的特點(diǎn),但在實(shí)際應(yīng)用中碾壓混凝土壩開裂的現(xiàn)象仍然普遍存在[2-3]。因此,必須采取合理的防裂措施,對施工期的大壩混凝土溫度場進(jìn)行合理控制。大壩混凝土溫度控制的主要指標(biāo)包括基礎(chǔ)溫差、層間溫差、內(nèi)外溫差、降溫速率等,主要的技術(shù)措施包括:控溫澆筑、表面保溫、通水冷卻等。其中,通水冷卻是目前應(yīng)用最為廣泛、最為有效的控制大壩溫度場變化過程的技術(shù)措施之一。伴隨著我國水利水電建設(shè)實(shí)踐,我國在大體積混凝土通水冷卻理論及技術(shù)方面取得了長足的發(fā)展[4-5]。近年來,隨著智能建造技術(shù)的發(fā)展,通水冷卻技術(shù)已經(jīng)從原來的現(xiàn)場人工控制向自動化、智能化發(fā)展[6-8]。然而,無論是人工控制或智能化控制,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境條件、材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、實(shí)際施工進(jìn)度,準(zhǔn)確掌握通水冷卻對大壩溫度、應(yīng)力及抗裂性能的影響,是合理制定通水冷卻方案(水管布置、通水水溫、通水流量、通水時(shí)長或控溫曲線、控溫指標(biāo))的前提。此外,高海拔地區(qū)碾壓混凝土重力壩所處環(huán)境條件特殊,其防裂要求高[9],為避免施工期表面開裂,施工期大壩表面保溫措施相對于常規(guī)地區(qū)的更為嚴(yán)格,若表面保溫措施不到位,混凝土基礎(chǔ)溫差大、降溫過程緩慢,對防裂極為不利。因此,對于高海拔地區(qū)混凝土壩施工防裂措施,合理的冷卻方案更為重要。鑒于此,本文依托大古水電站建設(shè)工程,以岸坡壩段為研究對象(約束面大、防裂難度大),結(jié)合環(huán)境、材料、結(jié)構(gòu)及施工實(shí)際情況,在設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究了通水冷卻過程對大壩溫度、應(yīng)力及抗裂特性的影響,提出了具體的通水冷卻方案。

1 分析方法及工具

混凝土壩溫度場、應(yīng)力場仿真模擬采用三維非線性有限元法[10]。采用長江科學(xué)院自主研發(fā)的混凝土結(jié)構(gòu)溫控仿真分析軟件Ckysts1.0進(jìn)行分析,該軟件是在長江科學(xué)院大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度場和溫度應(yīng)力三維有限元仿真計(jì)算程序包(包括溫度場程序3DUSTEMP、應(yīng)力程序3DCRCPCG、前后處理程序)的基礎(chǔ)上完善升級而成的,是1992年長江科學(xué)院材料所為滿足三峽工程建設(shè)相關(guān)研究的需要自主研發(fā)的。該軟件先后應(yīng)用于三峽工程、南水北調(diào)穿黃工程、丹江口大壩加高工程等的溫控防裂研究及溫控方案設(shè)計(jì)中,目前已實(shí)現(xiàn)了CPU+GPU的異構(gòu)并行化改造[11-13]。本文主要探討通水冷卻對碾壓混凝土壩施工期溫度應(yīng)力的影響。混凝土通水冷卻模擬方法眾多,為便于比較,統(tǒng)計(jì)了目前部分被廣泛應(yīng)用的水管冷卻算法(見表1),并總結(jié)了各種算法的特點(diǎn)及適用范圍。

Ckysts1.0在仿真中采用改進(jìn)埋置單元法,具有前處理簡單、計(jì)算規(guī)模小、對網(wǎng)格形狀要求低、計(jì)算精度相對較高的特點(diǎn)。此外,改進(jìn)后的埋置單元法能考慮沿程水溫變化,較準(zhǔn)確地模擬大體積混凝土水管冷卻溫度場時(shí)空分布規(guī)律。

