施工期碾壓混凝土大壩溫控防裂分析

黎 明

（廣東南海城建集團有限公司,廣東 佛山 528200）

0 引言

碾壓混凝土通常被用于大規模的混凝土作業,由于工程具體施工方法及設計理論有所不同,碾壓混凝土壩可施工性非常實用,施工過程相對簡單,因此近年來發展迅速,在重力壩及大體積壓力壩工程中使用廣泛[1-2]。碾壓混凝土壩施工過程借助壓實設備且采用類似于填土的方法,由于其水灰比較常規混凝土更低,水泥用量更少,最初人們在建設中認為其溫度梯度很小,可避免溫度梯度引起開裂。由于碾壓混凝土水化過程釋放大量熱量,水化過程慢,另外施工期間外部約束作用極易引起混凝土變形開裂,損害壩體整體性[3]。

溫度效應是影響大體積混凝土結構完整性的重要因素,空氣環境溫度、基礎溫度、日照溫度等,施工期間主要的溫度影響源是水泥水化放熱,此外混凝土施工方案、人工冷卻技術等也是影響混凝土溫度場,造成混凝土內部拉應力產生裂縫的重要原因。大體積混凝土結構溫度控制是限制其拉應力大小的最有效方式之一,利用三維有限單元法,結合傳統混凝土壩施工期間溫度控制方法,研究高原區惡劣氣候下碾壓混凝土壩溫控防裂有效措施。

1 研究背景及計算方法

所研究碾壓混凝土壩工程為高原地區峽谷段水電站,水電站大壩采用碾壓式混凝土重力壩技術建造,壩高120 m,壩底寬100 m,壩體施工期間所用混凝土總方約160 萬m3,工程水庫建設任務是發電,建設水庫庫容達4500 萬m3,水庫正常運用期間水位為3350 m,可供調節徑流的水庫容積為975 萬m3,水庫年平均發電量約27 億kW·h。由于壩體建設位于高原地區,晝夜溫差較大,日照強,施工期間受溫度影響較大,溫控防裂作為大壩建設工程中重要的影響因素,針對壩體建設混凝土配合比,進行基本熱力學性能研究,表1 給出試驗所得參數。

表1 壩體混凝土熱力學性能參數

大壩計算模型混凝土結構單元劃分較密,可以更好地反應溫度場變化影響,計算模型高度單元層厚度結合實際工程影響,反應澆筑層厚度。計算應力過程中,壩體地基作為固定底面,側面采用多連桿架支撐,其余面自由受力；考慮溫度影響及太陽日照輻射,因此在仿真計算過程中壩基底面及側面均設置為絕熱體邊界,其余壩體頂面,上下游則考慮太陽日照輻射熱影響,模擬計算過程中氣溫+3℃。特征點1 位于大壩底部距大壩邊20 m 位置。

為保證大壩工程質量,防止因溫度變化帶來的裂縫影響,需要在施工過程中選取合適的防裂施工方案,由于碾壓混凝土大壩是采用半塑性混凝土拌和物經振動碾壓密實且層面返漿施工工藝,與傳統混凝土大壩施工有所不同,因此防裂方式也有所差別。針對不同施工措施共給出5 個方案（PL1～PL5）進行模擬計算對比,對混凝土澆筑溫度、混凝土冷卻方式、冷卻水管布設等措施進行組合,以期得到最優施工方案。

原始方案（PL0）：強約束區：澆筑層厚度1.5 m,4 月～10 月期間澆筑溫度控制在≤15℃,11 月～2 月期間澆筑溫度控制在≥8℃；冷卻水管布設采用2 m×2 m（水平×豎直）間距,水冷卻溫度時間20 d 左右,冷卻水溫13℃。弱約束區：澆筑層厚度3.5 m,4 月～10 月期間澆筑溫度控制在≤18℃,11 月～2 月期間澆筑溫度控制在≥8℃；冷卻水管布設采用2 m×2.5 m 間距,水冷卻時間25 d 左右,冷卻水溫13℃。非約束區：澆筑層厚度3.5 m,4 月～10 月期間澆筑溫度控制在≤20℃,11 月～2 月期間澆筑溫度控制在≥8℃；冷卻水管布設采用2 m×2.5 m 間距,水冷卻時間30 d 左右,冷卻水溫13℃。壩體表面保溫措施：上、下游分別采用8 cm和5 cm 保溫板。

