水電站廠房蝸殼外包混凝土溫控防裂研究

丁兵勇，鄭再新，杜潤寧，張智沛，強 晟

(1.華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州310014；2.河海大學水利水電學院，江蘇南京210098)

0 引言

水電站廠房施工中，蝸殼二期混凝土由于澆筑塊尺寸大、結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜，受一期老混凝土約束強等原因，混凝土開裂的現(xiàn)象時有發(fā)生。如施工期不有效控制裂縫的產(chǎn)生，運行期在動水荷載及水輪機、發(fā)電機的高頻振動荷載作用下，微小裂縫很容易擴展成為危害性裂縫，影響機組的穩(wěn)定運行及結(jié)構(gòu)安全。本文采用非穩(wěn)定溫度場及應(yīng)力場的有限元計算方法[1-3]，對某水電站廠房蝸殼外包混凝土結(jié)構(gòu)的施工全過程進行數(shù)值模擬。

1 計算模型和邊界條件

某水電站蝸殼外包混凝土結(jié)構(gòu)，上下游方向長23.6 m，廠左右方向長25 m，蝸殼層高11 m，水輪機層高5.1 m。根據(jù)施工進度計劃安排，將蝸殼及機墩混凝土沿高度方向共分為6個澆筑層，層間間歇期為7 d[4]。計算模型見圖1。

圖1 有限元計算模型

溫度場計算中，混凝土底面為絕熱邊界，上表面為散熱邊界，左右橫縫面在齡期3個月內(nèi)為散熱邊界，此后被相鄰澆筑塊覆蓋，調(diào)整為絕熱邊界，上下游面與空氣相鄰為散熱邊界。應(yīng)力場計算中，底面施加法向約束，其他面均為自由邊界。

2 計算參數(shù)

工程區(qū)多年月均氣溫統(tǒng)計見表1。

表1 多年月平均氣溫統(tǒng)計表

氣溫Ta(t)計算式：

(1)

式中：t為月份。

混凝土采用C9030，主要熱力學參數(shù)見表2。

表2 混凝土熱力學計算參數(shù)

絕熱溫升θ(τ)計算式：

θ(τ)=39.15×(1-e-0.3τ0.8)

(2)

彈模E(τ)計算式：

E(τ)=38×(1-e-0.128τ0.8)

(3)

式中：τ為齡期，d。

3 計算工況及結(jié)果分析

工況1：4月22日入倉，混凝土澆筑溫度設(shè)定為月均氣溫+3℃。

工況2：在工況1的基礎(chǔ)上，控制澆筑溫度不超過12℃。混凝土齡期2個月內(nèi)表面覆蓋保溫措施，表面散熱系數(shù)為100 kJ/(m2·d·℃)。混凝土內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管，水平間距為1.0 m，豎直間距同澆筑層高，通水時長15d，冷卻水溫約9℃，流量48 m3/d。

工況3：在工況1基礎(chǔ)上，控制澆筑溫度不超過12℃。混凝土齡期2個月內(nèi)表面覆蓋保溫措施，表面散熱系數(shù)為100 kJ/(m2·d·℃)。蝸殼澆筑層在平面上分4塊，分兩次澆筑，對角線澆筑塊同時入倉[5]。

工況1、工況2和工況3中蝸殼第二澆筑層層高中間的剖面溫度包絡(luò)圖和應(yīng)力包絡(luò)圖，見圖2～圖7。圖中的應(yīng)力均為第一主應(yīng)力。

圖2 工況1蝸殼第二層中間剖面溫度包絡(luò)圖(℃)

圖3 工況1蝸殼第二層中間剖面應(yīng)力包絡(luò)圖(MPa)

圖4 工況2蝸殼第二層中間剖面溫度包絡(luò)圖(℃)

圖5 工況2蝸殼第二層中間剖面應(yīng)力包絡(luò)圖(MPa)

圖6 工況3蝸殼第二層中間剖面溫度包絡(luò)圖(℃)

圖7 工況3蝸殼第二層中間剖面應(yīng)力包絡(luò)圖(MPa)

從圖2中可見，工況1中蝸殼第二澆筑層中混凝土厚度最大處的最高溫度達到36℃。從圖3中可見，工況1中混凝土內(nèi)部大部分區(qū)域的拉應(yīng)力均超過3.2 MPa，已超過混凝土的抗拉強度3.2 MPa。

從圖4中可見，工況2中因控制澆筑溫度和混凝土內(nèi)部通水冷卻，蝸殼第二層中混凝土內(nèi)部最高溫度僅約32℃，比工況1中降低了4℃。從圖5中可見，工況2中混凝土拉應(yīng)力超過3.2 MPa的區(qū)域相比工況1中大大減小。分析其原因：工況2相比工況1，混凝土內(nèi)部最高溫度相對較小，后期溫降收縮變形相對較小，受老混凝土約束和內(nèi)外變形約束作用而產(chǎn)生的混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力也就相對較小。

從圖6中可見，工況3中因控制澆筑溫度和減小澆筑塊面積，蝸殼第二層中混凝土內(nèi)部最高溫度約34℃，比工況1中降低了2℃。從圖7中可見，工況3中澆筑層內(nèi)混凝土最大拉應(yīng)力基本都小于3.2 MPa。分析其原因主要為：工況3相比工況1，澆筑塊尺寸減小一半，后期溫降收縮變形受老混凝土的約束作用大大減小，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力也大大減小，均不超過混凝土的抗拉強度3.2 MPa。

4 結(jié)論

(1)水電站的蝸殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜且澆筑塊尺寸較大，施工期因溫度應(yīng)力超標易出現(xiàn)裂縫。在施工前對其進行溫控仿真計算，并據(jù)此制定合理可行的溫控防裂措施，十分必要。

(2)對水電站蝸殼結(jié)構(gòu)，采取降低澆筑溫度和內(nèi)部水管冷卻相結(jié)合的溫控措施，能顯著減小早期混凝土的溫升幅度和后期混凝土的內(nèi)部拉應(yīng)力，對混凝土的溫控防裂較為有效。

(3)對水電站蝸殼結(jié)構(gòu)，采用合理的分層分塊措施減小澆筑塊尺寸，能顯著減小老混凝土或基礎(chǔ)的約束作用，從而減小混凝土的內(nèi)部拉應(yīng)力，對混凝土的溫控防裂十分有效。