大藤峽船閘混凝土溫控標準和措施研究

王富強

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春 130021）

1 工程概述

大藤峽水利樞紐工程所在地多年平均氣溫21.5℃，極端最高氣溫39.2℃，極端最低氣溫-3.3℃，30℃以上氣溫出現天數為100～150d，且寒潮頻繁。樞紐建筑物主要包括泄水閘、船閘和廠房結構，其中船閘結構按3000t級規模設計，主體段總長385.00m，包括上閘首、下閘首、閘室三部分。上閘首順水流方向長58.80m，最大高度75.25m，門前部分擋水總寬度113.00m，上閘首被2道縱向結構縫分為了3塊，寬度從左至右分別為45.00，28.00，40.00m。

防裂是大體積混凝土結構的主要任務，上閘首結構面臨體型大、結構復雜、氣溫條件惡劣等不利條件，本文針對上閘首結構，通過有限元仿真計算確定關鍵部位的溫控標準，給出相應的溫控防裂措施。

2 基本理論及方法

2.1 溫度場基本方程

由熱傳導理論，大體積混凝土結構非穩定溫度場在某一區域R內應滿足下列微分方程及相應的邊界條件：

第一類邊界條件：混凝土與水接觸，即

第二類邊界條件：混凝土表面熱流量是時間的已知函數，即

第三類邊界條件：混凝土表面熱流量與混凝土表面溫度T和氣溫Ta之差成正比，即

式中：T為溫度值；a為導溫系數；τ為時間；θ為混凝土絕熱溫升；λ為導熱系數；β為表面放熱系數；n為表面的外法線方向。

2.2 應力基本方程

溫度應力的計算方法為增量法，把時間τ劃分成一系列時間段，即△τ1，△τ2，……，△τn，在時段△τn內產生的應變增量為

而與之對應的是節點荷載增量，進行單元集成后可得整體的平衡方程：

式中：[K]為單元剛度矩陣；{△δn}為節點位移增量；{△Pn}為節點荷載增量。

由{△σn}=E{△εn}，可得{△σn}，累加后得到各單元τn時刻的應力：

混凝土溫度應力控制標準按混凝土極限拉伸值控制，即

式中：γ0為結構重要性系數，對應結構安全級別分別為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級的結構與構件，可分別取1.1，1.0，0.9；σ為各種溫差所產生的溫度應力之和；εp為混凝土極限拉伸值的標準值；Ec為彈性模量的標準值；γd3為溫度應力控制正常使用極限狀態短期組合結構系數。

船閘工程為I級建筑物，γ0取1.1，γd3取1.5，γd3·γ0=1.65定義為安全系數，若計算出的安全系數小于1.65，則判定混凝土存在開裂風險。

3 穩定溫度場計算分析

船閘穩定溫度場取決于當地氣候條件和結構形式，為了計算船閘大體積混凝土穩定溫度場，選取上閘首最大部位左邊墩混凝土進行計算，上閘首左邊墩混凝土最大尺寸為58.80m×45.00m×75.25m（長×寬×高）。穩定溫度場的計算考慮庫水溫度、氣溫、地溫變化，上游面和船閘右側與水接觸取正常蓄水位，下游面和船閘左側為絕熱邊界，地面與基巖接觸，其他部位與空氣接觸并考慮太陽輻射影響。

考慮上述計算邊界條件后，對上閘首進行穩定溫度場計算，計算結果如圖1所示。由圖1可知，強約束區穩定溫度為20.10～21.77℃；弱約束區穩定溫度為20.20～22.50℃，非約束區穩定溫度為20.60～23.50℃；船閘中心部位的穩定溫度為21.0～22.0℃。

圖1 溫度場計算結果圖

4 混凝土溫度及應力場計算

4.1 計算參數及工況

該工程上閘首混凝土主要熱力學參數如表1所示，計算工況見表2。

表1 主要熱力學參數

表2 計算工況表

4.2 混凝土最高溫度及最大順河向應力

混凝土最高溫度及最大順河向應力計算結果見表3，從表3中可以看出：在不采取溫控措施條件下，安全系數均小于1.65，不滿足溫控防裂要求；在采取溫控措施后，安全系數均大于1.65，滿足溫控防裂要求。

表3 混凝土最高溫度及最大順河向應力計算結果表

4.3 上游面混凝土最大橫河向應力

考慮到上閘首左邊墩上游面結構寬45.00m，上游面最大橫河向應力會較大，其開裂風險也較大，因此進行了多個方案的比較計算，計算方案和計算結果見表4。

表4 上游面混凝土最大橫河向應力計算方案和計算結果

從計算結果中可以看出，只有采取控制混凝土澆筑溫度，一、二期通水冷卻，臨時保溫等綜合溫控措施后，上游面最大橫河向應力的安全系數才能大于1.65，滿足溫控防裂要求，因此在施工期，應加強上游面的溫控措施，特別表面的臨時保溫和入冬前的通水降溫，同時對具備回填條件的混凝土澆筑完成部位，及時進行石渣或混凝土回填以加強保溫。

5 混凝土溫控標準和溫控措施

綜合穩定溫度場和混凝土溫度應力計算成果，確定船閘混凝土溫控標準和溫控措施。

5.1 溫度控制標準

船閘混凝土基礎溫差強約束區為15.0℃，弱約束區為17.0℃；上下層溫差為15.0℃；內外溫差為15.0℃。船閘混凝土容許最高溫度強約束區為32.0℃，弱約束區為34.0℃，非約束區為36.0℃。

5.2 溫度措施

1）采用制冷工藝，控制混凝土澆筑溫度

高溫季節澆筑的混凝土采用堆場初冷、風冷粗骨料、冷水拌和、加片冰拌和等組合方式控制出機口混凝土的溫度。減少運輸環節，加快混凝土的運輸速度，減少運輸過程中溫度回升。施工過程中，減少澆筑塊覆蓋前的暴露時間，加快混凝土入倉速度和覆蓋速度，澆筑完畢后，立即覆蓋保溫材料進行臨時保溫，減少倉面澆筑過程中混凝土溫度回升。當澆筑倉內氣溫較高、日照強烈或氣候干燥時，進行倉面噴霧，以降低倉面環境溫度。高溫季節，約束區混凝土澆筑溫度按照不超過15℃控制，非約束區按照不超過17℃控制。

2）采取通水冷卻，控制混凝土最高溫度

船閘混凝土內部布設冷卻水管進行通水冷卻，水管間距為1.5m×1.5m。高溫季節采用兩期通水，低溫季節采用一期通水。

3）表面保護

對新澆筑混凝土表面立即進行臨時保溫，保溫材料等效放熱系數不大于70kJ/（m2·d·℃）。

4）回填保溫

對于具備回填條件的混凝土澆筑完成部位，及時進行石渣或混凝土回填以加強保溫。

6 結語

防裂是大體積混凝土施工主要任務，裂縫的出現將會對結構的整體性、耐久性產生不利影響。大藤峽水利樞紐船閘具有體型大、結構復雜、氣候條件惡劣等諸多溫控防裂不利因素，本文采用有限元法對上閘首結構進行了仿真計算，根據計算結果確定了船閘混凝土的溫控標準和濕控措施，從而確保了工程防裂安全。本文研究成果，對類似大體積混凝土的溫控防裂設計具有一定的參考和借鑒作用。