錦屏一級水電站泄洪洞龍落尾段混凝土溫控防裂設計

王祥峰， 孫利敏， 王可峰

(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; 2.四川省清源工程咨詢有限公司， 四川 成都 610072；3.西南交通大學， 四川 成都 610072)

錦屏一級水電站泄洪洞龍落尾段混凝土溫控防裂設計

王祥峰1， 孫利敏2， 王可峰3

(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; 2.四川省清源工程咨詢有限公司， 四川 成都 610072；3.西南交通大學， 四川 成都 610072)

泄洪洞在泄洪時具有高水頭、高流速、泄洪量大等特點[1]，對襯砌混凝土施工質量具有較高要求，因而其溫控防裂問題應得到重視。錦屏一級水電站泄洪洞襯砌混凝土施工中，為加快施工進度，采用底板分段長度27 m拖模施工。針對此種施工工藝，本文通過選擇不同的溫控措施，采用FZFX3D軟件模擬仿真其施工期溫度場及應力場，得出推薦的溫控措施，為后續水電工程泄洪洞襯砌混凝土施工提供參考。

泄洪洞； 襯砌混凝土； 溫控防裂

0 前 言

目前地下洞室混凝土施工中廣泛地運用了臺車、滑膜、拖模、翻模、異形拼模等工藝，有效地解決了平硐、斜井、豎井混凝土施工中存在的場地狹窄、通道有限、體型復雜、進度受限等問題[2]。針對采用拖模施工的泄洪洞抗沖耐磨混凝土，其溫控防裂問題應得到足夠重視。

1 工程背景

錦屏一級水電站位于四川省鹽源縣和木里縣交界處，是雅礱江干流水能資源最富集的中、下游河段五個梯級水電開發中的第一級。錦屏一級水電站以發電為主，兼有防洪、攔沙等作用。樞紐主要建筑物由混凝土雙曲拱壩、壩身4個表孔+5個深孔+2個放空底孔與壩后水墊塘、右岸1條有壓接無壓泄洪洞及右岸中部廠房等組成。水庫正常蓄水位1 880 m，總庫容77.6億m3，調節庫容49.1億m3，為年調節水庫。電站裝機容量3 600 MW。

泄洪洞采用有壓接無壓、洞內“龍落尾”的布置形式，進口為岸塔式結構，塔體尺寸為25.00 m×34.00 m×61.00 m(長×寬×高)，塔基高程1 825.00 m，頂高程1 886.00 m。進水塔沿水流向長34.00 m，后接有壓隧洞；有壓洞由直段和平面彎段組成，總長560.19 m，縱坡0.010 305 3。彎段轉彎半徑150.00 m，彎段后直洞長約100 m，末端為圓變方壓坡連接段，壓坡連接段長度為25.00 m，將14.50 m高的圓形洞漸變至13.00 m×10.50 m(寬×高)，后接弧形工作閘門室；無壓隧洞段始于弧形工作閘門室后，總長796.37 m，由上直坡段、奧奇曲線段、斜坡連接段、反弧曲線段以及下直坡段等組成，無壓洞斷面尺寸為13.00 m×17.00 m(寬×高)，斷面形式為圓拱直墻型。

2 計算原理及條件

2.1 計算方法

2.1.1 溫度場求解方程

混凝土通常分層澆筑，設第i批澆筑混凝土的體積為Ri(i=1,2,…,n) ， 則在Ri中混凝土溫度場的定解方程為[3]：

(1)

式中α——導溫系數；

θ0i——第i批澆筑混凝土的最大絕熱溫升；

Tih——第i批澆筑混凝土的通水時的溫度；

Tiw——第i批澆筑混凝土的通水溫度；

φi——水管冷卻降溫函數；

ψi——等效負熱源函數。

2.1.2 應力場求解方程

溫度場求出后再用有限元隱式解法求徐變應力場：

(2)

應力增量Δσ由下式計算：

(3)

式中 {Δδn}——結點位移增量向量；

{ΔPn}——外荷載增量；

2.2 計算參數

2.2.1 熱學參數

本資料根據錦屏一級水電站前期的試驗資料與現場混凝土的配合比推導得出。由于未進行相應混凝土的溫控參數試驗研究，因此本參數僅供參考(見表1)。

絕熱溫升公式采用雙曲線公式，公式形式如下：

(4)