2 基本資料

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1.1 計(jì)算模型及邊界條件

選取大古工程岸坡壩段(高度97 m)及一定范圍內(nèi)的地基(1.5倍大壩尺寸)建立三維有限元模型。模型采用8節(jié)點(diǎn)六面體線性單元,節(jié)點(diǎn)157 040個(gè),單元141 835個(gè),采用改進(jìn)埋置冷卻水管單元法[19]模擬通水冷卻過程,有限元模型和分層及冷卻水管布置情況如圖1和圖2所示。其中,X方向?yàn)轫樅酉?Y方向?yàn)闄M河向,Z方向?yàn)樨Q向,共計(jì)52層水管單元。在溫度場仿真計(jì)算中,地基表面按對流換熱邊界考慮,其地基面按絕熱考慮,壩段橫縫面按絕熱考慮,上下游及倉面按對流換熱邊界考慮。在應(yīng)力場仿真計(jì)算中,地基各邊界面施加法向約束。

圖1 有限元模型

圖2 分層及冷卻水管布置

2.1.2 特征點(diǎn)布置

為了便于分析,在各澆筑層中心線(沿上下游方向)上選取3個(gè)特征點(diǎn),上下游面特征點(diǎn)分別距離表面50 cm,中心特征點(diǎn)位于倉號中心。

2.1.3 材料參數(shù)

岸坡壩段采用3種混凝土,配合比及材料性能見表2和表3。

表2 混凝土配合比

表3 混凝土彈性模量及強(qiáng)度

在仿真計(jì)算中,混凝土彈性模量及強(qiáng)度取值根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果按照式(1)和式(2)擬合,擬合曲線如圖3所示。作為非線性彈性徐變體,徐變參數(shù)參照文獻(xiàn)[9]取值。

圖3 彈性模量擬合曲線

E(t)=E∞(1-e-atb),

(1)

f(t)=clnt-d。

(2)

式中:E(t)為齡期為t時(shí)的混凝土彈性模量,GPa;f(t)為齡期為t時(shí)的混凝土強(qiáng)度,MPa;t為混凝土齡期,d;E∞為齡期趨于無窮大時(shí)的E(t)最終值,GPa;a、b、c、d為常數(shù)。

試驗(yàn)測得的混凝土熱學(xué)性能參數(shù)見表4。

表4 混凝土熱學(xué)性能參數(shù)

2.1.4 材料參數(shù)

仿真計(jì)算中,環(huán)境溫度根據(jù)壩址區(qū)域歷史氣象資料數(shù)據(jù)的擬合式確定,擬合式為:

(3)

式中:Tc(t)為t時(shí)的溫度,℃;t為時(shí)間,d。

2.2 施工計(jì)劃及措施

2.2.1 分層及間歇期

混凝土分層和間歇期(表5)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求及實(shí)施進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行模擬。本文重點(diǎn)分析2019年7月底至2019年10月初澆筑的3 355.5～3 375.0 m高程岸坡段的混凝土。

表5 澆筑層及澆筑間歇

2.2.2 混凝土澆筑溫度控制

嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求模擬各層澆筑溫度,不同時(shí)段的澆筑溫度控制值見表6。地基溫度場結(jié)合壩址區(qū)氣溫,提前30年起算至澆筑時(shí)刻獲得。

表6 不同時(shí)段的澆筑溫度控制值

2.2.3 混凝土澆筑溫度控制

冷卻過程嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)提出的通水冷卻要求模擬,冷卻水管根據(jù)設(shè)計(jì)要求布置。對于岸坡壩段的混凝土,在澆筑下料時(shí),冷卻水管即開始一期通水冷卻?；A(chǔ)約束區(qū)進(jìn)口水溫不超過10.0 ℃,自由區(qū)不超過12.0 ℃。碾壓混凝土降溫速率不大于0.5 ℃/d,進(jìn)口水溫與最高溫度之差不超過20.0 ℃。常態(tài)混凝土降溫速度不大于1.0 ℃/d。溫差不超過25.0 ℃,通水時(shí)間不少于28 d,高溫季節(jié)(當(dāng)年4月上旬—10月上旬)澆筑的混凝土入冬前中期降溫。對超過16.0 ℃的混凝土,采用天然水冷卻,目標(biāo)溫度為16.0 ℃。

2.2.4 表面保溫

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,對當(dāng)年10月中旬—次年4月中旬期間澆筑的上下游混凝土采取上下游面貼保溫材料(5 cm厚的聚苯乙烯板)的措施,同時(shí)在鋼模板外側(cè)嵌貼保溫材料(固定在模板上,3 cm厚聚苯乙烯板);其余季節(jié)(次年4月下旬—10月上旬)澆筑的上下游面混凝土采用5 cm厚的聚苯乙烯板保溫。對于常規(guī)倉面,當(dāng)年10月上旬—次年4月中旬澆筑混凝土,鋪設(shè)4 cm保溫被進(jìn)行倉面保溫;其余季節(jié)(次年4月下旬—10月中旬)澆筑的混凝土倉面采用2 cm保溫被進(jìn)行倉面保溫。對于長間歇倉面,低溫季節(jié)(當(dāng)年12月份—次年2月份)采取15 cm大壩保溫被(或同等效果的聚苯乙烯保溫卷材)進(jìn)行倉面保溫。

