溢洪道閘墩薄壁混凝土置換加固溫度應(yīng)力分析及驗(yàn)證★

陳智云 馬 超 高大水 陜 亮

(1.國(guó)家電投江西電力有限公司，江西 南昌 330096； 2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 3.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010; 4.長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北 武漢 430010)

1 概述

洪門水電站溢洪道建于20世紀(jì)60年代，為混凝土重力式溢流堰，共3孔，孔口尺寸12 m×9 m(寬×高)，中墩寬3.0 m，堰頂高程91.4 m，設(shè)有三扇弧形閘門和三臺(tái)固定式啟閉機(jī)，下接兩級(jí)消力池消能。溢洪道運(yùn)行至今已50多年，由于工程存在先天不足，加上工程老化嚴(yán)重，經(jīng)復(fù)核評(píng)價(jià)，溢洪道閘墩存在以下主要問題：1)閘墩混凝土強(qiáng)度偏低，強(qiáng)度等級(jí)僅為C10；2)閘墩混凝土配筋不足，其中中墩表面僅有受力筋與分布筋且均為φ8@20 cm，邊墩未見鋼筋；3)閘墩混凝土多處存在結(jié)構(gòu)裂縫；4)閘墩混凝土碳化嚴(yán)重[1]。為此對(duì)工程進(jìn)行了加固處理。混凝土閘墩加固方法主要有拆除重建加固、置換表層混凝土加固、粘貼鋼板加固、粘貼纖維復(fù)合材料加固、體外預(yù)應(yīng)力加固等幾種方法[2]。由于洪門溢洪道閘墩加固既需解決閘墩豎向配筋不足，又要解決扇形配筋不足問題，而粘貼鋼板加固、粘貼纖維復(fù)合材料加固、體外預(yù)應(yīng)力加固這幾種方法無法解決上述問題。因此本工程主要對(duì)拆除重建加固和置換表層混凝土加固兩個(gè)方案進(jìn)行了比較。拆除重建方案投資為1 087.12萬元，置換表層混凝土方案投資為572.92萬元，因此，推薦采用置換混凝土的加固方案。

因置換表層混凝土方案老混凝土的強(qiáng)約束作用，極易引起閘墩新澆混凝土的表面裂縫。新澆混凝土開裂與否將直接關(guān)乎加固方案的成敗。為此，采用三維有限元仿真結(jié)構(gòu)分析方法對(duì)置換混凝土的施工過程進(jìn)行模擬分析，論證置換混凝土方案的可行性。同時(shí)實(shí)際工程中專門埋設(shè)監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)混凝土的溫度及應(yīng)力情況，進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算分析成果。

2 計(jì)算方法及計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型

為充分研究閘墩表層新澆30 cm厚混凝土澆筑過程中的溫度應(yīng)力分布及其變化發(fā)展規(guī)律，采用三維有限元仿真模擬置換混凝土的施工過程。有限元網(wǎng)格模型見圖1[3]。

2.2 澆筑方案及防裂措施

混凝土澆筑溫度根據(jù)壩址多年平均氣溫，以及對(duì)閘墩加固工程的溫控要求，取值為10 ℃。在溫度場(chǎng)計(jì)算中，以混凝土澆筑溫度作為每層混凝土的初始溫度。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，擬定澆筑方案為：澆筑分層厚度按2.5 m控制，共分9層，每層混凝土澆筑時(shí)間間隔為5 d，整個(gè)澆筑過程歷時(shí)45 d。具體進(jìn)度見圖2。

2.3 氣溫和邊界條件

2.3.1氣溫

根據(jù)壩址情況，溫度場(chǎng)計(jì)算中采用式(1)。

(1)

其中，Tc(t)為氣溫,℃；t為計(jì)算時(shí)刻至開始澆筑當(dāng)年1月1日的距離，以天計(jì)。

2.3.2水溫

溫度場(chǎng)計(jì)算中采用式(2)。

(2)

其中,Tw(t)為水溫,℃；t為計(jì)算時(shí)刻至開始澆筑當(dāng)年1月1日的距離，以天計(jì)。

按最不利溫度荷載考慮，假定上游高程87.0 m以下為水溫邊界，其余邊界面為氣溫按年周期變化。

2.4 計(jì)算參數(shù)

基巖、混凝土熱學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1 材料熱學(xué)性能參數(shù)

新澆混凝土絕熱溫升表達(dá)式采用式(3)。

(3)

其中,θ(t)為混凝土絕熱溫升,℃；t為混凝土齡期,d。

壩體老混凝土不考慮徐變，新澆混凝土徐變采用式(4)。

(4)

其中,C(t,τ)為混凝土徐變度,10-6/MPa；t為混凝土齡期,d；τ為混凝土加荷齡期,d。

3 計(jì)算成果分析

3.1 溫度場(chǎng)計(jì)算成果

通過對(duì)閘墩表面新澆混凝土溫度場(chǎng)進(jìn)行三維仿真計(jì)算分析，可得混凝土澆筑過程中的溫度分布及其變化發(fā)展規(guī)律。由于混凝土澆筑后的溫度變化過程相似，且外界條件基本相同，因此選取溢洪道高程95.5 m處新澆混凝土中部作為溫度特征點(diǎn)對(duì)其溫度變化規(guī)律進(jìn)行分析。