優化方案1（PL1）：施工中期增加冷卻,冷卻水溫為13℃,時間35 d 左右,使目標溫度達到11℃,另外強約束區水管間距加密為2 m×1.5 m,其他施工措施同原始方案（PL0）。

優化方案2（PL2）：強約束區、弱約束區、非約束區混凝土澆筑溫度分別調整為≤14℃、≤15℃和≤16℃,其他施工措施同優化方案1（PL1）。

優化方案3（PL3）：施工中期冷卻水溫調整為16℃,目標溫度18℃,其他施工措施同優化方案2（PL2）。

優化方案4（PL4）：將強約束區冷卻水管間距改為2 m×2 m,其他施工措施同優化方案2（PL2）。

2 結果討論

2.1 施工中期增加冷卻及水管加密防護

對比初始方案及優化方案1,兩種方案計算結果溫度及應力變化見圖1、圖2。對比初始方案,原始方案及優化方案壩體最高溫度分別為27.14℃和25.87℃,PL1 方案施工期間混凝土壩最高溫度下降了約1.27℃,初始水冷措施下壩體溫度下降緩慢,由于碾壓混凝土壩施工特點,壩體施工期間溫度很難穩定,計算結束后壩體溫度穩定。在施工中期增加冷卻和對冷卻水管做加密處理對碾壓混凝土壩施工影響顯著,優化方案1 下壩體施工前期溫度下降速率更快,且穩定后溫度較初始方案下更小,對后期壩體溫度變化影響效果變小,減少后期施工壩體開裂幾率。

圖1 PL0 和PL1 兩種方案下特征點溫度變化比較

圖2 PL0 和PL1 兩種方案下特征點應力變化比較

隨降溫逐漸穩定壩體應力接逐漸近允許應力,初始方案下壩體應力最終接近2.08 MPa,超過允許應力,安全系數較低,僅1.26,壩體存在開裂風險,施工中期加設冷卻且加密冷卻水管后壩體應力產生一定突變,出現轉折性下降隨后上升,后續應力變化趨勢與初始方案下相似,呈現波浪形波動,隨施工周期及氣候改變呈現有規律的變化,最終應力下降至1.53 MPa,低于允許安全應力,安全系數漲幅達54%,增大至1.94。

2.2 減小混凝土澆筑溫度

優化方案2 措施較方案1 減小了混凝土澆筑溫度,見圖3、圖4。從壩體溫度曲線來看,兩種方案溫度時程線走勢相當,澆筑溫度下降1℃,壩體施工期間整體溫度同樣有所下降,最高溫度由25.79℃降至24.42℃,下降了1.37℃。從圖4 可以看出,兩種方案計算下應力變化也有相同趨勢,澆筑溫度下降同樣使得壩體特征點應力產生轉折,隨后與PL1 方案一樣最終應力值均未超過允許應力,最終應力較PL1 減少約0.07 MPa。因此,可以說明不同混凝土澆筑溫度對高原地區壩體溫度和應力變化有巨大影響,大壩施工期間降低澆筑溫度可以使壩體整體溫度下降,降低最終應力水平,從而提高整體安全系數。

