復(fù)雜約束條件下大體積混凝土冷卻降溫過(guò)程優(yōu)化分析

井向陽(yáng)

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072； 2.國(guó)家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心高混凝土壩分中心，四川成都610072)

隨著連續(xù)、快速施工工藝的發(fā)展，以及混凝土摻合料的廣泛使用，大體積混凝土施工過(guò)程中的溫度回升和降溫速率過(guò)快、溫降幅度過(guò)大等問(wèn)題愈發(fā)突出，不利于混凝土的區(qū)間溫度梯度控制[1-2]。

修建在不平整建基面上的混凝土壩，其約束條件復(fù)雜，在遭遇極端氣溫變化時(shí)易出現(xiàn)裂縫。若采用常規(guī)的水管冷卻設(shè)計(jì)思路，即分期(一期、二期)冷卻，雖然可以控制壩體的內(nèi)部溫度，但是其溫度拉應(yīng)力水平卻普遍偏高[3-5]。

本文以我國(guó)西南地區(qū)某混凝土拱壩陡坡壩段為例，對(duì)其水管冷卻過(guò)程做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用數(shù)值分析方法驗(yàn)證其可行性。

1 工程概況

我國(guó)西南地區(qū)某水電站，位于四川省境內(nèi)，擋水建筑物采用常規(guī)混凝土拱壩，最大壩高305 m，大壩設(shè)置25條橫縫，將壩體分為26個(gè)壩段，采用四級(jí)配混凝土(C18040、C18035、C18030)進(jìn)行澆筑，其主要溫控設(shè)計(jì)要求和控制標(biāo)準(zhǔn)為：①考慮壩體厚度較大以及下部已封拱區(qū)域?qū)ι喜繅误w的約束作用，全壩定義為約束區(qū)。②大壩采用溫差控制標(biāo)準(zhǔn)△T≤14 ℃。③大壩混凝土出機(jī)口溫度全部按照7 ℃進(jìn)行控制，澆筑溫度按照5～11 ℃進(jìn)行控制。④大壩混凝土內(nèi)部最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)為T(mén)m≤Td+△T，最終控制標(biāo)準(zhǔn)為26～29 ℃。⑤大壩混凝土接縫灌漿溫度為12～15 ℃。⑥大壩混凝土相鄰塊高差不大于12 m，整個(gè)大壩最高與最低壩塊高差要求控制在30 m以內(nèi)，層間間歇期為5～14 d，兩相鄰壩塊的澆筑間歇時(shí)間不得小于72 h。⑦懸臂高度控制要求。孔口壩段允許最大懸臂高度不大于50 m；非孔口壩段允許最大懸臂高度不大于60 m。⑧大壩混凝土冷卻分為一期、中期和二期3個(gè)階段，各期通水溫度和目標(biāo)溫度等見(jiàn)表1。

表1 大壩混凝土各期通水控制標(biāo)準(zhǔn)

2 水管冷卻優(yōu)化設(shè)計(jì)

以拱壩左岸16號(hào)壩段為例，研究了改進(jìn)的通水冷卻方案，其主體思想是水管冷卻5個(gè)參數(shù)的優(yōu)化[2]，降溫過(guò)程見(jiàn)圖1。在時(shí)間上，將通水冷卻過(guò)程簡(jiǎn)化為通水控溫(A區(qū))和緩慢降溫(B區(qū))兩個(gè)區(qū)。

(1)對(duì)于A區(qū)，通水冷卻的目的主要是控制混凝土的溫度峰值，起到削峰作用。此階段應(yīng)適當(dāng)提高冷卻強(qiáng)度，水溫可采用8～10 ℃的制冷水，流量可加大至2.0～2.5 m3/h，一般持續(xù)7～10 d左右，待混凝土溫度不再上升后，再逐漸減小通水強(qiáng)度。

(2)對(duì)于B區(qū)，采用小溫差、長(zhǎng)期-間歇冷卻、小流量、往復(fù)循環(huán)通水[6]，持續(xù)時(shí)間約110～130 d。整個(gè)B區(qū)的通水過(guò)程，可通過(guò)調(diào)控水溫、流量和水流方向3個(gè)參數(shù)來(lái)保持溫度變化過(guò)程與設(shè)計(jì)曲線的吻合。

圖1 改進(jìn)通水冷卻方案的降溫過(guò)程示意

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 有限元模型

圖2為簡(jiǎn)化的壩體基礎(chǔ)約束區(qū)計(jì)算模型，采用八節(jié)點(diǎn)等參單元構(gòu)造壩體混凝土和地基巖體，采用熱流耦合單元模擬冷卻水管，共計(jì)62 139個(gè)單元、70 824個(gè)節(jié)點(diǎn)。壩基巖體為水平向約束，壩基底面為豎直向約束，壩體左右兩側(cè)取法向約束。

