歐陽建樹,黃達(dá)海

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

1 前 言

深溪溝水電站位于大渡河中游的瀘定～銅街子段,壩址位于四川省漢源縣和甘洛縣境內(nèi),為大渡河干流規(guī)劃的第十八級(jí)電站,裝機(jī)容量 660MW,年發(fā)電量 32.35億 kW·h。電站的主要任務(wù)為發(fā)電,無其他綜合利用要求。電站開發(fā)方式為河床式。廠房位于河右岸,由主機(jī)間壩段、接頭壩段、窯洞式安裝間、副廠房、引水渠、尾水渠組成。主機(jī)間壩段由三個(gè)長(zhǎng) 33.98m和一個(gè)長(zhǎng) 37.98m的壩段組成。1號(hào)和 2號(hào)機(jī)壩段基礎(chǔ)置于微風(fēng)化～新鮮中厚層狀白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r上,3號(hào)和 4號(hào)機(jī)壩段系挖除河床覆蓋層后,置于 C15填塘碾壓混凝土上。

為了使填塘碾壓混凝土內(nèi)部不致因過高的溫度和過大的應(yīng)力產(chǎn)生變形而開裂,保持一定的整體性,同時(shí)使填塘混凝土和上部廠房混凝土的溫度場(chǎng)相協(xié)調(diào),保證兩者結(jié)合緊密,本文對(duì)施工期填塘混凝土在各種可能工況下的溫度和應(yīng)力情況進(jìn)行了計(jì)算,并選出最優(yōu)工況,以使填塘碾壓混凝土在工程實(shí)際條件下,其內(nèi)部溫度和應(yīng)力均滿足溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2 基本資料

選取典型的 3號(hào)壩段進(jìn)行計(jì)算,該壩段底部全為填塘碾壓混凝土。3號(hào)壩段長(zhǎng) 33.98m,上部為河床式廠房,底部為基巖,填塘混凝土位于廠房混凝土和基巖之間,將上部廠房和底部基巖結(jié)合起來。填塘混凝土的頂部高程分別為 586.50m和 580.55m,底部與基巖連接面高程為 561.10m。

表1為 C15填塘碾壓混凝土的配合比。表2為碾壓混凝土水泥各齡期的水化熱值。碾壓混凝土水泥采用低熱水泥,根據(jù)混凝土配合比和水泥各齡期水化熱值,并參考文獻(xiàn)[1],擬合出混凝土的絕熱溫升公式如下:

參照巖灘碾壓混凝土壩工程經(jīng)驗(yàn)[1],C15碾壓混凝土的彈性模量采用如下雙曲線式:

表1 填塘碾壓混凝土配合比 kg

表2 水泥各齡期水化熱值 kJ/kg

混凝土和基巖的物理力學(xué)參數(shù)見表3。根據(jù)以上參數(shù),考慮跳倉(cāng)澆筑施工過程,分三種工況計(jì)算,從自然澆筑開始,逐步加強(qiáng)溫控措施,以使碾壓混凝土的溫度和應(yīng)力最終滿足溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求。

冷卻水管采用非金屬水管,求解其冷卻效果時(shí),采用等效負(fù)熱源法[2]?？紤]水管冷卻效果的混凝土等效熱傳導(dǎo)方程為:

式中 T0——混凝土澆筑溫度;

Tw——冷卻水進(jìn)水口溫度;

φ—— 無熱源水管冷卻系數(shù);

ψ——有熱源水管冷卻系數(shù)。

表3 材料的物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算模型

基巖范圍向上、下游方向各延伸 90m,向下延伸70m。網(wǎng)格剖分采用空間六面體八節(jié)點(diǎn)單元,共8784個(gè)單元,10512個(gè)節(jié)點(diǎn)(如圖 1所示)。

x方向?yàn)樽笥野斗较?y方向?yàn)樯舷掠畏较?z方向?yàn)楦叱谭较颉Ｔ撃Ｐ陀?6個(gè)面,即 6個(gè)邊界。垂直于 x方向的左右面和垂直于 y方向的上下游面基本無熱量的傳遞,設(shè)為絕熱邊界。熱量沿 z方向傳遞效果顯著。

圖1 填塘混凝土網(wǎng)格剖分

頂面和底面為第一類邊界:頂面與大氣接觸,溫度為氣溫;底面溫度恒定,為地溫。

計(jì)算碾壓混凝土在三種工況下的溫度和應(yīng)力,選出最優(yōu)工況。三種工況分別為:自然澆筑;僅控制澆筑溫度,澆筑溫度分別采用 17℃、14℃和 13℃;控制澆筑溫度,同時(shí)通 15℃的冷卻水。

