大壩混凝土溫控防裂措施優(yōu)化研究

于敬鐸

(遼寧西北發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117200)

1 工程概況

石橋水電站是遼寧省東部重要河流愛(ài)河下游干流上的重要水利樞紐工程，對(duì)解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)村電力供應(yīng)，控制環(huán)境污染具有十分重要的作用。根據(jù)工程設(shè)計(jì)，該水電站是一座以發(fā)電為主的綜合性小型徑流式水電站，設(shè)計(jì)庫(kù)容3664萬(wàn)m3，裝機(jī)容量9600 kW[1]。石橋水電站工程主要由攔河壩、溢洪道以及引水發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成。其中，電站大壩壩型為混凝土重力壩，最大壩高為34.35 m，壩頂寬為7.00 m，坡比為1∶0.7。其中擋水壩段基建面高程為116.02 m，上游和下游設(shè)計(jì)水位分別為147.50 m和125.62 m，采用C30混凝土澆筑[2]。由于混凝土重力壩屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，澆筑過(guò)程中混凝土產(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(duì)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(duì)大壩的順利建成和安全運(yùn)行具有重要意義。

2 ANSYS有限元計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型的構(gòu)建

ANSYS是美國(guó)ANSYS公司推出的一款工程仿真計(jì)算軟件，具有復(fù)合材料設(shè)計(jì)、建立三維組件、擴(kuò)展建模、動(dòng)力學(xué)分析、流體力學(xué)分析、聲場(chǎng)分析以及結(jié)構(gòu)凈力分析等諸多領(lǐng)域的分析功能，可以用于結(jié)構(gòu)、流體、電力以及電磁和碰撞等方面問(wèn)題的研究，在各個(gè)工程領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[4]。同時(shí)，在ANSYS有限元模型建成之后，僅需要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工況下的有限元計(jì)算模型重建，具有多方案計(jì)算方面的便捷性[5]。基于此，本次選擇ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算模型的構(gòu)建。由于大壩混凝土澆筑施工采用分段澆筑的方式，各個(gè)壩段相互獨(dú)立，因此對(duì)整個(gè)大壩進(jìn)行建模計(jì)算沒(méi)有具體的施工指導(dǎo)意義，還會(huì)大幅增加計(jì)算量[6]。因此，研究中選擇大壩的6#壩段的部分澆筑塊進(jìn)行建模分析。該澆筑塊的長(zhǎng)寬均為19.0 m，高度為2.5 m，分為上下兩層。其中，底層為厚度1.0 m的墊層混凝土，上部為厚度1.5 m的C30混凝土。為了保證計(jì)算結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，模型豎直向下取10.0 m，上下游方向取19.0 m。模型以水流方向?yàn)閅軸的正方向，以垂直于Y軸指向右岸的方向?yàn)閄軸的正方向，以豎直向上的方向?yàn)閆軸的正方向。研究中選取鄧肯模型作為模擬計(jì)算的本構(gòu)模型，將壩體視為線彈性材料，利用SOLID70單元進(jìn)行模型的網(wǎng)格單元?jiǎng)澐郑罱K獲得24 924個(gè)計(jì)算單元，26 567個(gè) 計(jì)算節(jié)點(diǎn),有限元模型示意圖如圖1。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 邊界條件和計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型的溫度邊界條件為模型的表面部位為大氣氣溫加2 ℃，以模擬輻射熱的作用和影響；混凝土澆筑倉(cāng)面的溫度為氣溫加2 ℃[7]。模型地基的各個(gè)側(cè)面設(shè)定為法向位移約束；模型的底面為全位移約束。大壩主體采用C30混凝土進(jìn)行澆筑，其不同齡期的彈性模量以及熱學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 混凝土材料的彈性模量與熱學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算方案

相關(guān)研究表明，大體積混凝土澆筑過(guò)程中的內(nèi)部最高溫度等于混凝土的入倉(cāng)溫度與溫升之和。因此，過(guò)高的入倉(cāng)溫度不僅利于后期混凝土內(nèi)部的溫度控制，同時(shí)還會(huì)造成最大溫度應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間提前，進(jìn)而增加溫度裂縫產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)[8]。因此，當(dāng)前的大體積混凝土澆筑主要采取低溫入倉(cāng)措施，并取得良好的溫控效果。但是，一味降低混凝土入倉(cāng)溫度也有不利之處。由于上層混凝土的溫度比下部混凝土的溫度明顯偏低，其入倉(cāng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生對(duì)下層混凝土的“冷擊”進(jìn)而造成拉力的超標(biāo)而產(chǎn)生裂縫。基于此，研究中設(shè)計(jì)不同的外界環(huán)境溫度和入倉(cāng)溫度，設(shè)計(jì)出如表2所示的計(jì)算方案，通過(guò)數(shù)值模擬研究，獲得最佳混凝土入倉(cāng)溫度。