圖2 數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格

3.2 主要材料參數(shù)

壩體混凝土取常態(tài)混凝土C18040四級(jí)配混凝土，其絕熱溫升過(guò)程根據(jù)試驗(yàn)取值為：

Q(τ)=27.1×(1-e-0.186τ0.959)

(1)

式中，τ為混凝土的齡期；Q(τ)為隨齡期的累計(jì)水化熱溫升。

混凝土導(dǎo)溫系數(shù)取0.003 m2/h，導(dǎo)熱系數(shù)取8.41 kJ/(m·℃)，比熱取1.01 kJ/(kg·℃)，線膨脹系數(shù)取8.4×10-6/℃。混凝土力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 大壩混凝土主要力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算方案

(1)工況1。按表1所示的初始設(shè)計(jì)方案執(zhí)行通水冷卻。

(2)工況2。按圖1執(zhí)行改進(jìn)的通水冷卻方案，通水從混凝土澆筑之后開(kāi)始，并一直持續(xù)至接縫灌漿，保證混凝土內(nèi)部溫度緩慢降低至封拱溫度。

3.4 結(jié)果分析

選取壩體1 618 m和1 630 m高程的特征點(diǎn)進(jìn)行分析。圖3為兩種工況的混凝土溫度變化過(guò)程曲線。從圖3可以看出，兩種冷卻方案的初期溫度峰值和最終目標(biāo)溫度基本保持一致，唯一的區(qū)別是中期的溫度變化過(guò)程：工況1所示的分期冷卻方案，有兩個(gè)明顯的降溫階段；而工況2的冷卻方案不存在大幅的降溫過(guò)程，其混凝土溫度的變化過(guò)程較為均勻。

圖3 兩種工況溫度歷時(shí)曲線對(duì)比

圖4 兩種工況應(yīng)力歷時(shí)曲線對(duì)比

圖4為1 618 m和1 630 m高程特征點(diǎn)的應(yīng)力過(guò)程曲線。從圖4可以看出，工況1有兩個(gè)應(yīng)力峰值，分別出現(xiàn)在一冷降溫和二冷降溫時(shí)段；工況2由于其混凝土溫度是緩慢下降的，故只出現(xiàn)了一個(gè)應(yīng)力峰值，且其應(yīng)力峰值明顯比工況1的應(yīng)力峰值小。

綜合來(lái)看，改進(jìn)的通水冷卻方案(工況2)能夠使混凝土內(nèi)部溫度的變化更為均勻，在時(shí)間和空間上的溫度梯度也更小，避免了溫度陡升、驟降現(xiàn)象的頻繁發(fā)生，產(chǎn)生的直接效果就是降低了施工期溫度拉應(yīng)力，這對(duì)壩體混凝土的防裂是極其有利的。

4 結(jié) 論

復(fù)雜約束條件下的混凝土壩，其溫度應(yīng)力水平相對(duì)偏高，存在較大的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。本文以某拱壩為例，對(duì)其原有的水管冷卻過(guò)程做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并基于有限元法進(jìn)行仿真計(jì)算分析得出，采用改進(jìn)的通水冷卻過(guò)程曲線可以降低混凝土的拉應(yīng)力峰值，對(duì)于壩體混凝土防裂是有利的。所得結(jié)論為工程設(shè)計(jì)與施工提供了理論技術(shù)支撐。

[1] 張國(guó)新, 劉有志, 劉毅.“數(shù)字大壩”朝“智能大壩”的轉(zhuǎn)變-高壩溫控防裂研究進(jìn)展[C]∥水庫(kù)大壩建設(shè)與管理中的技術(shù)進(jìn)展——中國(guó)大壩協(xié)會(huì)2012學(xué)術(shù)年會(huì)論文集. 鄭州： 黃河水利出版社, 2012, 87- 97．

[2] 井向陽(yáng), 劉俊, 陳強(qiáng), 等. 高碾壓混凝土重力壩通水冷卻優(yōu)化設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐[J]. 水電能源科學(xué), 2016, 34(6)： 71- 74．

[3] 朱伯芳. 大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M]. 北京： 中國(guó)電力出版社, 1999．

[4] 張國(guó)新, 劉有志, 劉毅, 等. 特高拱壩施工期裂縫成因分析與溫控防裂措施探討[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2010, 29(5): 45- 50．

[5] 井向陽(yáng). 高拱壩施工過(guò)程中的同冷區(qū)控制方法研究[J]. 水電能源科學(xué), 2015, 33(9)： 81- 84．

[6] 朱伯芳. 小溫差早冷卻緩慢冷卻是混凝土壩水管冷卻的新方向[J]. 水利水電技術(shù), 2009, 1(40)： 44- 50．