谷振東

(陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710011)

1 概述

我國(guó)混凝土壩在高溫時(shí)段混凝土澆筑和低溫季節(jié)防裂技術(shù)等方面取得了巨大成就，在實(shí)踐中積累了寶貴的研究成果，有很多大壩僅出現(xiàn)細(xì)微裂縫，甚至無(wú)裂縫，大壩耐久性和安全性大大提高，也推進(jìn)了混凝土溫控理論、計(jì)算軟件、智能儀器和施工技術(shù)的發(fā)展。采用計(jì)算機(jī)模擬仿真大體積碾壓混凝土的施工過(guò)程，分析溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度和作用歷程，為施工現(xiàn)場(chǎng)做出溫控防裂措施選擇與施工方案決策提供科學(xué)指導(dǎo)。

2 工程概況

引漢濟(jì)渭工程是陜西省規(guī)模最大的全局性、基礎(chǔ)性和戰(zhàn)略性水資源調(diào)配工程，從漢江流域調(diào)水至渭河流域的關(guān)中地區(qū)，以解決關(guān)中地區(qū)水資源短缺，促進(jìn)陜西省內(nèi)水資源優(yōu)化配置，改善渭河流域生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)關(guān)中地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大型跨流域水利工程。其中調(diào)水工程由黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐和秦嶺輸水隧洞3部分組成。黃金峽水利樞紐是引漢濟(jì)渭工程的主水源地，年調(diào)水量10億m3，是引漢濟(jì)渭工程的龍頭樞紐工程。黃金峽水利樞紐由擋水建筑物、泄水建筑物、泵站電站建筑物、通航建筑物及過(guò)魚(yú)建筑物等部分組成，主河槽布置混凝土溢流壩段，其左側(cè)布置泄洪沖砂底孔壩段，左岸聯(lián)合布置泵站、電站壩段及壩后泵站廠房和電站廠房，其余布置混凝土擋水壩段。混凝土溢流壩段位于右岸，結(jié)構(gòu)為碾壓混凝土重力壩，布置有5個(gè)溢流表孔，混凝土量約25萬(wàn)m3。

為防止產(chǎn)生裂縫，采用較高的設(shè)計(jì)溫控標(biāo)準(zhǔn)，各澆筑倉(cāng)塊允許最高溫度見(jiàn)表1。

表1 澆筑塊設(shè)計(jì)允許最高溫度 單位：℃

混凝土溫度應(yīng)力的控制標(biāo)準(zhǔn)采用綜合安全系數(shù)法，根據(jù)表孔壩段的特點(diǎn)，綜合安全系數(shù)采用1.5，經(jīng)計(jì)算，施工期混凝土允許拉應(yīng)力值見(jiàn)表2。

表2 混凝土允許抗拉強(qiáng)度取值 單位：MPa

3 計(jì)算模型

黃金峽水利樞紐表孔壩段中間墩段寬21.0m，兩側(cè)壩段寬30.0m，中墩厚5.0 m，邊墩厚5.5m，壩段建基面高程為392.0m，壩段寬度為102.0m，最大壩高63.0m，堰頂高程為425m，底部順流向長(zhǎng)度為46.05m，下游接消力戽及護(hù)坦。表孔壩段EL414.5m以下是碾壓混凝土溫控重點(diǎn)，共4個(gè)壩段，分8層澆筑。10#、11#壩段通倉(cāng)施工，12#、13#壩段通倉(cāng)施工。計(jì)算模型模擬部分基巖，在上下游方向、深度方向各模擬1倍壩高，模型共劃分68480個(gè)單元，61446個(gè)結(jié)點(diǎn)。模型按整體建模、分部分期計(jì)算，本次研究的重點(diǎn)部位不含基礎(chǔ)、消力戽及護(hù)坦。

環(huán)境溫度根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，部分進(jìn)行合理修正，材料熱學(xué)、力學(xué)性能參數(shù)根據(jù)規(guī)范、試驗(yàn)數(shù)據(jù)成果及相關(guān)文獻(xiàn)確定，絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 C9020W6F100碾壓混凝土