圖3 PL1 和PL2 兩種方案下特征點溫度變化比較

圖4 PL1 和PL2 兩種方案下特征點應力變化比較

2.3 改變施工期間降溫速率

降溫速率主要影響壩體溫度及應力變化速率,由于降溫過快對壩體早期溫度變化影響較大,會導致相應壩體早期應力產生顯著增大,因此控制降溫速率同樣是施工期間防裂的重要影響因素。如圖5 所示,調整施工中期冷卻水溫和目標溫度后壩體整體溫度有一定增大,其最高溫度由24.42℃升至24.63℃,除前期PL3 方案計算下溫度下降速率有所減緩外,整體溫度發展趨勢與PL2 相比無明顯變化。受溫度改變影響,如圖6 所示,壩體施工前期應力變化未發生突變,且前期應力值較方案2 低約0.07 MPa,前期安全系數增加,最終穩定后,PL3 最大應力增加至1.53 MPa,較PL2 相比大0.09 MPa,安全系數相應下降0.16。

圖5 PL2 和PL3 兩種方案下特征點溫度變化比較

圖6 PL2 和PL3 兩種方案下特征點應力變化比較

2.4 增大冷卻水管間距

在優化方案2 的基礎上,改變冷卻水管間距研究其對壩體溫度及應力變化的影響,將冷卻水管間距加寬至2 m×2 m,其溫度應力時程曲線與PL2 變化一致,混凝土溫度及應力有一定程度增大,PL4 溫度計算結果較PL2 增大0.22℃,最終應力增大0.14 MPa,霸體安全系數也相應減少0.22。

圖7 PL2 和PL4 兩種方案下特征點溫度變化比較

圖8 PL2 和PL4 兩種方案下特征點應力變化比較

3 高原區碾壓式混凝土壩溫控防裂措施探討

由于高原區晝夜溫差過大,一方面要防止施工期間混凝土壩受熱過高,同時要防止由于溫度過低帶來的壩體冷縮或筑壩材料性能發揮不完全等影響,壩體由于各區域溫控處理形式不同,可能出現由于溫度分布不均勻造成的應力場相互約束帶來混凝土壩體開裂。因此對混凝土壩體采取不同區域分區溫控,對于基礎強約束區,根據施工時間,設置為冬季澆筑溫度不低于6℃,夏季澆筑溫度不高于14℃,其余時間澆筑溫度以月平均氣溫為標準+3℃～5℃。對于弱約束區和自由區,夏季澆筑溫度分別不高于15℃和16℃。考慮到軟件仿真計算溫控措施模擬方法結果與實際工程不同,分區控制混凝土壩建設期間最高溫度,基礎強約束區最高溫度控制在24℃,弱約束區和自由區最高溫度控制在26℃和28℃以內。

混凝土一期冷卻需保證當日降溫速率不要過高,防止快速降溫導致冷縮開裂,削減壩體峰值溫度隨后進行1 到2 個月控溫,水管冷卻措施可采取施工中期加冷卻方法防止一期冷卻后混凝土溫度回彈過高導致混凝土變形,也提前為后期混凝土溫降預防,保證壩體轉入冬季能迅速適應溫度驟降。水管間距依據強約束區2 m×2 m 間距,其余區域采取2 m×2.5 m 間距。

4 討論

對高原區碾壓式混凝土壩工程建設進行模擬溫控防裂分析,針對混凝土澆筑溫度、混凝土冷卻方式、冷卻水管布設等措施進行組合,得到以下結論：

1）施工中期增加冷卻是防止混凝土受熱溫度回彈、降低冬季氣溫驟降壩體冷縮風險的有效手段,同初始方案相比PL1 最終應力下降至1.53 MPa,安全系數漲幅達54%,顯著提高壩體防裂效果。

2）減小澆筑溫度及減小水冷水管間距都會在一定程度上降低混凝土整體溫度和應力,提高混凝土壩體安全系數,是防止壩體開裂的重要手段。

3）高原地區碾壓混凝土壩需結合當地溫度變化開展溫控防裂措施,對夏季和冬季的極端溫差影響采取適當的混凝土控溫措施,可為類似工程提供更有價值的理論參考。