基于溫控防裂的西藏高寒地區摻石灰石粉混凝土應用研究

劉 俊，李紅葉，黃 瑋，陳 強

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司, 四川 成都 610072; 2.成都市水務局, 四川 成都 610042)

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基于溫控防裂的西藏高寒地區摻石灰石粉混凝土應用研究

劉 俊1，李紅葉2，黃 瑋1，陳 強1

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司, 四川 成都 610072; 2.成都市水務局, 四川 成都 610042)

基于客觀條件等因素,西藏高寒地區大壩混凝土的摻和料粉煤灰需從內地長距離運輸獲得,這樣既增加了工程造價,同時也加大了對工程進度的制約。結合藏木水電站工程實際, 采用三維動態仿真對比分析摻石灰石粉混凝土和摻粉煤灰混凝土的溫度場與徐變應力場，研究證明西藏高寒地區摻石灰石粉混凝土應用的可行性。

摻和料；石灰石粉；溫控防裂

0 引 言

粉煤灰用作混凝土摻和料，因其在降低混凝土內部水化熱、減少混凝土溫差裂縫、改善混凝土的耐久性等方面的積極作用，被廣泛運用于混凝土工程。近年來，高摻粉煤灰(碾壓混凝土粉煤灰摻料達50%～60%)作為一種發展趨勢逐漸為工程界所接受[1]。但隨著我國工程建設規模不斷擴大，粉煤灰供應市場日趨緊張，供應保證率也在逐漸降低，供應價格也逐漸提高。探索可替代粉煤灰的材料，在規避粉煤灰供應緊張及保證率低的情況、確保工程建設順利進行、降低工程費用等方面，均具有十分積極的意義。

藏木水電站混凝土總量約為300萬m3，需要摻合料約20萬t。而工程所處地區無火電廠，沒有粉煤灰供應，需借助青藏鐵路從甘肅長距離運輸、轉運，成本較高，且受地域、氣候及運輸條件限制而在混凝土澆筑高峰期得不到保障，進而影響工程工期。為此，摻合料供應、運輸將成為制約藏木水電站建設的一個重要環節。

西藏地區石灰石資源豐富，易于加工，且加工、運輸成本相對較低，也能保障工程建設需要。但關于摻石灰石粉混凝土的溫控防裂技術卻并沒有太多的類似工程經驗和成熟規范標準，且雅魯藏布江流域的廣大中上游地區屬高原溫帶或寒溫帶氣候, 氣候特征是冬寒夏涼, 年溫差小而日溫差大, 日照豐富而多大風[2]。 諸多因素使得摻石灰石粉混凝土結構工程的溫控防裂研究顯得尤為重要。

結合藏木水電站工程實際, 采用混凝土溫度場和徐變應力場線彈性有限單元法的數值仿真計算方法[3], 實時動態仿真對比分析研究摻石粉混凝土和摻粉煤灰混凝土的溫度場與徐變應力場，研究摻石灰石粉混凝土施工期的溫控防裂措施及應用方案。

1 工程資料

藏木水電站大壩為混凝土重力壩,整個壩體分為19個壩段，壩體在澆筑期間設1條縱縫，最大壩高116 m，最大底寬95.1 m，大壩混凝土以常態混凝土為主。工程所在地區屬高原溫帶、寒溫帶氣候，壩區多年平均氣溫9.2℃，地基表面溫度為9.2℃，極端最高、最低氣溫分別為32.0℃、-16.6℃，最高氣溫多發生在6、7月，具有氣候寒冷、氣溫年變幅、日變幅均較大、氣候干燥、太陽輻射熱強、冬季施工期長等特點。工程所在區分月多年平均水溫、氣溫及日較差統計見表1;混凝土的熱學參數見表2；混凝土的力學參數見表3。

表1 各月多年平均水溫、氣溫及日較差統計 (℃)

表2 混凝土熱學參數

表3 混凝土力學參數

注：允許水平拉應力按照極限拉伸×彈模/1.65比較后取小值控制；180d相應值采用復合指數公式擬合。

混凝土徐變度計算公式采用指數函數式。根據資料，擬合混凝土徐變公式：

C(t,τ)=(0.066 1+45.082 7τ-0.259 3)

[1-e-0.993 3(t-τ)]+(0.014 8+91.54τ-0.394 7)

×[1-e-0.687 7(t-τ)]

(9)

不同摻合料混凝土干縮變形見表4。180d齡期時摻30%石粉混凝土比摻30%粉煤灰混凝土干縮率大12%，不利于減少大壩混凝土收縮裂縫。

不同摻合料混凝土自生體積變形試驗成果見表

表4 混凝土干縮變形

5。摻石灰石粉混凝土收縮變形值大于摻粉煤灰混凝土，在大壩混凝土中摻石粉對降低混凝土收縮裂縫較為不利。

表5 混凝土自生體積變形值 ×10-6

2 計算原理

2.1 溫度場計算原理

根據熱量平衡原理，可導出固體熱傳導基本方程[3]：

(1)