式中θ——溫升值，℃；

θ0——最大絕熱溫升，℃；

τ——時間，d；

n——水化熱上升速率，d。

2.2.2 力學參數與應力標準

混凝土力學參數見表2。

表1 泄洪洞抗沖耐磨混凝土熱力學指標試驗成果

表2 混凝土力學參數

根據壩體混凝土不同齡期的劈拉強度值，對其進行擬合，即可得到混凝土強度隨齡期變化關系。根據《混凝土重力壩設計規范》(DL5108-1999)的規定，本文溫度應力控制標準：混凝土允許水平拉應力按照劈拉強度/1.65 、極限拉伸×彈模/1.65比較后取小值控制；混凝土允許鉛直拉應力按劈拉強度選取。

混凝土徐變度采用以下公式擬合：

C(t,τ)=(0.008 2+58.202 5τ-0.660 8)[1-e-0.672 9(t-τ)]+(0.908 5+49.668 4τ-0.486 8)[1-e-0.017 4(t-τ)]

(5)

2.3 氣溫邊界條件

雅礱江流域地處青藏高原東側邊緣地帶，屬川西高原氣候區，壩址區多年平均氣溫17.2 ℃，多年平均水溫12.3 ℃。三灘氣象站要素統計見表3。

表3 三灘氣象站氣象要素統計

泄洪洞內空氣溫度：根據洞室內實際氣溫監測資料，夏季最高溫度21 ℃，冬季最低溫度18 ℃。年周期變化過程采用《水工建筑物荷載設計規范》(DL 5077-1997)中余弦函數：

Ta=Tam+Aacosω(τ-τ0)

(6)

式中Tam=19.5，Aa=1.5，τ0=196。

2.4 現場澆筑程序

錦屏一級水電站泄洪洞無壓段為圓拱直墻的城門洞型，在不同的部位，其襯砌的厚度不同，開挖的尺寸也不同。根據整個泄洪洞不同的圍巖類別和不同的襯砌厚度，共分為5種典型襯砌段，其中E型斷面，混凝土分區及斷面形式見圖1。E型襯砌的底板為C50泵送抗沖磨混凝土，距頂拱1 m以下的邊墻為C50泵送抗沖磨混凝土，距頂拱1 m以上的邊墻和頂拱為C25泵送混凝土。

考慮泄洪洞襯砌混凝土夏季施工工況，澆筑順序為邊墻—頂拱—底板，泄洪洞沿軸線剖面見圖1，澆筑時間見圖2。洞身邊墻及頂拱澆筑長度9 m，底板采用拖模施工，長度27 m。

圖1 泄洪洞結構布置

圖2 泄洪洞澆筑順序及典型點示意

2.5 計算模型

三維有限元模型(見圖3)節點共20 564個，單元17 460個。泄洪洞內部的混凝土表面受洞內空氣溫度的影響，作為第三類邊界條件處理。當泄洪時，泄洪洞襯砌混凝土表面受水溫影響，與水接觸的混凝土表面按第一類邊界條件處理。圍巖的內表面被混凝土覆蓋前受洞內空氣溫度的影響，作為第三類邊界條件處理。被混凝土覆蓋后，圍巖和混凝土之間進行熱交換。在圍巖外邊界處，溫度邊界取為絕熱邊界，變形條件取為固定。計算工況如下：

工況1：澆筑溫度16 ℃，通水4～7 d，通水流量3～4 m3/h，通水水溫10～11 ℃，最高溫度到達后，進行表面保溫及養護；

工況2：澆筑溫度14 ℃，其他同工況1。

圖3 三維有限元計算模型

3 計算結果

3.1 工況結果對比

由表4可以看出，工況1由于澆筑溫度提升2 ℃，邊墻、頂拱及底板特征點最高溫度升高約1.5～2 ℃；工況1邊墻點及底板點順河向最大拉應力達到3.2 MPa，底板特征點橫河向拉應力達到3.1 MPa，均超出允許拉應力范圍，存在較大的開裂風險。工況2結果顯示，降低澆筑溫度2 ℃，應力水平降低明顯，橫河向及順河向拉應力最大2.3 MPa左右，滿足允許拉應力標準。

