大壩混凝土溫控防裂措施優化研究

聶軍洲

(金中天水利建設有限公司，廣州 510700)

1 概 述

在水利工程大壩的修建過程中，通常混凝土的抗拉強度遠遠小于抗壓強度，如果混凝土處于溫度變化比較大的環境中，容易導致溫差產生較大的拉應力，產生比較嚴重的拉裂縫，從而給水利工程的建設和運營帶來較大的影響。華龍海[1]基于數值模擬方法，研究大體積混凝土裂縫的產生原因，并進一步給出了相應的溫控措施。李黎[2]研究大體積混凝土溫度裂縫擴展機理，著重分析大體積混凝土裂縫形成和擴展原因，指出目前控制措施的不足，并給出了合理優化措施。徐萬富[3]依托景洪水電站大壩，研究大體積混凝土在高溫下裂縫的成因，給出了對應措施。尹向偉[4]研究了芷江蟒塘溪水利水電樞紐工程大壩MgO混凝土其中一條裂縫的擴展規律，結果表明采用聯合控溫手段對于控制混凝土裂縫最為有效。吳長鋒[5]的研究結果表明，控制混凝土溫度和約束條件可以有效減緩混凝土開裂。袁葳等[6]基于有限元法開展了施工期溫度對混凝土內部的溫度應力仿真，結果表明進水口流道混凝土是最容易開裂的部位，并給出了具體防護建議。翟洪波和汪永劍[7]基于現場觀測，研究了混凝土的配合比對混凝土裂縫的影響，結果表明優化的混凝土配合比的防裂效果較好。周廷清[8]等基于高原地區水電站大壩混凝土裂縫擴展情況，研究了海拔、平均氣溫以及太陽輻射強烈對混凝土開裂性能的影響，并提出優化措施，研究結果對大體積混凝土的抗裂性能具有重要意義。

基于以上研究，本文以某水電為例開展數值模擬，探討溫度控制下混凝土的應力狀態，給出減輕混凝土開裂措施的方法。研究成果對大壩大體積混凝土順利施工和安全運行具有重要意義。

2 工程概況

研究區水電工程位于廣東省，是當地重要的水利樞紐設施，對于解決當地電力供應和減小環境污染具有重要意義。該水電站大壩主要包括攔河壩以及溢洪道。壩體為典型的重力式大壩，混凝土強度等級采用C30澆筑，設計高度為34.4 m，頂寬7.0 m，坡比約1∶0.7。其中，擋水壩高程116.0 m，上下游設計水位分別為147.5和125.6 m。大壩設計庫容為3 664×103m3，裝機容量9 600 kW。基于壩體主要組成為混凝土結構，在澆筑大壩過程中難免會產生水化熱，導致溫度升高，并產生較大的內部應力。

3 數值有限元模型

3.1 模型建立

基于大型通用有限元軟件開展模型構建。該軟件是目前國內外進行有限元數值模擬的主流商業軟件，具有三維設計、擴展建模、流體力學、動力學響應仿真分析的強大功能。通常只需在軟件中建模完成后，在對各材料進行參數賦值即可實現多工況的數值計算，具有很強的適用性。本文模型中，首先考慮大壩澆筑屬于典型的分段澆筑方式，因此模型假設各個壩段彼此獨立。為了進一步減小計算工作量，本文建模僅對典型的1#壩段進行建模計算,最終建立的模型長度為19 m，寬度19 m，壩高2.5 m。建模分為上下兩層，頂層為厚度1.5 m的混凝土，底層為厚1.0 m的混凝土，上下兩層混凝土強度等級均為C3。為了保證計算的準確性，適當對模型進行擴大，擴大方式為向下取10 m。模型的X軸定義為指向右岸，Y軸為水流的方向，Z軸定義向上。

根據目前的研究，本文計算采用經典的鄧肯模型，材料的應力-應變關系假定為線彈性。模型共24 925個網格，26 568個節點。材料屬性以及熱力學參數見表1。

3.2 邊界條件和計算參數

本文數值模擬中，地基的各個側面采用法向位移約束，底面約束3個方向的位移。計算溫度邊界采用混凝土表面溫度升高2℃，混凝土澆筑入倉溫度增加2℃。大壩主體混凝土強度等級為C30，根據前人對不同齡期混凝土的研究，本文給出數值模擬計算中混凝土不同養護齡期的材料參數，見表1。