式中 ax、ay、az——導溫系數;

λx、λy、λz——導熱系數;

c——材料比熱;

ρ——材料容重;

τ——時間;

T——溫度。

根據變分原理,可導出滿足熱傳導基本方程和邊界條件的有限元支配方程[3]

[H]{T}+{F}=0

(2)

2.2 溫度應力計算基本原理

混凝土的應變由5部分組成，即：單元應變、徐變應變、變溫應變、自生體積應變和干縮應變。其計算式為：

ε(t)=εe(t)+εC(t)+εT(t)+ε0(t)+εS(t)

(3)

在Δτ內應變增量：

(4)

整理后得一個計算時段Δτ內應力增量為：

(5)

各時段應力計算平衡方程為：

[K]{Δδ}={ΔPn}L+{ΔPn}C+

{ΔPn}T+{ΔPn}0+{ΔPn}S

(6)

式中 [K]——剛度矩陣；

{ΔPn}L——外荷載引起的節點荷載增量；

{ΔPn}C——徐變引起的節點荷載增量；

{ΔPn}T——變溫引起的節點荷載增量；

{ΔPn}0——混凝土自生體積變形引起的節點荷載增量；

{ΔPn}S——混凝土干縮引起的節點荷載增量。

單元應力等于各時段應力增量之和，即：

{σn}={Δσ1}+{Δσ2}+{Δσ3}+

…+{Δσn}=∑{Δσn}

(7)

各時段的應力增量為：

(8)

3 數值仿真分析

結合藏木水電站工程特點實際和其他相關工程經驗[4-5]，選取溢流8號壩段作為計算模型，并擬定相應計算工況。

2012年1月1日開始大壩澆筑，強基礎約束區按實際澆筑層厚設置1.5m一個澆筑層，共6個澆筑層，層間間歇期10d；其它區域按照3m一層澆筑模擬，層間間歇期15d。

5～9月強基礎約束區澆筑溫度為14℃、弱基礎約束區為16℃、自由區為16℃，11～3月上旬為6℃，3月中下旬、4、10月份按比氣溫高2℃澆筑；初期通水：5～9月通12℃的冷卻水，3月中下旬、4、10月份通天然河水，流量均為1.5m3/h，通水28d；其他月份不進行初期冷卻；二期冷卻按照接縫灌漿要求提前40～60d進行通水冷卻，通水流量為1.0m3/h，通水溫度為6℃；約束區水管布置為1.5m×1.5m(水平×豎直)方式，自由區水管布置為1.5m×3.0m(水平×豎直)方式；上下游表面全年保溫。

溢流8號壩段建基面高程為3 210m，寬19.5m，順河向長度86m；溢流面堰頂高程為3 291m。離散中混凝土與基巖采用空間8節點等參實體單元，整個計算域共離散為5 866個節點、4 318個單元，其中回填混凝土5 458個節點、4 024個單元。其溫度場及應力場三維計算網格立體圖如圖1所示。

根據大壩溫度和應力包絡圖，結合澆筑時間和澆筑高程，在壩體內部選取以下特征點，各特征點具體位置見圖2，摻粉煤灰和摻石灰石粉最大溫度包絡圖見圖3、4，最大應力包絡圖見圖5、6，摻粉煤灰混凝土內部特征點溫度、摻石灰石粉混凝土內部特征點溫度分別見圖7、8，應力歷程曲線分別見圖9、10。

圖1 溢流壩段整體有限元網格 圖2 溢流壩段壩體縱剖面特征點布置示意

圖3 摻粉煤灰混凝土最高溫度包絡圖(℃) 圖4 摻石粉混凝土最高溫度包絡圖(℃)

圖5 摻粉煤灰混凝土順河向應力包絡圖(MPa) 圖6 摻石粉混凝土順河向應力包絡圖(MPa)

圖7 摻粉煤灰混凝土內部特征點溫度歷程曲線 圖8 摻石粉混凝土內部特征點溫度歷程曲線

圖9 摻粉煤灰混凝土內部特征點順河向應力歷程曲線 圖10 摻石粉混凝土內部特征點順河向應力歷程曲線

(1)由圖3、4可以看出，最高溫度區域主要出現在夏季澆筑的混凝土部分，摻粉煤灰混凝土和摻石灰石粉混凝土內部最高溫度分別為30.99 ℃、27.06 ℃；由圖5、6可以看出，最大順河向水平拉應力發生在底孔孔口附近和強約束區部位，摻粉煤灰混凝土和摻石灰石粉混凝土內部順河向最大拉應力分別為1.38MPa、1.41MPa。

