李 彤 韓緒博

(水利部建設(shè)管理與質(zhì)量安全中心, 北京 100038)

混凝土大壩施工期環(huán)境氣溫影響下的溫度應(yīng)力

李 彤 韓緒博

(水利部建設(shè)管理與質(zhì)量安全中心, 北京 100038)

本文針對(duì)大體積混凝土施工期受氣溫影響易產(chǎn)生裂縫問題，介紹了混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境氣溫影響機(jī)理，認(rèn)定環(huán)境氣溫變化是導(dǎo)致混凝土裂縫產(chǎn)生的主要原因，掌握和預(yù)測(cè)混凝土應(yīng)力狀況，采取實(shí)時(shí)合理的針對(duì)性保溫措施是防止裂縫產(chǎn)生的重要措施。以實(shí)際工程的兩個(gè)壩段為例，借助三維有限元單元法，通過仿真計(jì)算模擬混凝土在過去一周和未來一周內(nèi)大壩的溫度和應(yīng)力情況，為工程溫控防裂提供決策支持。該方法和結(jié)論可以為類似工程建設(shè)提供重要參考。

混凝土； 大壩； 溫控防裂； 天氣預(yù)報(bào)； 仿真計(jì)算

1 前 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，清潔能源越來越受到重視，中國(guó)西南地區(qū)水資源豐富，水電工程越來越受到青睞。大壩屬大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在施工前或者運(yùn)行期由于多種原因，容易產(chǎn)生裂縫[1-5]，威脅其結(jié)構(gòu)的耐久性和穩(wěn)定性，影響工程的安全性。工程經(jīng)驗(yàn)表明，裂縫的影響因素很多，形成機(jī)理非常復(fù)雜[6-8]，而環(huán)境氣溫是影響混凝土安全的重要因素。環(huán)境氣溫高，混凝土溫度就高，環(huán)境溫度低，混凝土溫度就低，隨著環(huán)境氣溫的周期性變化，混凝土溫度也會(huì)出現(xiàn)周期性變化。混凝土溫度變化，將導(dǎo)致溫度應(yīng)力的產(chǎn)生，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土強(qiáng)度時(shí)，裂縫就會(huì)產(chǎn)生。

工程中，為了解環(huán)境氣溫的影響程度，進(jìn)行仿真計(jì)算、研究實(shí)際環(huán)境氣溫條件下的混凝土溫度和應(yīng)力情況[9]，掌握工程的安全性，進(jìn)一步預(yù)測(cè)混凝土的溫度和應(yīng)力，在天氣預(yù)報(bào)信息基礎(chǔ)上，對(duì)混凝土溫度和應(yīng)力進(jìn)行預(yù)測(cè)，為后續(xù)施工提供決策支持，其成為一個(gè)不可或缺的途徑。針對(duì)這一問題，本文以溪洛渡水電站為依據(jù)，對(duì)新澆筑兩個(gè)壩段中的兩倉混凝土仿真計(jì)算，得出過去一周和未來一周內(nèi)大壩的溫度和應(yīng)力情況，為工程溫控防裂提供決策支持，服務(wù)工程建設(shè)。

2 混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境氣溫影響機(jī)理

混凝土結(jié)構(gòu)在外界環(huán)境影響下，會(huì)產(chǎn)生較大的影響，尤其是混凝土表面。環(huán)境氣溫升高，混凝土膨脹，環(huán)境氣溫降低，混凝土收縮變形，當(dāng)收縮變形受到地基約束或者周圍結(jié)構(gòu)的約束時(shí)，產(chǎn)生拉應(yīng)力，易導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。工程經(jīng)驗(yàn)表明，寒潮、晝夜溫差、蓄水冷擊等短周期氣溫變化將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，是裂縫產(chǎn)生的重要因素。

針對(duì)裂縫產(chǎn)生的原因，工程上一般采用保溫的方式予以解決，即削弱環(huán)境氣溫對(duì)混凝土表面的影響程度。但采用的保溫力度或保溫材料的厚度，一般需通過仿真計(jì)算和工程經(jīng)驗(yàn)來確定，仿真計(jì)算需要以當(dāng)?shù)貧夂驐l件作為邊界條件，包括當(dāng)?shù)氐臅円箿夭詈蜌鉁伢E降等信息。

3 大壩施工期環(huán)境氣溫的影響分析

3.1 工程概況

金沙江下游溪洛渡水電站，總裝機(jī)容量為1260萬kW，年發(fā)電量位居世界第三，為571.2億kW·h，是中國(guó)第二大水電站。水電站樞紐由攔河壩、泄洪、引水、發(fā)電等建筑物組成。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程610.00m，最大壩高278m，壩頂中心線弧長(zhǎng)698.09m。水庫正常蓄水位600.00m，死水位540.00m，水庫總?cè)萘?26.7億m3。