溫度場(chǎng)計(jì)算成果分析：

1)由特征點(diǎn)溫度變化歷程線可以看出，從混凝土開澆時(shí)起，混凝土溫度場(chǎng)都經(jīng)歷了水化熱溫升、溫降、隨環(huán)境氣溫周期變化3個(gè)階段，符合一般新澆混凝土溫度場(chǎng)變化規(guī)律[4]。

2)由特征點(diǎn)溫度變化歷程線可以看出(見圖3)，新澆混凝土最高溫度峰值出現(xiàn)在澆筑后的第2天為12.7 ℃，環(huán)境溫度為3 ℃，溫差為9.7 ℃。經(jīng)過7 d后，新澆混凝土與環(huán)境溫度溫差在2 ℃范圍內(nèi)，并隨氣溫呈周期性變化。根據(jù)NB/T 35092—2017混凝土壩溫度控制設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，澆筑塊強(qiáng)約束區(qū)容許溫差在16 ℃～19 ℃之間[5]，滿足規(guī)范要求。

3.2 應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算成果

通過對(duì)閘墩表面新澆混凝土應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行三維仿真計(jì)算，可得混凝土澆筑過程中應(yīng)力分布及其變化發(fā)展規(guī)律，見圖4，圖5。

應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算成果分析：

1)新澆表層30 cm厚混凝土受閘墩老混凝土強(qiáng)約束，澆筑后第5天達(dá)最大溫度應(yīng)力，且閘墩新澆混凝土內(nèi)部應(yīng)力略大于閘墩表面應(yīng)力，順河向應(yīng)力分別為1.41 MPa和1.13 MPa，豎直向應(yīng)力分別為0.86 MPa和0.75 MPa。進(jìn)入運(yùn)行期以后，特征點(diǎn)應(yīng)力隨氣溫變化做周期性變化，拉應(yīng)力在1.0 MPa以內(nèi)。

2)根據(jù)NB/T 35092—2017混凝土壩溫度控制設(shè)計(jì)規(guī)范溫度應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)要求計(jì)算得到，本工程施工期溫度應(yīng)力最大值不超過1.87 MPa。計(jì)算結(jié)果表明未超過規(guī)范允許值，滿足規(guī)范要求。

4 監(jiān)測(cè)成果分析

為了監(jiān)測(cè)加固后閘墩新澆混凝土的變形問題，分別在左右邊墩高程91.5 m，95.5 m，100.0 m的新澆混凝土中部布設(shè)了一組應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)同時(shí)可監(jiān)測(cè)新澆混凝土中部的溫度變化情況，監(jiān)測(cè)儀器布置詳見圖6。

1)從圖7中可以看出，新澆混凝土實(shí)測(cè)溫度變化過程與計(jì)算溫度變化過程規(guī)律基本一致，符合新澆混凝土溫度變化一般規(guī)律。新澆混凝土溫度峰值出現(xiàn)在澆筑后的第3天為21.9 ℃，環(huán)境溫度為14.8 ℃，溫差為7.1 ℃，比計(jì)算結(jié)果9.7 ℃溫差略小，是偏安全的。經(jīng)過8 d后，混凝土的溫度逐漸與環(huán)境溫度趨于一致。

2)從圖8中可以看出，受溫降影響，新澆混凝土第3天即開始出現(xiàn)較大拉應(yīng)變，拉應(yīng)變最大測(cè)值出現(xiàn)在澆筑后的第10天，為67.8 με，未超過混凝土的極限拉伸率100 με。新澆混凝土應(yīng)變變化過程符合一般變化規(guī)律，未見異常。

3)施工階段，加強(qiáng)了施工過程控制和混凝土表面養(yǎng)護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查也未見表面裂縫。

5 結(jié)語

1)計(jì)算和監(jiān)測(cè)成果表明，新澆混凝土與環(huán)境溫度的最大溫差未達(dá)到規(guī)范的容許值；最大溫度應(yīng)力未超過規(guī)范允許值，最大拉應(yīng)變測(cè)值未超過混凝土極限拉伸值。由此說明，采用置換表層混凝土的加固方案是可行的。

2)針對(duì)計(jì)算結(jié)果反映的溫度變化規(guī)律，在實(shí)際施工過程中，澆筑分層厚度按2.5 m控制，每層混凝土澆筑時(shí)間間隔按5 d控制。同時(shí)，在每倉混凝土澆筑后，將拆模時(shí)間延長(zhǎng)至7 d左右，并在新澆混凝土表面鋪設(shè)潮濕草袋進(jìn)行保溫防護(hù)，而且在新澆混凝土面上架設(shè)水管進(jìn)行不間斷通水保濕。由于措施得當(dāng)，新澆混凝土表面并未出現(xiàn)裂縫，澆筑效果良好，說明置換表層混凝土的施工措施是合理可行的。

3)閘墩采用置換混凝土的加固方法既可使閘墩表面混凝土強(qiáng)度及抗沖磨性能達(dá)到規(guī)范要求，又解決了閘墩配筋不足的問題，該方法具有施工時(shí)間短，造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，可供其他類似工程借鑒。