溢洪道大體積混凝土溫控防裂措施優(yōu)化試驗(yàn)研究

孫娟娟，張 兵

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430064)

1 工程背景

某水電站是一座以發(fā)電為主的綜合性小型徑流式水電站，主要由攔河壩、溢洪道以及引水發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成。其中，水庫大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩壩型設(shè)計(jì)，其壩頂高程為497.0m，最大壩高65.5m，電站的裝機(jī)總?cè)萘繛?×2500kW。水電站的溢洪道布置在拱壩河床部位中部，為弧形鋼閘門控制的溢流堰泄流方式。其具體工程布置為沿大壩拱圈徑向布置4孔溢洪道，單孔凈寬12.0m，堰頂高程為488.0m。每孔溢洪道之間設(shè)置1扇弧形閘門，在相鄰溢洪道之間設(shè)置一道橫縫，整個(gè)溢洪道被設(shè)置的橫縫劃分為5個(gè)壩塊。對水庫大壩實(shí)施全斷面碾壓混凝土澆筑，自下而上澆筑至484.1m 高程后，在 1#、2#橫縫部位，也就是邊墩與壩體碾壓混凝土結(jié)合處開始安裝模板，澆筑非溢流壩壩體，此處即為溢洪道與大壩非溢流壩段分界點(diǎn)，澆筑過程中采用C30混凝土[2]。由于大壩溢洪道混凝土為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，澆筑過程中產(chǎn)生的水化熱不易散失，并產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力[3]。因此，研究不同溫控措施對混凝土的溫度應(yīng)力的影響，并選擇最為科學(xué)的溫控防裂方案，對工程的順利建成和安全運(yùn)行具有重要意義?；诖?，此次研究通過現(xiàn)場試驗(yàn)的方式，對入倉溫度、表面保溫措施以及澆筑層厚對混凝土內(nèi)部的溫度和應(yīng)力的影響展開分析，以便為類似工程施工提供必要的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)概況

此次現(xiàn)場試驗(yàn)選擇大壩溢洪道混凝土澆筑施工現(xiàn)場進(jìn)程，試驗(yàn)壩塊選擇的是1號壩塊。試驗(yàn)的目的是對澆筑過程中混凝土內(nèi)部的溫度和應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，通過溫度和應(yīng)力變化，對各種溫控措施進(jìn)行評價(jià)和參數(shù)優(yōu)化。試驗(yàn)的主要內(nèi)容是將溫度和應(yīng)力的探頭提前埋入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的指定位置，在混凝土澆筑施工完成之后，利用埋設(shè)的儀器進(jìn)行溫度和應(yīng)力的測量，并記錄好相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測

混凝土內(nèi)部溫度的監(jiān)測采用的是JDC-2型電子測溫儀，該儀器是大體積和冬季施工混凝土測溫的專用儀器，由主機(jī)和溫度傳感器兩部分構(gòu)成，可以直接顯示測點(diǎn)溫度，使用簡單、操作便捷，僅用一臺主機(jī)即可實(shí)現(xiàn)所有測溫點(diǎn)的溫度采集，可以顯著降低試驗(yàn)費(fèi)用和人力投入。為了保證溫度測量的準(zhǔn)確性，每個(gè)溫度傳感器在埋設(shè)之前均應(yīng)該進(jìn)行標(biāo)定，在埋設(shè)之前應(yīng)該固定好傳感器，保證測溫探頭不與鋼筋接觸，在澆筑施工過程中應(yīng)該盡量小心，避免溫度探頭出現(xiàn)移動、脫落和損壞。

混凝土內(nèi)部應(yīng)力采用振弦傳感器進(jìn)行測量，該系統(tǒng)主要由控制器、信號采集線路、人機(jī)交互界面以及通信接口和電源模塊組成。傳感器從上游到下游依次布置，并保證所有關(guān)鍵部位的應(yīng)力都能獲得有效的監(jiān)控。其中上游測點(diǎn)距離上游壩面4m，下游測點(diǎn)距離下游壩面3m。

2.3 試驗(yàn)方案

相關(guān)研究表明，入倉溫度對大體積混凝土的溫控防裂具有重要影響，如果入倉溫度過高，不僅對混凝土澆筑后期的內(nèi)部溫度有影響，還會造成最大溫度應(yīng)力提前出現(xiàn)，從而增加溫度裂縫的風(fēng)險(xiǎn)[8]。但是，一味降低入倉溫度，也有諸多不利之處，特別是較低的入倉溫度會對下層混凝土造成明顯的“冷擊”，造成拉應(yīng)力裂縫。基于此，結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)計(jì)出不同的外界環(huán)境和入倉溫度試驗(yàn)方案，結(jié)果見表1。

表1 入倉溫度計(jì)算方案

大體積混凝土的溫度裂縫主要表現(xiàn)為表面裂縫。因此，有必要采取科學(xué)、合理的表面溫控措施。但是，如果采取過量的表面溫控措施，不僅不利于大體積混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)散熱，還會進(jìn)一步提升經(jīng)濟(jì)成本?；诖?，結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，設(shè)計(jì)出如表2所示的混凝土表面溫控措施試驗(yàn)方案。