拱壩壩高278m，為拋物線雙曲拱壩，拱頂弧長(zhǎng)698.07m，拱冠底部厚69.0m，壩體混凝土685.6萬m3，工程規(guī)模和工程量十分巨大?；炷练搅看?、壩底厚、岸坡陡峻，使壩體的溫度控制問題較為突出。

3.2 12號(hào)壩段混凝土施工期溫度應(yīng)力分析

3.2.1 計(jì)算模型

根據(jù)大壩實(shí)際情況，建立12號(hào)壩段仿真計(jì)算模型，計(jì)算模型單元總數(shù)83922，節(jié)點(diǎn)總數(shù)99738，厚度方向0.1～0.5m一層，滿足澆筑層需要。大壩上下游面在蓄水前為氣溫邊界條件，蓄水后為水溫邊界條件；地基地面為三向約束，四周為法向約束。圖1為12號(hào)壩段三維有限元計(jì)算模型。

圖1 12號(hào)壩段三維有限元計(jì)算模型

3.2.2 施工期溫度應(yīng)力仿真分析

仿真反饋計(jì)算本周、預(yù)報(bào)下周溫度應(yīng)力時(shí)，模擬了12號(hào)壩段的施工期澆筑過程。

12號(hào)壩段自2009年9月15日15∶00開始澆筑至2010年5月16日已澆了12倉混凝土(高程為335.00～364.80m)。2010年5月10—16日，12號(hào)壩段僅澆筑1倉混凝土。澆筑期間，最高氣溫28.8℃，最低氣溫15.1℃，晝夜溫差在5.5～11.8℃之間。模擬氣溫特點(diǎn)，從計(jì)算的溫度和應(yīng)力發(fā)展過程來看，混凝土計(jì)算最高溫度能滿足溫控技術(shù)要求，均小于27℃，最大應(yīng)力出現(xiàn)在和基巖接觸的混凝土部位，且發(fā)生在通水冷卻末期。

如圖2所示，該倉混凝土澆筑完后的幾天內(nèi)短周期溫度變化較為頻繁，混凝土倉面不斷受到溫降冷擊作用，至5月1日前后，雖然不考慮溫降冷擊時(shí)的應(yīng)力仍為壓應(yīng)力，但疊加溫降冷擊后的應(yīng)力已達(dá)到臨界值，開裂風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖2 大壩典型位置溫度及順河向應(yīng)力過程線

此外，5月5—7日36h內(nèi)氣溫變幅近22℃，由此帶來的表面應(yīng)力增幅近2MPa。由于該倉混凝土早期壓應(yīng)力儲(chǔ)備較大，因而溫降后拉應(yīng)力僅為0.56MPa，小于該齡期的容許應(yīng)力，但即便如此，開裂風(fēng)險(xiǎn)仍然不容忽視。倉面間歇時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，需要做好表面保溫工作。5月11日左右混凝土層面的拉應(yīng)力達(dá)到1.0MPa，安全系數(shù)略大于1.8，開裂風(fēng)險(xiǎn)仍然存在。

3.2.3 溫度和應(yīng)力預(yù)報(bào)結(jié)果分析

根據(jù)氣象預(yù)報(bào)資料，計(jì)算在預(yù)報(bào)氣溫資料前提下，大壩的溫度和應(yīng)力狀況。2010年5月17—23日施工現(xiàn)場(chǎng)最高氣溫在31℃左右，最低氣溫大約在18℃左右，晝夜溫差約7～11℃。如圖2所示，由于12號(hào)—12倉混凝土齡期尚小，基本處于升溫階段，但隨著溫度下降，壓應(yīng)力不斷減小，自22日混凝土出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力。

3.3 17號(hào)壩段混凝土施工期溫度應(yīng)力分析

3.3.1 計(jì)算模型

根據(jù)大壩實(shí)際情況，建立17號(hào)壩段仿真計(jì)算模型，計(jì)算模型單元總數(shù)94982，節(jié)點(diǎn)總數(shù)106738，厚度方向0.05～0.5m一層，滿足澆筑層需要。大壩上下游面在蓄水前為氣溫邊界條件，蓄水后為水溫邊界條件；地基地面為三向約束，四周為法向約束。圖3為17號(hào)壩段三維有限元計(jì)算模型。

