高壓岔管襯砌混凝土施工期溫控防裂研究

焦石磊，王振紅，汪 娟，金鑫鑫，張 步，張凱恒

(1.廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州510635；2.中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料研究所，北京100038)

0 引 言

隨著國家對基礎(chǔ)設(shè)施投入的加大，眾多渡槽、水閘、襯砌、高壓岔管等水工薄壁結(jié)構(gòu)工程陸續(xù)出現(xiàn)。隧洞高壓岔管需承受高壓水和高速水流沖刷，為了滿足這一結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，混凝土常采用高性能泵送混凝土，其溫升高且早期溫降快、彈性模量大、自生體積變形大[1-3]，且外側(cè)受圍巖約束大，再加上結(jié)構(gòu)形式較薄，一旦出現(xiàn)裂縫，都將是貫穿裂縫[4-6]，嚴(yán)重影響工程可持續(xù)使用質(zhì)量和壽命。工程實(shí)踐表明，很多襯砌混凝土施工期都出現(xiàn)了裂縫，表明溫度變化在襯砌內(nèi)會引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力[7-9]，襯砌混凝土施工期溫控防裂至關(guān)重要[10-11]。

本文以陽江抽水蓄能電站輸水隧洞高壓岔管為例，結(jié)合襯砌混凝土自身特性，考慮洞內(nèi)氣溫條件，用三維有限元程序[12]計(jì)算分析了不同分縫長度、不同澆筑溫度、有無冷卻水管方案下混凝土溫度應(yīng)力仿真分析，并進(jìn)行對比分析，優(yōu)選出合理有效的施工期澆筑方案，指導(dǎo)工程現(xiàn)場施工。

1 工程概況

陽江抽水蓄能電站樞紐工程主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群、地面開關(guān)站及場內(nèi)永久交通道路等建筑物組成。輸水系統(tǒng)總長約3 644.983 m，在上水庫進(jìn)/出水口后接坡度為4%的引水隧洞，長716.740 m，后接上游調(diào)壓井。上游調(diào)壓井后高壓隧洞布置有上豎井、中平洞、下豎井、下平洞。輸水系統(tǒng)水道襯砌形式，除引水支管、尾水支管采用埋藏式壓力鋼管襯砌外，其余均采用鋼筋混凝土襯砌。高壓岔管坡度為5%，輸水隧洞高壓岔管斷面如圖1所示。

圖1 輸水隧洞高壓岔管斷面示意(單位：mm)

2 計(jì)算模型和參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

兼顧高壓岔管襯砌不同的厚度、岔管不同的直徑，本文選取某典型段進(jìn)行建模，包括一定范圍的周圍基巖。輸水隧洞高壓岔管的計(jì)算模型與網(wǎng)格如圖2所示，模型建立2段，兩段之間設(shè)立分縫。高壓岔管總長16 m，兩段分別為10 m和6 m，襯砌厚度由1.5 m漸變到2.25 m。共剖分單元21 692，結(jié)點(diǎn)總數(shù)24 494個(gè)。溫度場計(jì)算時(shí)，圍巖四周均為絕熱邊界，隧洞洞內(nèi)為散熱邊界，洞內(nèi)氣溫按照28 ℃恒溫模擬，通水冷卻時(shí)，按等效算法計(jì)算；應(yīng)力場計(jì)算時(shí)，基巖四周為三向約束。

圖2 輸水隧洞高壓岔管計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

2.2 混凝土熱力學(xué)參數(shù)

輸水隧洞高壓岔管混凝土為C30泵送混凝土，混凝土熱力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 輸水隧洞高壓岔管混凝土熱力學(xué)參數(shù)

3 施工期溫控防裂仿真分析

3.1 澆筑方案

考慮夏季高溫季節(jié)澆筑高壓岔管混凝土，按照設(shè)計(jì)要求，考慮分縫長度，澆筑溫度和有無水管因素影響，溫控施工方案見表2。

表2 輸水隧洞高壓岔管澆筑方案

3.2 不同分縫長度分析

研究在通水冷卻溫控方案1條件下，不同分縫長度(10 m和6 m)對輸水隧洞高壓岔管內(nèi)部溫度和應(yīng)力的影響，輸水隧洞高壓岔管典型剖面溫度和應(yīng)力包絡(luò)圖如圖3所示，計(jì)算結(jié)果見表3。由圖3和表3可知：①分縫長度為10 m時(shí)，襯砌厚度由1.5 m過渡到2.0 m的高壓岔管混凝土，長度中間內(nèi)部最高溫度為47.87 ℃，長度方向和厚度方向最大拉應(yīng)力分別為1.35、1.52 MPa，安全系數(shù)分別為2.14和2.00。②分縫長度為6 m時(shí)，襯砌厚度由2.0 m過渡到2.25 m的高壓岔管混凝土，長度中間內(nèi)部最高溫度為48.75 ℃，長度方向和厚度方向最大拉應(yīng)力分別為1.19、1.78 MPa，安全系數(shù)分別為2.94和1.99。③分縫長度6 m比分縫長度10 m長度方向應(yīng)力減小了11.85%，分縫長度縮短對防裂效果明顯。

