貫流式機組廠房流道混凝土溫控防裂研究

丁兵勇 田建海 郭德昌

摘? ?要： 沙坪二級水電站廠房為貫流式機組廠房，結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，施工程序繁多，對混凝土防裂不利?；诜欠€(wěn)定溫度場及應(yīng)力場的有限元計算方法，提出流道混凝土溫控防裂措施。構(gòu)建計算模型，設(shè)計計算工況：一是將混凝土澆筑溫度控制在20℃以內(nèi);二是混凝土澆筑完成或進入施工期第一個冬季時，對表面采取保溫措施;三是混凝土澆筑完成后立即通水冷卻。措施應(yīng)用后，流道中墩、進水口底板等拉應(yīng)力較大部位的溫升、溫降幅度顯著降低，拉應(yīng)力顯著減小，滿足了混凝土的抗裂安全要求。

關(guān)鍵詞： 貫流式機組廠房;流道混凝土;有限元;溫度;拉應(yīng)力;溫控防裂

中圖分類號：TV544+.91? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 06-117-04

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.021

引言

沙坪二級水電站廠房為貫流式機組廠房，結(jié)構(gòu)尺寸巨大，主體混凝土約53萬立方米，其中流道混凝土約40萬立方米，結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、施工工序繁多，混凝土施工質(zhì)量保證難度大，對混凝土溫控防裂不利，有必要開展相應(yīng)的溫控防裂研究。

本文采用非穩(wěn)定溫度場及應(yīng)力場的有限元計算方法[1]，對沙坪二級水電站廠房流道混凝土的施工全過程進行仿真計算分析，揭示其溫度場及應(yīng)力場的發(fā)展過程和分布規(guī)律，并根據(jù)計算結(jié)果提出切實可行的溫控防裂措施，以期為同類型廠房的溫控防裂設(shè)計和施工提供有益參考。

1? 計算模型和參數(shù)

1.1? 計算模型

沙坪二級水電站廠房標準機組段為流道混凝土結(jié)構(gòu)，上下游方向長81.9 m，寬39.4 m，高50 m。地基范圍在上下游和深度方向各延伸一倍結(jié)構(gòu)高度。依據(jù)施工進度計劃安排，共分17個澆筑層，每層內(nèi)含1～6個澆筑塊。澆筑層層間間隔14 d，層內(nèi)相鄰澆筑塊間隔7 d。有限元計算混凝土模型如圖1所示。

1.2? 主要計算參數(shù)

材料（基巖和混凝土）的熱學(xué)和力學(xué)計算參數(shù)[2-6]分別如表1和表2所示。

混凝土彈模計算公式為：

其中，為加載齡期（單位：d）。

混凝土徐變計算公式為：

其中，t為時間（單位：d）。

1.3? 邊界條件

溫度場計算時，地基底面及四周側(cè)面取為絕熱邊界，結(jié)構(gòu)上下游面及臨空面取為固體散熱邊界。

應(yīng)力場計算時，地基底面及四周側(cè)面取為法向約束，其它臨空面取為自由邊界。

2? 計算工況設(shè)計

2.1? 工況1

6月1日首倉混凝土澆筑，控制澆筑溫度不低于5℃，不高于28℃。

2.2? 工況2

6月1日首倉混凝土澆筑，控制澆筑溫度不高于20℃。

表面保溫措施：混凝土澆筑完成后，立即對倉面及模板外側(cè)覆蓋泡沫塑料板保溫，至齡期14 d時拆除。在進入施工期的第一個冬季，對所有裸露表面覆蓋泡沫塑料板保溫，至冬季結(jié)束時拆除。

內(nèi)部冷卻措施：澆筑完成后立即通水冷卻，水管間距1.5 m×1.5 m，采用天然河水，流量1.5 m3/h，通水時間10 d，24 h換向一次。

3? 計算結(jié)果與討論

3.1? 工況1

工況1中流道各結(jié)構(gòu)部位計算結(jié)果統(tǒng)計如表3所示，其中關(guān)鍵數(shù)據(jù)用粗體標出，并以圖2所示的y=-10.5 m剖面溫度、應(yīng)力包絡(luò)圖作為參照。主要認識有：

（1）流道中墩處混凝土早期內(nèi)外溫差最大，達到18℃以上。對早期混凝土來說，由于內(nèi)外溫差的作用，混凝土產(chǎn)生了相應(yīng)的內(nèi)外變形約束，此時外表面混凝土處于相對收縮變形的狀態(tài)，而內(nèi)部混凝土則相反，體積處于相對膨脹的狀態(tài)。因而，在表面受張拉的區(qū)域就有拉應(yīng)力的出現(xiàn)，而在結(jié)構(gòu)內(nèi)部相對受擠壓的區(qū)域就產(chǎn)生了壓應(yīng)力，且當(dāng)溫差足夠大時，混凝土表面的拉應(yīng)力就能夠達到甚至超過混凝土的即時允許應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土早期表面裂縫的產(chǎn)生。