圖3 17號(hào)壩段三維有限元計(jì)算模型示意圖

3.3.2 施工期溫度應(yīng)力仿真分析

仿真反饋本周、預(yù)報(bào)下周溫度應(yīng)力時(shí)，模擬17號(hào)壩段的施工期澆筑過程。

17號(hào)壩段自2009年4月16日02∶46開始澆筑至2010年5月16日已澆了26倉混凝土(高程為324.50～386.00m)。2010年5月10—16日，17號(hào)壩段僅澆筑一倉混凝土。夏季澆筑混凝土倉面在無保護(hù)或保護(hù)不當(dāng)?shù)那闆r下，最高溫度能達(dá)到30℃，其他部位混凝土最高溫度能滿足溫控技術(shù)要求，均控制在27℃以內(nèi)。最大應(yīng)力出現(xiàn)在強(qiáng)約束區(qū)336.00～339.50m高程附近，339.50m高程有近2個(gè)月的長(zhǎng)間歇，層面溫度及應(yīng)力變化梯度較大，順河向應(yīng)力的安全系數(shù)小于1.8。

本周17號(hào)—26倉混凝土自2010年5月11日澆筑，齡期近6d，混凝土處于升溫階段，在逐日氣溫影響下，混凝土的壓應(yīng)力變化幅度在0.3MPa左右，壓應(yīng)力總體趨勢(shì)為緩慢減少(見圖4)，從長(zhǎng)周期應(yīng)力過程看，開裂風(fēng)險(xiǎn)不大。

3.3.3 溫度和應(yīng)力預(yù)報(bào)結(jié)果分析

根據(jù)氣象預(yù)報(bào)資料，計(jì)算在預(yù)報(bào)氣溫前提下，大壩的溫度和應(yīng)力狀況。2010年5月17—23日施工現(xiàn)場(chǎng)最高氣溫在31℃左右，最低氣溫在18℃左右，晝夜溫差約7～11℃。

圖4 17號(hào)—26倉典型位置溫度及順河向應(yīng)力過程線

17號(hào)壩段未來一周只有17號(hào)—26倉間歇，如圖4所示，未來一周溫度將呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，壓應(yīng)力水平不斷減小，自22日左右混凝土壓應(yīng)力減小至-0.13MPa。

如圖5所示，典型時(shí)刻不考慮晝夜溫差溫度應(yīng)力，上游、下游表面主要以壓應(yīng)力或者微拉應(yīng)力為主，倉面主要為壓應(yīng)力，下部339.00m高程區(qū)域出現(xiàn)長(zhǎng)間歇?？傮w而言，在不考慮短周期溫度驟降或晝夜溫差的前提下，上游和下游表面、倉面和內(nèi)部應(yīng)力滿足抗裂要求。

圖5 5月16日上游、中游和下游表面應(yīng)力

4 結(jié) 語

a.大體積混凝土結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生表面裂縫，而環(huán)境氣溫的變化是導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的主要原因，本文對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境氣溫影響機(jī)理等方面進(jìn)行了探討，認(rèn)為防止它們出現(xiàn)有效的措施之一是準(zhǔn)確掌握環(huán)境氣溫影響下的混凝土溫度和應(yīng)力情況，進(jìn)而制定實(shí)時(shí)合理的防裂措施，指導(dǎo)施工。

b. 12號(hào)壩段的仿真計(jì)算結(jié)果表明，混凝土最高溫度能滿足溫控技術(shù)要求，均小于27℃，寒潮溫降使混凝土層面的拉應(yīng)力達(dá)到1.0MPa，接近臨界值，存在較大風(fēng)險(xiǎn)，倉面需做好保溫措施。

c. 17號(hào)壩段的仿真計(jì)算結(jié)果表明，在目前氣溫相對(duì)較高的季節(jié)(5月)，如果僅考慮長(zhǎng)周期應(yīng)力，早齡期混凝土大部分處于溫升階段，主要以壓應(yīng)力為主，開裂風(fēng)險(xiǎn)不大，但如果疊加上17日出現(xiàn)的11℃晝夜溫差應(yīng)力，則倉面應(yīng)力出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，有開裂風(fēng)險(xiǎn)存在，需做好必要的保溫措施。

[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(guó)電力出版社，1999年.

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Temperature stress during concrete dam construction period under the influence of ambient temperature

LI Tong, HAN Xubo

(MinistryofWaterResourcesConstructionManagementandQualitySecurityCenter,Beijing100038,China)

In the paper, environment temperature influence mechanisms of concrete structures are introduced aiming at the cracking problems taking place easily due to the ambient temperature influence during large mass concrete construction period. It is recognized that environment temperature change is an important reason of causing concrete cracks. Concrete stress condition should be mastered and predicted. Real-time and rational targeted heat insulation measures are important measures, which should be adopted to prevent cracks. Two dam sections in practical engineering are adopted as examples. Three-dimensional finite element unit method is applied. The dam temperature and stress condition of concrete in the past week and one future week can be simulated through simulation calculation, thereby providing decision-making support for engineering temperature control and crack prevention. The method and conclusion can provide important reference for constructing similar projects.

concrete; dam; temperature control and crack prevention; weather forecast; simulation calculation

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.03.007

TV315

A

1005-4774(2017)03- 0022- 05