表2 入倉(cāng)溫度計(jì)算方案 ℃

混凝土壩的溫度裂縫主要以表面裂縫為主，且多形成于澆筑的初期。雖然大部分表面裂縫并不會(huì)對(duì)大壩的澆筑質(zhì)量和安全造成顯著影響，但是也有可能發(fā)展成為深層裂縫乃至貫通性裂縫。因此，采取切實(shí)有效的表面保溫措施極為必要。但是，表面保溫措施并不是越強(qiáng)越好，過(guò)度保溫不僅會(huì)增大經(jīng)濟(jì)成本，還會(huì)造成混凝土結(jié)構(gòu)散熱能力下降，不利于后期的防裂控制。基于此，研究中采取不同材料、不同厚度的表面保溫措施，設(shè)計(jì)出如表3所示的計(jì)算方案。

表3 保溫措施計(jì)算工況設(shè)計(jì) mm

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 入倉(cāng)溫度的計(jì)算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元計(jì)算模型，對(duì)不同入倉(cāng)溫度工況下的混凝土內(nèi)部的溫度和第一、第三主應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，并提取出如表4所示的計(jì)算結(jié)果最大值。由表中的計(jì)算結(jié)果可知，第一主應(yīng)力隨著混凝土入倉(cāng)溫度和環(huán)境溫度溫差的增大而增大，第三主應(yīng)力隨著混凝土入倉(cāng)溫度和環(huán)境溫度溫差的增大而減小。從第一主應(yīng)力的變化情況來(lái)看，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。鑒于主拉應(yīng)力是造成混凝土溫度裂縫的主要因素，在混凝土澆筑施工過(guò)程中，應(yīng)該時(shí)刻關(guān)注天氣和環(huán)境溫度的變化，將入倉(cāng)溫度和環(huán)境溫度之差控制在5 ℃以內(nèi)。這不僅可以有效降低后期混凝土的溫升，也有利于控制施工成本和防止新入倉(cāng)混凝土“冷擊”現(xiàn)象的負(fù)面影響。

表4 不同工況下溫度和應(yīng)力最大值

3.2 表面保溫措施的計(jì)算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元計(jì)算模型，對(duì)不同表面溫控措施工況下的混凝土內(nèi)部的溫度和第一、第三主應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，并提取出如表5所示的計(jì)算結(jié)果最大值。由表中的計(jì)算結(jié)果可知，隨著混凝土表面保溫措施的不斷加強(qiáng)，混凝土中心部位所達(dá)到的最高溫度呈現(xiàn)出不斷增加的特征。究其原因，主要是保溫措施的加強(qiáng)不利于混凝土本身向外部環(huán)境散熱，進(jìn)而導(dǎo)致中心部位溫度的明顯升高。從第三主應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，其最大壓應(yīng)力的值在2.5 MPa左右，這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于C30混凝土的抗壓強(qiáng)度值。從第一主應(yīng)力的最大值來(lái)看，BW1、BW2、BW3三種工況下的第一主應(yīng)力最大值已經(jīng)超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，BW4、BW6、BW7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(jiàn)，BW5的保溫措施是最為適合的。也就是說(shuō)，在大壩混凝土澆筑施工過(guò)程中，應(yīng)該采用鋼模板內(nèi)部貼聚乙烯泡沫保溫板的方式進(jìn)行表面保溫，厚度以2 cm 為宜。采用上述保溫措施，不僅可以保證混凝土表面的拉應(yīng)力不超過(guò)混凝土本身的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，保證混凝土表面不開(kāi)裂，同時(shí)施工過(guò)程也比較簡(jiǎn)單，有利于控制施工成本。

表5 不同工況下溫度和應(yīng)力最大值

4 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(cāng)溫度和環(huán)境溫度之差控制在5 ℃以內(nèi)。

(2)在大壩混凝土澆筑施工過(guò)程中，應(yīng)該采用鋼模板內(nèi)部貼聚乙烯泡沫保溫板的方式進(jìn)行表面保溫，厚度以2 cm為宜。