（2）結(jié)構(gòu)多處混凝土早期表面拉應(yīng)力都超出其允許應(yīng)力，有必要采取早期表面保溫、內(nèi)部導(dǎo)熱降溫及降低入倉溫度等措施，以降低早期混凝土過大的內(nèi)外溫差，從而降低混凝土產(chǎn)生早期表面裂縫的可能性。

（3）夏季澆筑的進水口底板混凝土內(nèi)部最高溫度達到36℃以上。對后期混凝土來說，受外界氣溫逐漸下降的影響， 底板混凝土結(jié)構(gòu)相對于下部地基處于溫降收縮變形狀態(tài)，在冬季寒冷時刻，混凝土內(nèi)外拉應(yīng)力達到最大，且當(dāng)后期溫降幅度足夠大時，混凝土內(nèi)外拉應(yīng)力就可能超過混凝土的即時允許應(yīng)力，造成混凝土的開裂。

（4）在遭遇寒冷冬季時，夏季澆筑的進水口底板混凝土處，后期混凝土表面拉應(yīng)力已超出允許應(yīng)力。有必要在冬季采取表面保溫及控制早期混凝土內(nèi)部溫升等措施，以降低后期溫降幅度，從而降低混凝土后期產(chǎn)生裂縫的可能性。

3.2? 工況2

工況2中流道各結(jié)構(gòu)部位計算結(jié)果統(tǒng)計如表4所示，并以圖3所示的y=-10.5 m剖面溫度、應(yīng)力包絡(luò)圖作為參照。主要認識：

與工況1相比，采取降低澆筑溫度和“外保內(nèi)降相結(jié)合”的溫控措施后，一方面，混凝土早期內(nèi)外溫差大大減小，相應(yīng)的混凝土內(nèi)外相對變形減小，早期混凝土的表面拉應(yīng)力狀態(tài)也隨之得到改善，如流道中墩處，早期內(nèi)外溫差由工況1中的18.44℃減小到9.31℃，早期表面拉應(yīng)力由2.19 MPa減小到1.00 MPa，已滿足混凝土的抗裂安全要求;另一方面，混凝土的內(nèi)部溫升幅度降低，相應(yīng)后期溫降幅度明顯減小，從而使得由于后期溫降所產(chǎn)生的混凝土拉應(yīng)力也明顯減小，如進水口底板處，溫度峰值由工況1中的36.39℃減小到30.62℃，其后期拉應(yīng)力由2.22 MPa減小到1.55 MPa，也滿足混凝土的抗裂安全要求。

4? 結(jié)論

（1）混凝土開裂可能性較大的時刻，一是在新澆混凝土塊齡期較短時，二是在經(jīng)歷冬季外界氣溫較低時。

（2）貫流式機組廠房流道混凝土拉應(yīng)力較大部位：一是位于強約束區(qū)的進水口底板，二是位于混凝土厚度較大、散熱條件差的流道中墩部位。

（3）采取降低澆筑溫度和“外保內(nèi)降相結(jié)合”相結(jié)合的溫控措施，能顯著減小早期混凝土的溫升幅度和內(nèi)外溫差以及后期的溫降幅度，對混凝土的溫控防裂有多重作用，十分有效。

參考文獻

[1] 朱伯芳. 大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M]. 北京： 中國電力出版社， 1999.

[2] 《三峽水利樞紐混凝土工程溫度控制研究》編委會. 三峽水利樞紐混凝土工程溫度控制研究[M]. 北京： 中國水利水電出版社， 2001.

[3] 張楊， 郭曉娜. 水電站廠房下部結(jié)構(gòu)混凝土溫控防裂分析[J]. 南水北調(diào)與水利科技， 2009， 7（3）： 101-103， 113.

[4] 頡志強， 強晟， 陳守開， 等. 大型水電站廠房施工期混凝土開裂機理和防裂方法研究[J]. 三峽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2010， 32（4）： 29-33.

[5] 彭景文. 三峽電站廠房尾水管溫度應(yīng)力仿真計算分析[J]. 長江科學(xué)院院報， 1995，12（4）： 26-31.

[6] 常曉林， 程井， 周偉. 軟基上廠房大體積混凝土施工期溫度應(yīng)力仿真[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）， 2007， 40（2）： 21-25.

作者簡介：

丁兵勇，通信作者，男，漢族，安徽肥東人，碩士，高級工程師。研究方向：水工結(jié)構(gòu)設(shè)計。

E-mail： ding_by@ecidi.com

（收稿日期：2020-09-14）