4 溫度計(jì)算分析

填塘碾壓混凝土的最高溫控標(biāo)準(zhǔn)要依據(jù)壩體的穩(wěn)定溫度場(chǎng)和基礎(chǔ)容許溫差來確定。3號(hào)機(jī)壩段整體的穩(wěn)定溫度場(chǎng)如圖 2所示,參考文獻(xiàn)[3]中類似混凝土的相關(guān)參數(shù),并考慮填塘混凝土屬于非結(jié)構(gòu)混凝土,對(duì)其溫控標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)放寬,最終確定填塘混凝土的最高溫控標(biāo)準(zhǔn)為 27.5℃。

4.1 自然澆筑

圖2 3號(hào)機(jī)壩段的穩(wěn)定溫度場(chǎng)

填塘混凝土的澆筑日期為 8月 1日至 11月 8日,計(jì)劃每 11天澆一層,層厚 3m。在自然澆筑情況下,澆筑溫度即為氣溫,各澆筑塊的澆筑溫度即為澆筑期內(nèi)的月平均氣溫。8月、9月和 10月的月平均氣溫都高于18℃,而在此期間澆筑的混凝土塊都位于填塘區(qū)下部,在下層混凝土塊內(nèi)部尚未到達(dá)穩(wěn)定溫度時(shí),上層混凝土產(chǎn)生的一部分水化熱又傳遞到下層,對(duì)下層混凝土的熱量進(jìn)行補(bǔ)充,致使填塘區(qū)下部的混凝土溫度需要更長(zhǎng)時(shí)間才能降到穩(wěn)定溫度。選取填塘區(qū)底部高程為 562.6m、565.6m和 568.6m的中心點(diǎn),自然澆筑條件下各點(diǎn)溫度過程線如圖 3所示。各點(diǎn)溫度在到達(dá)最高溫度以后,又經(jīng)歷了一次回升,然后才開始緩慢下降。各點(diǎn)在任意時(shí)刻溫度均超過最高溫控標(biāo)準(zhǔn) 27.5℃,顯然填塘混凝土在自然澆筑條件下不能滿足溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖3 自然澆筑時(shí)澆筑塊中心點(diǎn)高程溫度過程線

4.2 控制澆筑溫度

通過控制澆筑溫度來降低混凝土的最高溫度是較為常用的方法。分別計(jì)算混凝土在澆筑溫度為17℃、14℃和 13℃的最高溫度。由于填塘混凝土上部沿順河流向尺寸不一致,將填塘混凝土分為上游塊和下游塊,以方便研究(如圖 4所示)。上游塊比下游塊厚,其余邊界條件類似,溫度應(yīng)力水平也相同,故僅選取填塘上游塊中心線上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究。最高溫度包絡(luò)線如圖 5所示。由圖 5可知,通過降低澆筑溫度,混凝土的最高溫度降幅明顯。對(duì)于工程實(shí)踐,澆筑溫度并不能無限制的降低,一般以13℃為下限。所以僅通過控制澆筑溫度也不能達(dá)到溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.3 控制澆筑溫度并通冷卻水

圖4 填塘混凝土分塊示意

圖5 不同澆筑溫度時(shí)填塘上游塊最高溫度包絡(luò)線

在僅控制澆筑溫度不能滿足溫控要求時(shí),往往結(jié)合冷卻水管通水來降低混凝土內(nèi)部的最高溫度。選取如下工況進(jìn)行計(jì)算:澆筑溫度為 16℃,通 15℃的冷卻水,通水時(shí)間為 14d;冷卻水管布置采用1.0m×3.0m,通水流量為 28L/min。

此工況下填塘混凝土的最高溫度包絡(luò)線如圖 6所示。在澆筑溫度為 16℃時(shí),通冷卻水與不通冷卻水相比,溫度降幅達(dá)到 2℃以上,效果很明顯。填塘區(qū)下部小范圍最高溫度超過溫控標(biāo)準(zhǔn)在 0.5℃以內(nèi),因此,填塘混凝土能夠滿足溫控要求。

4.4 表面點(diǎn)和中心點(diǎn)

如圖 7所示,在控制澆筑溫度為 16℃且通 15℃冷卻水時(shí),混凝土最高溫度包絡(luò)線沿高程方向出現(xiàn)振蕩。產(chǎn)生這種振蕩的原因是冷卻水管埋于距各澆筑塊中心點(diǎn)較近的位置,而各表面點(diǎn)距冷卻水管最遠(yuǎn),冷卻水管近中心點(diǎn)的冷卻效果最好,所以最高溫度相對(duì)于表面點(diǎn)為低。如將表面點(diǎn)和中心點(diǎn)區(qū)分開來,各表面點(diǎn)和各中心點(diǎn)沿高程方向的最高溫度都構(gòu)成光滑的曲線?？梢?將表面點(diǎn)和中心點(diǎn)區(qū)分開來,能直觀地表示出溫度變化的趨勢(shì)。