表4 各工況襯砌混凝土溫度及應力計算結果統計

3.2 推薦方案溫度應力云圖

為更直觀地展示泄洪洞襯砌混凝土溫度場及應力場，沿洞軸線剖面共選取頂拱1個特征點，邊墻3個特征點，底板1個特征點，特征點示意如圖4所示，溫度及應力包絡云見圖5～8。

圖4 特征點示意

圖5 最高溫度包絡云圖(℃)

圖6 A塊橫河向及順河向應力云圖(MPa)

圖7 B塊橫河向及順河向應力云圖(MPa)

圖8 C塊橫河向及順河向應力云圖(MPa)

通過溫度及應力包絡云圖可以看出，在推薦溫控措施下，混凝土內部最高溫度34～35 ℃左右，出現在混凝土齡期3 d左右，分布在邊墻及底板C9050混凝土區域，頂拱最高溫度28 ℃左右。通過應力包絡云圖可以看出，內部橫河向最大拉應力2.3 MPa，主要集中在底板及邊墻處，順河向拉應力2.3 MPa左右，主要集中在底板處。均滿足允許拉應力要求。頂拱順河向及橫河向拉應力為0.1～0.2 MPa，滿足允許拉應力要求。

推薦溫控措施：澆筑溫度14 ℃，通水4～7 d，通水流量3～4 m3/h，通水水溫10～11 ℃，最高溫度到達后，進行表面保溫及養護。

3.3 工況對比過程線結果

由于混凝土中水泥水化熱作用，混凝土在齡期3～4 d達到最高溫度；之后在一期冷卻及洞內氣溫綜合作用下，混凝土內部溫度緩慢下降。混凝土內部應力發展趨勢為：隨著混凝土溫度升高，內部積蓄壓應力；溫度達到峰值后，隨著溫度降低，壓應力逐漸變為拉應力，直至混凝土溫度趨于穩定。

選取頂拱邊墻及底板典型特征點，繪制特征點溫度及應力歷史曲線，如圖9～11所示。由歷史曲線圖可以看出：工況1內部最高溫度約36.2 ℃，發生在邊墻混凝土，相比工況2，內部溫度升高2 ℃。工況1內部順河向拉應力達到3.2 MPa，發生在邊墻及底板混凝土，橫河向拉應力達到3.1 MPa，發生在底板混凝土，均超出允許拉應力范圍，存在較大開裂風險，工況2推薦溫控措施下，邊墻及底板混凝土拉應力約為2.2～2.3 MPa，應力水平優化明顯。

圖9 特征點2不同工況下溫度及應力過程曲線對比

圖10 特征點3不同工況下溫度及應力過程曲線對比

圖11 特征點5不同工況下溫度及應力過程曲線對比

4 結論及建議

(1)錦屏泄洪洞龍落尾段底板分段長度27 m拖模施工，澆筑溫度16 ℃，計算結果顯示邊墻及底板拉應力均超過允許拉應力標準，開裂風險較大，將澆筑溫度降低為14 ℃，底板拉應力降低明顯，滿足允許拉應力標準。說明通過調整溫控措施，可以對施工工藝進行優化。

(2)對于錦屏泄洪洞襯砌混凝土等高標號薄層混凝土澆筑過程中，應加強澆筑過程控制，控制出機口到倉面溫度回升不超過4 ℃，且控制澆筑溫度在12～14 ℃之間。由于混凝土內部和表面的散熱條件不同，混凝土中心溫度高，表面溫度低,形成溫度梯度,造成溫度變形和溫度應力，當這種溫度應力超過混凝土抗拉強度時，就會產生裂縫。建議加強養護及表面保護措施。

[1] 李眾,羅毅，李然.小灣水電站泄洪洞抗沖耐磨混凝土施工綜述[J]. 水力發電, 2011,37(4):33-35.

[2] 孫曉能.小灣水電工程洞室混凝土施工的一些技術創新[J]. 水力發電,2009,35(9):61-63.

[3] 王祥峰,黃達海，陳彥玉.短歷時暴雨襲擊致早齡期混凝土溫度裂縫研究[J].人民長江,2010,41(17):84-87.

2016- 09- 29

王祥峰(1985-)，男，山東濰坊人，碩士，從事施工技術及混凝土溫控防裂工作。

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