表3 輸水隧洞高壓岔管典型內(nèi)部點(diǎn)溫度和應(yīng)力值

圖3 輸水隧洞高壓岔管典型剖面溫度和應(yīng)力包絡(luò)圖

3.3 不同澆筑溫度分析

在通水冷卻溫控措施條件下，澆筑溫度分別為22、24、26 ℃時(shí)，輸水隧洞高壓岔管典型點(diǎn)溫度和應(yīng)力過程線結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同澆筑溫度輸水隧洞高壓岔管典型點(diǎn)溫度和應(yīng)力過程線

由圖4可知：澆筑溫度每提高2 ℃，襯砌厚度由1.5 m過渡到2.0 m的高壓岔管混凝土(分縫長度10 m)，長度方向內(nèi)部最高溫度最高增加約1.7 ℃，長度方向最大應(yīng)力相應(yīng)增加約0.14 MPa，安全系數(shù)分別為2.14、1.88和1.69，厚度方向最大應(yīng)力相應(yīng)增加約0.15 MPa，安全系數(shù)分別為2.00、1.75和1.56。襯砌厚度由2.0 m過渡到2.25 m的高壓岔管混凝土(分縫長度6 m)，長度方向內(nèi)部最高溫度最高增加約1.7 ℃，長度方向最大應(yīng)力相應(yīng)增加約0.11 MPa，安全系數(shù)分別為2.94、2.55和2.34；厚度方向最大應(yīng)力相應(yīng)增加約0.18 MPa，安全系數(shù)分別為1.99、1.81和1.65。

3.4 有無通水冷卻分析

對輸水隧洞高壓岔管混凝土澆筑時(shí)，有無冷卻水管的工況建立模型進(jìn)行溫度和應(yīng)力計(jì)算分析，岔管典型測點(diǎn)的混凝土溫度和應(yīng)力模擬結(jié)果過程線如圖5所示。

圖5 有無冷卻水管輸水隧洞高壓岔管典型測點(diǎn)溫度和應(yīng)力過程線

由圖5可知：

(1)當(dāng)澆筑溫度為24 ℃時(shí)，不埋設(shè)冷卻水管，襯砌厚度由1.5 m過渡到2.0 m的高壓水岔管混凝土(分縫長度10 m)，長度方向內(nèi)部最高溫度達(dá)到53.44 ℃，較有冷卻水管措施下高了3.86 ℃，長度方向和厚度方向最大應(yīng)力分別為2.36 MPa和2.61 MPa，最小安全系數(shù)分別為1.45和1.31。襯砌厚度由2.0 m過渡到2.25 m的高壓岔管混凝土(分縫長度6 m)，長度方向內(nèi)部最高溫度達(dá)到56.06 ℃，較有冷卻水管措施下高了5.77 ℃，長度方向和厚度方向最大應(yīng)力分別為2.04 MPa和3.08 MPa，最小安全系數(shù)分別為1.75和1.19。

(2)當(dāng)澆筑溫度為26 ℃時(shí)，不埋設(shè)冷卻水管，襯砌厚度由1.5 m過渡到2.0 m的高壓岔管混凝土(分縫長度10 m)，長度方向內(nèi)部最高溫度達(dá)到55.20 ℃，較有冷卻水管措施下高了3.91 ℃，長度方向和厚度方向最大應(yīng)力分別為2.56 MPa和2.83 MPa，最小安全系數(shù)分別為1.34和1.21。襯砌厚度由2.0 m過渡到2.25 m的高壓岔管混凝土(分縫長度6 m)，長度方向內(nèi)部最高溫度達(dá)到57.81 ℃，較有冷卻水管措施下高了5.76 ℃，長度方向和厚度方向最大應(yīng)力分別為2.19 MPa和3.33 MPa，最小安全系數(shù)分別為1.63和1.10。

綜上，無冷卻水管時(shí)，澆筑溫度24 ℃，最小安全系數(shù)為1.19～1.31；澆筑溫度26 ℃，最小安全系數(shù)1.10～1.21。有冷卻水管時(shí)，澆筑溫度24 ℃，最小安全系數(shù)為1.75；澆筑溫度26 ℃，最小安全系數(shù)1.5以上。

4 結(jié) 論

(1)高壓岔管承受高壓水和高速水流沖刷，常采用泵送混凝土，利用其強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，但其溫升高、彈性模量大，且一般是早強(qiáng)混凝土，容易產(chǎn)生溫度裂縫。研究結(jié)果表明，高壓岔管分縫長度對防裂影響顯著，同時(shí)降低入倉溫度，采用內(nèi)部通水降溫，可起到更好的溫控防裂效果。

(2)高壓岔管分縫長度較大的部位(10 m)順河向應(yīng)力較大，分縫較小的部位(6 m)橫河向應(yīng)力大于順河向應(yīng)力，主要原因是高壓岔管分縫較小部位襯砌厚度較大，較大應(yīng)力分布在頂拱和底拱處；同時(shí)，分縫較小部位順河向應(yīng)力小于分縫較大部位順河向應(yīng)力，也表明縮短分縫長度對改善應(yīng)力狀態(tài)效果明顯。

(3)高壓岔管混凝土有通水冷卻措施條件下，澆筑溫度控制在26 ℃以內(nèi)，最小安全系數(shù)可達(dá)1.50以上，可作為工程現(xiàn)場澆筑施工方案。