溫度場(chǎng)計(jì)算中，基礎(chǔ)各側(cè)面、底面取絕熱邊界?；炷僚c氣溫接觸的邊界，按第三類邊界條件處理。汛期水面以下部位取為水溫邊界，其它時(shí)間取為氣溫邊界。應(yīng)力計(jì)算中，基礎(chǔ)左右兩側(cè)面、基礎(chǔ)下游面取法向約束，基礎(chǔ)底面取三向約束?；鶐r初溫定為14.6℃?；炷翝仓r(shí)的澆筑溫度作為初始溫度。

根據(jù)施工計(jì)劃，2021年1月，基坑完成開(kāi)挖，開(kāi)始澆筑混凝土，2021年汛前，壩體澆筑至414.5m，完成消力戽及護(hù)坦混凝土澆筑，汛期為過(guò)水通道，汛后繼續(xù)澆筑；2022年汛前，全線上升至446.0m高程，汛期由表孔泄流度汛，汛后壩體繼續(xù)澆筑，2022年7月底，溢流壩段全線澆筑至壩頂高程455m。初定澆筑溫度見(jiàn)表3。

表3 各月混凝土初定澆筑溫度 單位：℃

溫控措施為冷卻水管及保溫。冷卻水管在混凝土內(nèi)按蛇形并垂直水流方向布置，布置間距為2.0m×1.5m(水平間距×垂直間距)，預(yù)埋冷卻水管不跨越收縮縫，埋設(shè)時(shí)距上游壩面2.0～2.5m、距下游壩面2.5～3.0m，水管距接縫面、壩內(nèi)孔洞周邊1.0～1.5m。每2個(gè)壩段的冷卻水管引至下游面，引出的水管排列有序，作好標(biāo)記記錄，并對(duì)管口妥善保護(hù)，防止堵塞。

4 結(jié)果與分析

4.1 壩體混凝土結(jié)構(gòu)溫度分布

針對(duì)施工仿真中溫度作用的影響，設(shè)定邊界及初始條件，澆筑溫度取為擬定澆筑溫度，通水水溫取為12℃，通水流量取為1.0m3/h，未進(jìn)行表面保溫。分工況施加載荷，進(jìn)行壩體混凝土施工期瞬態(tài)溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力仿真計(jì)算分析，全面研究施工期壩體混凝土溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的時(shí)空分布規(guī)律。計(jì)算成果主要采用表格、包絡(luò)圖等值線、過(guò)程線等方式給出。

2021年汛期過(guò)水前，混凝土澆筑高程414.5m，計(jì)算第10天結(jié)構(gòu)對(duì)稱面溫度分布，如圖2所示。墊層部位混凝土溫度在18.2～19.9℃，碾壓混凝土中間部位溫度在25.9℃左右，上部混凝土因?yàn)閯倓倽仓?，最高溫度?8.3℃左右，下游側(cè)混凝土由于絕熱溫升值相對(duì)較高，最高溫度達(dá)到33.5℃。第180天時(shí)對(duì)稱面溫度分布如圖3所示。結(jié)構(gòu)表面溫度較低，內(nèi)部溫度較高，下部溫度在19.2～22.5℃之間，中上部壩體混凝土溫度相對(duì)較高，內(nèi)部最高溫度約為27.5℃。

圖2 第10天壩體對(duì)稱面溫度分布(單位：℃)

圖3 第180天時(shí)對(duì)稱面溫度分布(單位：℃)

混凝土內(nèi)部大部分區(qū)域溫度峰值基本滿足設(shè)計(jì)允許最高溫度。根據(jù)壩體埋設(shè)的溫度計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，表孔10#、11#壩段最高溫度為30.5℃，部位為高程EL409.5m中部，該處冷卻水管出水最高溫度29.5℃；表孔12#、13#壩段最高溫度為29.8℃，部位為高程EL408.0m中部，冷卻水管出水最高溫度27.1℃。實(shí)測(cè)的溫度分布規(guī)律和數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果基本相符。