表1 材料參數與熱學參數

3.3 計算工況

已有相關研究表明，大體積混凝土在澆筑工程中，混凝土內部最高溫度等于入倉溫度與升溫之和。因此可以看出，如果入倉溫度過高可能導致混凝土內部溫度急劇增大，同時會產生溫度應力，增加混凝土開裂風險[9-11]。進一步表明，低溫入倉的方式可有效防治混凝土開裂。但盲目降低混凝土入倉溫度可能會導致上層混凝土的溫度明顯低于下部混凝土，入倉過程中上層混凝土會對下層混凝土產生冷沖擊效應，從而造成混凝土開裂。基于以上研究，本文數值模擬選取不同的外界環境溫度和入倉溫度作為研究溫度，匯總得到的計算工況見表2。

表2 入倉溫度計算工況

此外，考慮到混凝土溫度裂縫主要發生在混凝土表面，且發生的階段主要是在澆筑初期。這些裂縫如果不進一步擴展，通常不會對大壩的質量產生影響。但在外荷載的影響下，裂縫可能進一步擴展延伸形成深層貫通性裂縫，因此需進一步采取措施進行控制。研究表明，溫控成為最為有效的手段。因此本文在采取溫控措施時，考慮不同材料及不同保溫措施進行計算。見表3。

表3 保溫措施計算工況設計

4 計算結果與分析

4.1 入倉溫度計算結果

模擬不同入倉溫度對混凝土內部的第一和第三主應力影響，并提取最大值，見表4和圖1。

圖1 不同工況下溫度和應力最大值

表4 不同工況下溫度和應力最大值

表4表明，對于A1-A4工況，外界溫度均為15℃，而入倉溫度分別為0℃、5℃、10℃和15℃，該工況下對應的第一主應力值分別為0.05、0.08、0.72和1.36 MPa, 對應的第三主應力值分別為-3.13、-2.05、-1.62和-1.21 MPa，第一主應力隨入倉溫度值的增大而增大，而第三主應力隨入倉溫度增大而減小。同理，可以得到其他工況下也存在類似的結果。

綜上分析可知，第一主應力隨混凝土入倉溫度和環境溫差的增大而增加，而第三主應力隨之減小。當溫差小于5℃時，第一主應力隨溫差的增大其增長幅度較小。而溫差大于5℃時，第一主應力增長幅度比較明顯。由于混凝土裂縫主要是主拉應力導致的，因此實際過程中需注意環境溫度的變化對混凝土開裂的影響，盡量將混凝土入倉溫度差和環境溫差控制在5℃以內，以便控制后齡期混凝土溫度升高，而且可以有效控制澆筑過程中上層混凝土對下層混凝土的冷沖擊效應。

4.2 表面保溫措施的計算結果

對不同表面溫控措施的混凝土內部第一主應力和第三主應力進行計算，并提取最大值，見表5和圖2。

表5 不同工況下溫度和應力最大值(保溫措施)

圖2 不同工況下溫度和應力最大值(保溫措施)

計算結果表明，無溫度控制措施的B1工況下，第一主應力和第三主應力的值均為最大值，表明在不采取任何保溫措施時，混凝土有極大可能會開裂。采用不同厚度的竹膠進行溫度控制時，效果明顯好于B1工況，第一主應力和第三主應力分別為1.32、1.0、0.74 MPa和-2.51、-2.46、-2.42 MPa。而采用聚乙烯泡沫保溫措施的效果最為明顯。此外，數值模擬結果表明，混凝土內部所達到的最高溫度隨表面保溫措施的增強而變大。出現這一現象的原因主要是由于保溫措施的施加對混凝土散熱不利所造成的。第三主應力的結果表明，第三主應力的最大值為2.5 MPa，而這一值遠遠小于混凝土極限強度。B1、B2和B3這3種工況下第一主應力的最大值超過混凝土極限抗拉強度，表明混凝土產生了拉裂縫。而B4、B6和B7的第一主應力最大值也接近混凝土極限抗拉強度。

綜合以上分析可知，B5的保溫措施對于控制混凝土的開裂最為有效。因此在實際工程中，采用聚乙烯泡沫進行表面保溫最為有效，且厚度可取2 cm左右。采用該措施可以保證混凝土表面拉應力小于混凝土抗拉強度，同時施工簡單，可有效控制造價。

5 結 論

采用數值模擬分析了大體積混凝土入倉溫度和保溫措施對混凝土內部開裂性能的影響，結論如下：

1)當入倉溫度和環境溫差小于5℃時，混凝土內部的第一主應力的最大值增加幅度比較有限；當溫度差大于5℃，第一主應力的最大值增長速率較大。因此，在實際應用中建議將溫差控制在5℃之內，以減小混凝土開裂的可能性。

2)表面保溫措施計算結果表明，采用2 cm聚乙烯泡沫板作為混凝土表面的保溫措施，可以有效保證混凝土表面拉應力小于混凝土極限抗拉強度，減小混凝土由于溫度作用產生的拉裂縫。