(2)由圖7、8可以看出：在初期通水30d結束后，摻粉煤灰混凝土內部溫度基本穩定在18～20 ℃，摻石灰石粉混凝土的基本穩定在17～19 ℃；其中特征點2處于強基礎約束區位置，水管布置為1.5m×1.5m(水平×豎直),降溫效果較好，初期冷卻結束后，摻粉煤灰混凝土和摻石灰石粉混凝土的內部溫度最低分別達到14.5 ℃、13 ℃；二期通水通過40～50d的通水結束后均降到8～9 ℃，基本能夠滿足灌漿溫度要求。

由此可見，在溫度場方面摻石灰石粉混凝土與摻粉煤灰混凝土差別不大，由于石灰石粉屬于惰性材料，不參與水化反應，摻石灰石粉混凝土的水化熱比摻粉煤灰的略小，故溫度峰值比摻粉煤灰的低，初期穩定溫度也略低于摻粉煤灰的穩定溫度。

(3)由圖9、10可以看出：初期通水冷卻結束后，混凝土拉應力達到第一次峰值，其中內部特征點2拉應力最大，摻粉煤灰混凝土和摻石灰石粉混凝土的分別約為0.35MPa、0.52MPa，均小于相應28d齡期允許值；二期通水冷卻時由于此時混凝土彈模較大，因此混凝土的拉應力上升較快，二期通水結束時拉應力達到第二次峰值，摻粉煤灰混凝土內部特征點2拉應力最大應力達到0.62 MPa，小于相應180 d齡期允許值，摻石灰石粉混凝土特征點3最大應力達到1.6 MPa，大于相應180 d齡期允許值，特征點1最大應力達到1.2 MPa，略小于相應180 d齡期允許值；究其原因，主要是因為特征點1處于基礎強約束區、特征點3處于孔口附近，約束較強，因此強基礎約束區和孔口約束區建議采用摻粉煤灰混凝土。

由此可見，在溫度應力場方面摻石灰石粉混凝土與摻粉煤灰混凝土差別較大，石灰石粉屬干縮性較強的材料，自生體積收縮變形較大，且早期強度雖然略高于摻粉煤灰混凝土的強度，但其強度隨時間的增幅較小，后期強度略低于摻粉煤灰混凝土。但在基礎弱約束區和自由區內，摻石灰石粉混凝土基本上能夠滿足大壩的強度要求，在溫控防裂設計中可以作為混凝土摻合料替代粉煤灰。

綜上所述，結合其他專業分析計算，最后可確定摻石灰石粉混凝土范圍，詳見圖11。在此范圍下，擬定計算工況中的溫控措施能夠取得較好的溫控防裂效果，提高大壩質量安全保證。

4 結 論

(1)通過對摻石灰石粉和摻粉煤灰的混凝土溫控仿真計算分析可知，相同溫控措施情況下，摻石灰石粉混凝土的內部拉應力增大，允許拉應力略小，安全系數相對降低。究其原因，主要是因為摻石灰石粉后的混凝土力學性能降低，抗拉強度減小，且石灰石粉混凝土的干縮和自生體積收縮變形較粉煤灰混凝土略有增大，故內部拉應力增加。

(2)從溫控防裂設計的角度，摻石灰石粉混凝土用于藏木水電站混凝土在技術上是基本可行的，但應根據混凝土的使用范圍、分區指標要求等，合理確定運用范圍。對耐久性和長效性要求較高的大壩部位，不推薦采用摻石灰石粉混凝土；對壩體內部等部位推薦采用摻石灰石粉混凝土。

圖11 摻石灰石粉大壩混凝土區域范圍

(3)采用石灰石粉替代粉煤灰，在藏木水電站大壩中可替代的混凝土工程量約為68萬m3，節約投資763萬元，可實現規避粉煤灰供應緊張、降低工程費用的目的，為工程建設順利進行加強保障。

(4)雅魯藏布江流域后續水電工程以及國內其他大型水電工程多在高山峽谷地區，運輸條件較差，摻石灰石粉替代粉煤灰的相關研究工作為后續水電工程打開了工作思路，市場運用前景廣闊。本工程對摻石粉混凝土用于大壩混凝土的研究應用具有首創意義，其研究成果能夠為雅魯藏布江后續水電站建設提供了一定的借鑒。

[1] 陳改新，姜榮梅. 大摻量粉煤灰碾壓混凝土漿體體系的優化研究 [J]. 水力發電，2007,33(4):65-68.

[2] 任美鍔.中國自然地理綱要3版[M].北京:商務印書館,2004.

[3] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京：中國電力出版社，1999.

[4] 侍克斌,等.高碾壓混凝土壩在嚴寒干旱地區的溫控探討[J].水力發電,2007(1).

[5] 胡平等.拉西瓦水電站混凝土雙曲拱壩溫控防裂研究[J].水力發電,2007(11).

2015-11-30

劉俊(1986-)，男，湖北麻城人，碩士研究生，從事施工組織設計工作。

TV642,TV315

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1003-9805(2016)04-0055-04