貴州巖溶地區大型水電站壩后廠房溫控防裂研究

余曉敏，馮楚橋,2，熊 杰,2，羅代明,2，管志保,2

(1．貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽 550002；2．貴州省喀斯特地區水資源開發利用工程技術研究中心，貴陽 550002)

0 引 言

貴州地處低緯度、高海拔地區，年溫差、晝夜溫差均不大，年平均氣溫不高，極端最高、最低溫度值不大，這樣的氣候條件對大體積混凝土施工較為有利。此外，貴州地區的混凝土砂石骨料多為灰巖、白云巖，其導熱系數大并且線膨脹系數小[1]，這些對于混凝土防裂也是有利的。

盡管貴州獨特的氣候條件及地質條件對于混凝土的防裂提供了較好的條件，但是，對于大體積混凝土結構，如何防止溫度裂縫的產生依然是設計和施工中必須考慮的關鍵技術問題[2,3]。

對一些大體積混凝土結構(如混凝土壩)在施工過程中往往會采用嚴格的溫控措施，但是其溫度裂縫的問題仍然尤為突出[4-6]。因此，對于這些類型的大體積混凝土結構，通常會對其施工期的溫度及溫度應力進行仿真計算以制定相應溫控措施[7-9]。但是，對于大型的水電站廠房等大體積混凝土結構，相關溫控仿真研究比較少[10-12]。

基于以上原因，本文結合夾巖水利樞紐工程壩后廠房結構澆筑實例，采用三維有限元數值仿真方法，分析了夾巖水電站壩后廠房施工過程中的溫度及溫度應力發展特征，并提出了相應的溫控防裂措施及建議，相關結論可為同類工程的設計施工提供參考和依據。

1 計算原理

1.1 溫度場計算原理

根據熱量平衡原理[13]，固體熱傳導基本方程為：

(1)

初始條件:

T=T0(x,y,z)

(2)

主要的邊界條件:

第一類邊界條件:

T=TS

(3)

第三類邊界件:

(4)

式中：α=λ/cρ為混凝土的導溫系數;λ為混凝土的導熱系數；θ為材料的絕熱溫升;hf為對流換熱系數;Tf為物體周圍的流體溫度;Ts為物體表面的溫度；T為混凝土的溫度。

1.2 溫度應力計算原理

混凝土在復雜應力狀態下的應變增量主要由彈性應變增量、徐變應變增量、溫度應變增量、自生體積應變增量以及干縮應變增量等構成[2]，即：

(5)

(6)

2 計算模型及參數

依據設計圖，將模型合理概化，建立三維有限元模型見圖1(a)，模型全部采用六面體單元。整體計算模型單元數為32 805，其中巖基單元數為5 542。設計混凝土澆筑分區情況見圖1(b)，廠房設有一道結構縫，高程上分為19段，共38個澆筑層，自2018年2月13日起澆筑，至2019年5月2日澆筑完成。除基礎固結灌漿外，其余澆筑層施工間隔時間約為15 d。

圖1 有限元計算模型示意圖Fig.1 Diagram of finite element calculation model

由于現場試驗部分參數未得到，部分材料參數參考其他工程以及《水工建筑物荷載設計規范》(SL 744-2016)[14]進行取值，列于表1。

表1 模型材料參數表Tab.1 Model material parameters table

3 溫度及溫度應力仿真

根據工程區的氣溫水溫條件(具體參數文中不詳述)，以及擬定的混凝土熱學性能參數，可對壩后廠房各混凝土澆筑層早期溫度及溫度應力進行計算。計算中，澆筑溫度根據不同月份取值不同，各月按自然入倉考慮，澆筑溫度取為當月平均氣溫+0～4 ℃；裸露混凝土表面散熱系數取為65 kJ/(m2·h·℃)。

3.1 溫度及溫度應力控制標準

最高溫度控制標準：設計中，根據廠房穩定溫度計算情況，確定不同月份廠房12月至次年2月24 ℃，3、11月為28 ℃，4、10月為33 ℃，5、9月為37 ℃，6-8月為41 ℃。

參考《混凝土重力壩設計規范》(SL319-2018)[15]，溫度應力控制標準(或抗裂安全系數)按下式確定:

(7)

采用彈模與極限拉伸值乘積Ecεp作為控制指標。本工程C25混凝土28 d齡期下Ecεp近似取為2.33 MPa，28 d到90 d齡期以后Ecεp近似取為2.76 MPa，180 d齡期以后Ecp近似取為3.05 MPa。

3.2 廠房溫度及溫度應力計算結果

對各澆筑層混凝土采用基本的灑水養護的方法降溫，仿真計算得到混凝土最高溫度及最大拉應力結果包絡圖見圖2～圖5。

圖2 廠房最高溫度包絡圖Fig.2 Envelope diagram of max temperature of the powerhouse

圖3 廠房第一主應力包絡圖Fig.3 Envelope diagram of fist principle stress of the powerhouse

圖4 1～6澆筑層第一主應力包絡圖Fig.4 Envelope diagram of fist principle stress of pouring layer 1～6