2.3 抗裂安全度

考慮混凝土的非線性硬化特性,本文分析采用的是抗裂安全度的概念,按式(4)定義。后續(xù)分析中,最小抗裂安全度是指計(jì)算周期內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的抗裂安全度的最小值,本文的計(jì)算周期為2019年7月澆筑開始至2020年3月冬期結(jié)束。

(4)

式中:k(t)為齡期t時(shí)混凝土抗裂安全度;t為混凝土的齡期,d;f(t)為齡期t時(shí)混凝土強(qiáng)度,MPa;σ1(t)為齡期t時(shí)的混凝土第一主應(yīng)力,MPa。結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn),本工程抗裂安全度指標(biāo)為1.8。

3 岸坡壩段通水冷卻措施優(yōu)化

在設(shè)計(jì)要求的澆筑溫度、水管類型(HDPE管,內(nèi)徑28 mm)、埋設(shè)深度、保溫措施要求的基礎(chǔ)上,本文重點(diǎn)分析在實(shí)際施工進(jìn)度要求下,各層通水冷卻過程中不同的水溫、流量、通水時(shí)長等因素對壩體溫度及應(yīng)力的影響,并以此作為設(shè)計(jì)通水冷卻優(yōu)化的依據(jù)。

3.1 有無冷卻措施

圖4和圖5為通水冷卻對岸坡段混凝土層平均溫度的影響。若無冷卻措施,各層平均溫度的峰值高達(dá)6 ℃左右,越冬后,各層平均溫度高達(dá)8～10 ℃,這對混凝土后期防裂極為不利。因此,通水冷卻對岸坡壩段防裂極為必要。

圖4 通水冷卻對澆筑層平均溫峰值的影響 圖5 越冬后澆筑層平均溫度

3.2 冷卻水溫

冷卻水溫對岸坡段澆筑層混凝土溫度的影響表現(xiàn)為,冷卻水溫越低,各層峰值溫度越低。采用6～16 ℃冷卻水時(shí),各澆筑混凝土層峰值溫度差異為4 ℃左右,如圖6所示。一期冷卻結(jié)束時(shí),各層混凝土的平均溫度差異為5～6 ℃,如圖7所示。降溫速率方面表現(xiàn)為,6 ℃冷卻水降溫時(shí)平均降溫速率為0.3 ℃/d,8 ℃冷卻水降溫時(shí)降溫速率亦小于0.45 ℃/d,滿足設(shè)計(jì)要求。冬期結(jié)束后,不同溫度冷卻水降溫后的壩體溫度差異最大為4 ℃。冷卻水溫越低,上下游表面溫度應(yīng)力相對越大,應(yīng)力差異為0.1～0.2 MPa,如圖8和圖9所示。

圖6 冷卻水溫對澆筑層平均溫度峰值的影響 圖7 冷卻水溫對一期冷卻結(jié)束溫度的影響

圖8 冷卻水溫對上游面最大主應(yīng)力影響 圖9 冷卻水溫對上游面最小抗裂安全度的影響

在壩體中心不同冷卻水溫引起的應(yīng)力差異的變化范圍為0.3～0.5 MPa,如圖10和圖11所示。從冬期結(jié)束后的壩體溫度來看,采用低溫冷卻水(8 ℃)時(shí)各高程的壩體溫度的變化范圍為13～14 ℃,對后期防裂是極為有利的。雖然降低冷卻水溫會引起表面附近及內(nèi)部的應(yīng)力上升,但計(jì)算結(jié)果表明,應(yīng)力增幅有限,因此建議采用6～8 ℃冷卻水進(jìn)行冷卻。總體而言,冷卻水溫對表面應(yīng)力影響小而對壩內(nèi)部應(yīng)力影響大。