4.2 溫度歷程

特征點(diǎn)溫度歷程如圖4所示。第一層為墊層混凝土，澆筑溫度為11.2℃，第3天溫度達(dá)到最大值21.3℃，由于通水作用，溫度降至15.2℃，之后由于上層混凝土的澆筑，溫度有所回升，最高值為19.3℃，而后緩慢下降，直至準(zhǔn)穩(wěn)定溫度15.4℃左右。第四層中心高程為401m，溫度變化規(guī)律與第一層混凝土內(nèi)部點(diǎn)一致，澆筑溫度為18℃，最高溫度為26.6℃，降溫過(guò)程較為緩慢，后期準(zhǔn)穩(wěn)定溫度變?yōu)?5.4℃。第八層混凝土中心高程為413m，澆筑溫度為21℃，澆筑4d后達(dá)到最高溫度29.37℃，通水冷卻使其降溫至26.6℃，之后受外界溫度影響，出現(xiàn)升降變化，2021年底，該處溫度約為12.4℃，此后由于上層混凝土的澆筑，溫度明顯回升至20.5℃，后期該處溫度逐漸下降，隨外界溫度變化有小的波動(dòng)。

圖4 特征點(diǎn)溫度歷程(局部)

溫度歷程可得出初期通水效果是混凝土溫控的關(guān)鍵。根據(jù)混凝土施工進(jìn)度安排，4—10月最大月強(qiáng)度約6.5萬(wàn) m3，結(jié)合壩址處氣候條件，初期通水采用制冷水進(jìn)行降溫。測(cè)算初期冷卻所需最大通水強(qiáng)度為78m3/h，配備3臺(tái)移動(dòng)式冷水站，2臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用，單臺(tái)制冷容量為45萬(wàn) kcal，標(biāo)準(zhǔn)工況制冷水能力為約85m3/h，滿足初期制冷水需求。冷卻水管鋪設(shè)好后即開(kāi)始通水 0.2MPa 壓力水進(jìn)行檢查與平壓。初期通水控制混凝土溫度與水溫之差不超過(guò) 25℃，通水水溫為 10～12℃制冷水，通水時(shí)間實(shí)測(cè)確定10～15 d；每 24 h改變1次水流方向，冷卻時(shí)混凝土日降溫幅度不超過(guò) 1℃。中期、二期冷卻主要利用河水進(jìn)行冷卻，必要時(shí)采用制冷水補(bǔ)充。

4.3 混凝土溫度應(yīng)力分布

(1)混凝土剛澆筑完畢時(shí)，對(duì)稱面各向應(yīng)力均較小，順流向應(yīng)力、橫流向應(yīng)力基本在0.5MPa以下。下游側(cè)結(jié)構(gòu)混凝土部位應(yīng)力相對(duì)較大，順流向應(yīng)力、橫流向應(yīng)力最大值分別為0.77、1.24MPa，主要是因?yàn)樵摬课唤^熱溫升值較高，溫度峰值較高，降溫幅度較大所致。

(2)第180天時(shí)順流向較大應(yīng)力出現(xiàn)在414.5m高程，最大應(yīng)力達(dá)到2.60MPa，其它區(qū)域應(yīng)力較小，橫流向較大應(yīng)力主要出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)周邊部位，其中上游面、下游面、頂面附近最大應(yīng)力分別為1.15、1.80、1.48MPa，結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力相對(duì)較小。

(3)最大應(yīng)力分布以整個(gè)表孔溢流堰為計(jì)算模型。順流向應(yīng)力，碾壓混凝土內(nèi)部應(yīng)力較小，最大應(yīng)力約為1.07MPa，高程414.5m區(qū)域應(yīng)力較大，最大值達(dá)到2.72MPa，堰頂部以下部位最大應(yīng)力達(dá)到1.34MPa。橫流向應(yīng)力，碾壓混凝土內(nèi)部應(yīng)力較小，較大值出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)周邊及高程414.5m處。上游面、下游面、堰頂下部最大應(yīng)力分別達(dá)到1.82、2.27、2.27MPa。應(yīng)力超標(biāo)主要由外界年氣溫變化引起，應(yīng)采取一定的溫控防裂措施。

高溫季節(jié)施工是溫控工作的重點(diǎn)，要降低混凝土出機(jī)口溫度，減少運(yùn)輸途中及倉(cāng)面的溫度回升和溫度倒灌，混凝土運(yùn)輸車輛頂部搭設(shè)活動(dòng)遮陽(yáng)蓬，車廂兩側(cè)設(shè)保溫層，增大冷卻通水流量至1.5m3/h，表面采用灑水噴霧降溫等措施，減小壩體混凝土溫升峰值，減小后期應(yīng)力?；炷脸跗趦?nèi)外溫差較大的情況下，及時(shí)進(jìn)行適度表面保溫，減小開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