圖6 澆筑溫度 16℃時(shí)填塘上游塊最高溫度包絡(luò)線

表面點(diǎn)和中心點(diǎn)的溫度變化過程不同,決定了同時(shí)刻兩者的溫度變化趨勢(shì)不同。圖 8為澆筑溫度16℃并通15℃冷卻水、填塘混凝土開始澆筑67天后,即 2008年 10月 6日填塘上游塊中心線上的溫度曲線。由圖可以看出,同一時(shí)刻,各中心點(diǎn)和表面點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)截然不同。中心點(diǎn)和表面點(diǎn)溫度兩種截然不同的變化趨勢(shì)說明,在澆筑過程中,每個(gè)澆筑塊的表層和內(nèi)部溫度的變化不協(xié)調(diào),導(dǎo)致溫度梯度變化不均勻。如圖 9、10所示,在僅控制澆筑溫度 16℃條件下,填塘混凝土剛澆筑完畢,即 2008年11月 8日,中心點(diǎn)和表面點(diǎn)的溫度變化趨于一致;而在澆筑溫度為 16℃且通 15℃冷卻水時(shí),在填塘混凝土澆筑完畢時(shí),中心點(diǎn)和表面點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)依然不同,在澆筑結(jié)束后的第 19天,中心點(diǎn)和表面點(diǎn)的溫度變化趨于一致。這說明,混凝土內(nèi)部通冷卻水雖然降低了最高溫度,使混凝土澆筑塊更快地到達(dá)穩(wěn)定溫度,但是增大了溫度場(chǎng)的擾動(dòng),使得混凝土澆筑塊的溫度不能均勻下降至穩(wěn)定溫度,與不通水相比,混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。

圖7 中心點(diǎn)和表面點(diǎn)最高溫度變化趨勢(shì)

5 應(yīng)力計(jì)算分析

圖8 2008年 10月 6日中心點(diǎn)和表面點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)

圖9 澆筑溫度 16℃時(shí)各時(shí)刻中心線上的溫度

圖10 澆筑溫度 16℃、通 15℃冷卻水時(shí)各時(shí)刻中心線上的溫度

根據(jù)DL-5108-1999《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》,基礎(chǔ)均勻溫降條件下的混凝土容許溫度應(yīng)力,用混凝土的極限拉伸值進(jìn)行估算:

式中 [σ]—— 容許溫度應(yīng)力;

εp—— 90天齡期混凝土極限拉伸實(shí)測(cè)值;

Ec—— 90天齡期混凝土彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值;

r0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);

γd3——溫度應(yīng)力控制正常使用極限狀態(tài)短期組合結(jié)構(gòu)系數(shù)。

[3],取填塘 C15碾壓混凝土的 90天齡期極限拉伸值εp=84×10-6,得出混凝土的容許溫度應(yīng)力為 1.36MPa。計(jì)算出填塘上游塊中心線節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力包絡(luò)線如圖 11所示。由圖 11可知,在控制澆筑溫度 16℃且通 15℃冷卻水的條件下,填塘混凝土的應(yīng)力滿足應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。

圖11 填塘上游塊的應(yīng)力包絡(luò)線

在上部高程 580.55m以上,各高程最大應(yīng)力隨高程成線性增長(zhǎng)。如圖 12所示,填塘上游塊高程為583.6m的中心點(diǎn)處,拉應(yīng)力總是出現(xiàn)在溫降過程中,而由于混凝土前期的彈性模量較小,在第一次溫降時(shí),該點(diǎn)的拉應(yīng)力也較小,隨著齡期的增長(zhǎng),混凝土的彈性模量也在增大,在第二次溫降時(shí),拉應(yīng)力達(dá)到最大。

圖12 583.6m高程中心點(diǎn)溫度和應(yīng)力過程線

6 結(jié) 論

(1)僅通過控制碾壓混凝土的澆筑溫度無法滿足混凝土最高溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求,而在控制澆筑溫度的同時(shí),采用通冷卻水的方法完全能夠滿足最高溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求。選擇在澆筑溫度為 16℃的同時(shí)通15℃冷卻水,通水 14d,冷卻水管布置采用 1.0m×3.0m,通水流量 28L/min,既能夠滿足最高溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求,又不至于使混凝土的最高溫度和最高溫控標(biāo)準(zhǔn)相差太遠(yuǎn),有利于節(jié)約成本,簡(jiǎn)化施工工序,是較為合理的施工措施。

(2)通過對(duì)混凝土澆筑塊中心點(diǎn)和表面點(diǎn)的溫升過程研究發(fā)現(xiàn),由于中心點(diǎn)和表面點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)的不同,導(dǎo)致不同溫控條件對(duì)溫度場(chǎng)產(chǎn)生的擾動(dòng)也不同。在澆筑溫度同為 16℃條件下,通 15℃冷卻水對(duì)填塘區(qū)混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)產(chǎn)生的擾動(dòng)比不通水時(shí)大。通冷卻水雖然能使混凝土內(nèi)部溫度更快降到穩(wěn)定溫度,卻使溫度梯度的變化更不均勻,在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。

參考文獻(xiàn):

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