表2 保溫措施計(jì)算工況設(shè)計(jì)

大體積混凝土的澆筑層厚也是影響溫度裂縫效果的重要因素，結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)計(jì)1.0、1.5、2.0m三種不同的澆筑層厚進(jìn)行試驗(yàn)，分別記為方案20、方案21和方案22。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 入倉溫度的試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用現(xiàn)場試驗(yàn)的方式，對不同入倉溫度試驗(yàn)方案下的混凝土內(nèi)部的溫度和應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)，提取出試驗(yàn)結(jié)果的最大值，詳見表3。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著入倉溫度和環(huán)境溫差的增大，混凝土內(nèi)部的第一主應(yīng)力呈現(xiàn)出增大的特點(diǎn)，而第三主應(yīng)力呈現(xiàn)出減小的特點(diǎn)。具體來看，當(dāng)環(huán)境溫差小于5℃時(shí)，第一主應(yīng)力的增大幅度相對較小，當(dāng)環(huán)境溫差大于5℃時(shí)，第一主應(yīng)力的增加比較迅速。因此，在大體積混凝土的澆筑施工過程中，需要時(shí)刻關(guān)注施工現(xiàn)場的氣候特點(diǎn)和天氣變化情況，及時(shí)調(diào)整混凝土的入倉溫度，使之與環(huán)境溫度之間的差值控制在5℃以內(nèi)。

表3 不同入倉溫度方案下的混凝土內(nèi)部溫度和應(yīng)力最大值

3.2 表面保溫措施的試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用現(xiàn)場試驗(yàn)的方式，對不同表面溫控措施試驗(yàn)方案下的混凝土內(nèi)部溫度和應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)研究，并從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取其最大值，結(jié)果見表4。由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著表面溫控措施的強(qiáng)化，混凝土內(nèi)部的最高溫度呈現(xiàn)出不斷升高的變化特征。究其原因，主要是表面溫控措施，對混凝土內(nèi)部的環(huán)境散熱產(chǎn)生了明顯的抑制作用，因此混凝土內(nèi)部的溫度明顯升高。從具體的計(jì)算結(jié)果來看，第三主應(yīng)力的最大值在2.5MPa左右，顯著低于C30混凝土的抗壓強(qiáng)度值，因此不會產(chǎn)生抗壓破壞。從第一主應(yīng)力的試驗(yàn)結(jié)果來看，方案13、方案14、方案15的第一主應(yīng)力最大值較大，已經(jīng)超過C30混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，而方案17、方案18和方案19的第一主應(yīng)力最大值已經(jīng)十分接近C30混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。由此可見，方案17的表面溫控措施最為有利。也就是說，在大體積混凝土的施工過程中，可以在施工模板內(nèi)部設(shè)置厚度為2cm的聚乙烯泡沫保溫板。采取上述表面保溫措施，不僅可以有效降低表面開裂的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)施工簡單，施工成本也相對較低。

表4 不同表面溫控措施方案下的混凝土內(nèi)部溫度和應(yīng)力最大值

3.3 澆筑層厚的試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用現(xiàn)場試驗(yàn)的方式，對不同澆筑層厚試驗(yàn)方案下的混凝土內(nèi)部溫度和應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)研究，并從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取其最大值，結(jié)果見表5。由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著澆筑層厚的增加，混凝土內(nèi)部的最高溫度和應(yīng)力值均呈現(xiàn)出先減小后增大的特點(diǎn)，當(dāng)采用方案21，也就是澆筑層厚為1.5m時(shí)，混凝土內(nèi)部的應(yīng)力和溫度控制效果最佳，當(dāng)然可以獲得最好的溫度裂縫控制效果。

表5 不同澆筑層厚方案下的混凝土內(nèi)部溫度和應(yīng)力最大值

4 結(jié)論

此次研究以某水電站混凝土重力壩為例，利用現(xiàn)場的方法，研究了混凝土入倉溫度、表面保溫措施以及澆筑層厚對混凝土內(nèi)部溫度和應(yīng)力的影響，并獲得如下主要結(jié)論：

(1)當(dāng)溫差小于5℃時(shí)，隨著溫差的增大，第一主應(yīng)力的增大幅度較為有限，當(dāng)溫差大于5℃時(shí)，增加的速率較為迅速，建議將入倉溫度和環(huán)境溫度之差控制在5℃以內(nèi)。

(2)在大體積混凝土的施工過程中，可以在施工模板內(nèi)部設(shè)置厚度為2cm的聚乙烯泡沫保溫板。

(3)隨著澆筑層厚的增加，混凝土內(nèi)部的最高溫度和應(yīng)力值均呈現(xiàn)先減小后增大的特點(diǎn)，當(dāng)澆筑層厚為1.5m時(shí)，混凝土內(nèi)部的應(yīng)力和溫度控制效果最佳，獲得最好的溫度裂縫控制效果。