4.4 特征點(diǎn)應(yīng)力歷程

圖5為對(duì)稱面高程(高程392.8、401.0、413.0、414.5m)特征點(diǎn)順流向、橫流向應(yīng)力歷時(shí)過(guò)程。下部高程特征點(diǎn)整個(gè)歷時(shí)過(guò)程應(yīng)力較小，后期隨氣溫年變化呈波動(dòng)狀態(tài)。順流向應(yīng)力，第一層混凝土中間部位通水結(jié)束時(shí)應(yīng)力達(dá)到0.50MPa。第四層中間部位初期應(yīng)力較小，后期應(yīng)力穩(wěn)定在0.5MPa左右，第八層混凝土表面應(yīng)力較大，最大值達(dá)到3.0MPa，層中間部位應(yīng)力達(dá)到1.83MPa，主要是因?yàn)榇瞬课粸殚L(zhǎng)間歇期，受年氣溫變化影響，表面附近出現(xiàn)較大的應(yīng)力，后期由于上層混凝土的澆筑，應(yīng)力有明顯減小。橫流向應(yīng)力變化規(guī)律與順流向應(yīng)力一致，第八層混凝土表面初期應(yīng)力達(dá)到2.15MPa，后期應(yīng)力較小。

圖5 各高程特征點(diǎn)順流向、橫流向應(yīng)力歷程

根據(jù)施工進(jìn)度安排，在2021年汛期，高程414.5m臨時(shí)過(guò)流面過(guò)水，由于過(guò)流水溫度與氣溫比較接近，甚至略高于氣溫，因此表面附近溫度變化較小，也沒(méi)有在表面附近產(chǎn)生較大的應(yīng)力變化，過(guò)流不會(huì)對(duì)表面附近混凝土應(yīng)力產(chǎn)生較大的影響。2021年汛后因基坑清理，表孔壩段未立即往上澆筑，高程414.5m層面祼露，在年溫變化影響下，混凝土表面產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

5 結(jié)論及建議

(1)各層混凝土一般在澆筑后3～5d達(dá)到最高溫度，通水冷卻作用下，溫度降低，通水冷卻后溫度仍有部分小幅回升，后期隨外界溫度變化有小的波動(dòng)。

(2)碾壓混凝土薄層連續(xù)澆筑，水泥用量少、水化熱小，施工中采取混凝土出機(jī)口溫度、運(yùn)輸保溫、合理分層分塊、澆筑溫度控制、通水冷卻、混凝土外保溫及表面養(yǎng)護(hù)等綜合溫控措施，內(nèi)部順流向、橫流向應(yīng)力均較小。

(3)高程414.5m臨時(shí)過(guò)流面部位受當(dāng)?shù)啬隁鉁刈兓绊戄^大，在低溫季節(jié)混凝土出現(xiàn)最大拉應(yīng)力超標(biāo)，易引起開(kāi)裂。因此，該層面除采取必要的溫控防裂措施，在氣溫驟降期間加強(qiáng)表面保溫，兩側(cè)采用2cm厚聚乙烯泡沫板，表面采用保溫棉被覆蓋，以防止寒潮引發(fā)溫度裂縫。建議調(diào)整施工方案，汛后同步推進(jìn)消力戽及護(hù)坦基坑清理和表孔上部混凝土澆筑，及時(shí)澆筑混凝土覆蓋臨時(shí)過(guò)流面，澆筑時(shí)嚴(yán)格控制上、下層混凝土澆筑溫差，在下層混凝土內(nèi)部溫度測(cè)值的基礎(chǔ)上逐層計(jì)算混凝土內(nèi)部溫度控制目標(biāo)值，避免壩體層間溫度應(yīng)力集中產(chǎn)生水平裂縫。

(4)混凝土溫度是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，各環(huán)境變量對(duì)混凝土溫控有不同程度的敏感性，施工過(guò)程中加強(qiáng)特征部位溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)環(huán)境和溫度變化調(diào)整混凝土的溫控措施。后序針對(duì)不同時(shí)段、不同部位混凝土有針對(duì)性地采用不同溫控組合措施，計(jì)算不同溫控方案溫控效果，以便更清楚地反映各方案的優(yōu)劣，方便做出溫控優(yōu)化與施工比選。