圖10 冷卻水溫對壩體中心最大主應(yīng)力的影響 圖11 冷卻水溫對壩體中心最小抗裂安全度的影響

3.3 通水流量

通水流量對岸坡段溫度、應(yīng)力的影響如圖12—圖17所示。與水溫相比,冷卻水流量對壩體溫度的影響相對較小,流量越大,壩體溫度越低,降溫速率越大。冷卻水流量為18～60 m2/d時(shí),壩體峰值溫度差異僅為1.0～2.0 ℃。一期冷卻結(jié)束時(shí),采用不同流量冷卻的壩體溫度差異為3～4 ℃。越冬后,壩體平均溫度差異為1.0～2.0 ℃。

圖12 流量對澆筑層平均溫度峰值的影響 圖13 流量對一期冷卻結(jié)束層均溫的影響

圖14 流量對上游面最大應(yīng)力的影響 圖15 流量對上游面最小抗裂安全度的影響

通水流量對應(yīng)力場的影響如圖14—圖17所示,由圖14—圖17可知,通水流量越大,岸坡段應(yīng)力越大,但其對應(yīng)力場影響程度較小。冷卻水流量為18～60 m2/d時(shí),上下游面應(yīng)力差異為0.10 MPa左右,內(nèi)部應(yīng)力差異為0.15 MPa左右。這說明增加流量的降溫效果有限。然而,增加流量會大幅增加現(xiàn)場供水及排水負(fù)擔(dān),增大供水管路爆管風(fēng)險(xiǎn)。因此,調(diào)整壩體降溫速率時(shí),應(yīng)采取調(diào)整冷卻水溫的方式,如增加制冷水量或天然河水取水深度等。

3.4 通水冷卻時(shí)長

通水冷卻時(shí)長對壩體峰值溫度基本無影響,長時(shí)間冷卻導(dǎo)致下部混凝土溫度降低,上部峰值溫度會略有降低,如圖18所示,但峰值溫度僅降1 ℃左右。一期通水冷卻時(shí)間越長,降溫后壩體的溫度越低,和通水14 d的情況相比, 持續(xù)通水40 d時(shí)各層平均溫度低至6 ℃左右。至冬期結(jié)束時(shí),不同冷卻時(shí)長壩體溫度差異仍然在4 ℃左右,如圖19所示。圖20和圖21所示上下游面應(yīng)力主要受晝夜溫差及內(nèi)外溫差引起,冷卻時(shí)長對其無明顯影響。

圖18 時(shí)長對一期冷卻結(jié)束溫度的影響 圖19 時(shí)長對越冬后平均溫度的影響

圖20 時(shí)長對下游面最大主應(yīng)力的影響 圖21 時(shí)長對下游面最小抗裂安全度的影響

對于壩體內(nèi)部,當(dāng)延長一期冷卻時(shí)間時(shí),各澆筑層內(nèi)部應(yīng)力會有一定上升,但總體應(yīng)力較小,抗裂安全度始終在3.0以上(無開裂風(fēng)險(xiǎn)),如圖22和圖23所示。延長一期通水冷卻時(shí)長對壩體內(nèi)部防裂是有利的。在現(xiàn)場條件允許的情況下,適當(dāng)將一期通水冷卻時(shí)間延長至35～40 d,可以有效降低壩體越冬期間及后期的防裂壓力。

圖22 時(shí)長對壩體中心最大應(yīng)力的影響 圖23 時(shí)長對中心最小抗裂安全度的影響

4 結(jié)語

本文依托大古水電站建設(shè)工程,以岸坡壩段為研究對象,結(jié)合環(huán)境及施工情況,在設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究通水冷卻過程對大壩溫度、應(yīng)力及抗裂特性的影響,提出通水冷卻建議。主要結(jié)論如下:

1) 對于岸坡壩段,尤其是約束面較大的爬坡度混凝土,通水冷卻降溫對控制基礎(chǔ)溫差至關(guān)重要,必須進(jìn)行通水冷卻降溫。

2) 通水流量達(dá)到30 m3/d后,再增加冷卻水通水流量對于冷卻降溫效果有限。增加通水流量會大幅增加現(xiàn)場供水及排水系統(tǒng)負(fù)擔(dān),同時(shí)增加供水管路爆管及漏水風(fēng)險(xiǎn)。仿真計(jì)算結(jié)果表明,控制壩體降溫速率最有效的方式是調(diào)整冷卻水溫度,如增加制冷水或天然河水取水深度。

3) 為有效降低壩體越冬期間及后期的防裂壓力,建議在設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上適當(dāng)延長通水冷卻時(shí)長1～2周。