圖5 7～12澆筑層第一主應力包絡圖Fig.5 Envelope diagram of fist principle stress of pouring layer 7～12

從圖3可看出，受地基約束小的非約束區(澆筑層13～38)，溫度應力較小，故可選取強約束區各澆筑層(澆筑層1～12)內部及表面代表點對其溫度、應力歷程進行具體分析。其最高溫度及最大主應力計算結果統計見圖6～圖13，統計結果見表2。

圖6 1～6澆筑層內部代表點溫度歷程曲線Fig.6 Temperature history curve of internal representative point of pouring layer 1～6

圖7 1～6澆筑層內部代表點第一主應力歷程曲線Fig.7 First principle stress history curve of internal representative point of pouring layer 1～6

圖8 1～6澆筑層表面代表點溫度歷程曲線Fig.8 Temperature history curve of external representative point of pouring layer 1～6

圖9 1～6澆筑層表面代表點第一主應力歷程曲線Fig.9 First principle stress history curve of internal representative point of pouring layer 1～6

圖10 7～12澆筑層內部代表點溫度歷程曲線Fig.10 Temperature history curve of internal representative point of pouring layer 7～12

圖11 7～12澆筑層內部代表點第一主應力歷程曲線Fig.11 First principle stress history curve of internal representative point of pouring layer 7～12

圖12 7～12澆筑層表面代表點溫度歷程曲線Fig.12 Temperature history curve of external representative point of pouring layer 7～12

圖13 7～12澆筑層表面代表點第一主應力歷程曲線Fig.13 First principle stress history curve of internal representative point of pouring layer 7～12

表2 廠房混凝土溫度及溫度應力仿真計算成果Tab.2 Temperature and thermal stress simulation results of the powerhouse concrete

從圖6～圖13各澆筑層內部及表面代表點溫度及應力歷程曲線可以看出：

(1)約束區在3-10月澆筑，仿真計算得最高溫度為28～32.7 ℃，基本滿足最高溫度控制標準。考慮應力集中的現象，選取各個區內部及表面代表點進行具體分析。結果表明，除第1、2層表面點及3、10層內部點外，約束區1～18其他澆筑層抗裂安全系數均可滿足要求。

(2)非約束區在11月-次年6月澆筑，內部最高溫度為16.45 ℃，滿足最高溫度控制標準，最大溫度應力為1.5 MPa，相應抗裂安全系數為1.50，滿足混凝土抗裂安全要求。

3.3 討 論

本文對夾巖廠房結構混凝土的溫度和溫度應力進行了仿真模擬，總體而言，由于氣溫不高，廠房結構散熱條件相對較好，因而結構內部溫升并不高，不采用冷卻水管的條件下，最高溫度均可滿足設計要求。然而，在地基約束的作用下，部分澆筑層在局部出現了較大的溫度應力。產生這種現象的原因有三方面：

(1)出現應力較大的部位出現在容易產生應力集中邊界處，除去這些容易產生應力集中的部位，這些澆筑層絕大部分區域的溫度應力可符合抗裂安全要求。

(2)層厚較薄的區域(小于1 m)，在地基或上下層混凝土的約束作用下，也容易產生較大的拉力。實際施工過程中可考慮優化分層方案將這些薄層區域與上下層合并，或設置后澆帶。

(3)通常情況下，混凝土由于強度的齡期特性(早期強度較低)，容易在溫降條件下開裂，因此溫度裂縫多發生于早齡期。但是，結合溫度應力歷程曲線結果，各代表點最大拉應力均出現在混凝土澆筑180 d齡期以后。這與本次計算采用的彈性模量和徐變參數有關(早期彈性模量增長較緩慢，且后期有較大增長；早期徐變度較大而后期徐變度太小)。鑒于此，實際設計中，在材料選擇上建議可選取早期強度增長快、后期強度增長小的水泥的中、低熱水泥。

綜上所述，排除應力集中的影響，按當前澆筑計劃，采取一定溫控措施可滿足大部分區域的防裂要求；對于層厚較薄的局部區域，也可考慮適當優化當前澆筑分區或施工時設置后澆帶。

4 結論與建議

(1)貴州地區由于氣候特點，年氣溫變幅不大，對于散熱條件相對較好的廠房結構，在采用灑水養護并使用灰巖作為混凝土骨料等措施的基礎上，可不采取通水冷卻措施；

(2)對于較復雜的廠房結構，在實際施工過程中，按高程分層澆筑時，應避免出現薄層區域，尤其在地基約束較強的部位；

(3)在材料設計過程中，除需采用中、低熱水泥外，為防止后期溫度應力較大，可采用早期強度增長快、后期強度增長小的中、低熱水泥。