導(dǎo)流洞邊頂拱拆模時間分析研究

李 萌，楊軍義，楊俊峰

(1.陜西省東莊水利樞紐工程建設(shè)有限責(zé)任公司， 陜西 禮泉 713208；2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司， 河南 鄭州 450003)

目前水工隧洞邊頂拱襯砌施工優(yōu)先選用模板臺車，隨著國內(nèi)水工隧洞的斷面尺寸、過流流量、過流流速和混凝土標(biāo)號的不斷提高，施工工藝也得到了長足發(fā)展[1-2]。為了提升隧洞的施工效率，在保證結(jié)構(gòu)安全性的前提下，研究分析拆模時間顯得尤為重要?！端せ炷潦┕ひ?guī)范》[3](SL 677—2014)規(guī)定，采用模板臺車進行隧洞混凝土襯砌施工，拆除模板臺車時，應(yīng)符合以下要求：直立面混凝土的強度不得小于0.8 MPa；拆模時混凝土能承受自重，并且表面和棱角不被破壞。洞徑不大于10 m的隧洞頂拱強度可按照達(dá)到5.0 MPa控制；洞徑大于10 m的隧洞頂拱混凝土需達(dá)到的強度，應(yīng)進行專門的論證；隧洞混凝土襯砌結(jié)構(gòu)承受圍巖壓力時，應(yīng)經(jīng)計算和試驗確定脫膜時混凝土需要達(dá)到的強度。

目前國內(nèi)高水頭、大流量、大斷面的水工隧洞越來越多，許多學(xué)者專家開展了混凝土拆模時間研究，趙路[4]結(jié)合三板溪水電站研究了拆模時間對混凝土溫度應(yīng)力的影響；段斌等[5]采用英國規(guī)范對深溪溝水電站導(dǎo)流洞混凝土的拆模時間進行了研究；王玉孝等[6]采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法確定了拉西瓦水電站的拆模時間；何文戰(zhàn)等[7]采用三維有限元方法研究了巴基斯坦的卡洛特水電站導(dǎo)流洞邊頂拱襯砌混凝土的拆模時間；相昆山等[8]研究了襯砌拆模時間為24 h、36 h對混凝土強度的影響，為優(yōu)化臺車循環(huán)時間、加快施工進度取得了良好的經(jīng)濟效益。但由于每個水工隧洞襯砌受施工環(huán)境、施工工藝及混凝土材料性質(zhì)等因素差異[9-11]，目前還沒有統(tǒng)一、明確的脫膜時間節(jié)點，特別是對考慮超挖因素的影響下的拆模時間還有待進一步研究，因此十分有必要對超挖的邊頂拱襯砌混凝土的拆模時間進行專門的研究。

1 工程實例概況

東莊水利樞紐工程位于黃河的二級支流涇河大峽谷出口段以上29 km，大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高230 m，水庫總庫容32.76億m3，該工程是黃河水沙調(diào)控體系中重要的水庫，是渭河流域唯一的防洪減淤控制性骨干工程。東莊水利樞紐工程初期導(dǎo)流采用單一隧洞導(dǎo)流，導(dǎo)流洞設(shè)計過流流量5 300 m3/s，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為全年10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。

導(dǎo)流洞進口高程593.00 m，出口高程589.81 m，導(dǎo)流洞全長912.5 m，隧洞底坡3.5‰，襯砌后斷面尺寸17 m×19 m(頂拱120°)。導(dǎo)流洞圍巖為灰?guī)r，以Ⅱ類和Ⅲ類為主，局部存在Ⅳ類圍巖，襯砌厚度主要分為0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.5 m、2.2 m和2.5 m六種。導(dǎo)流洞洞身結(jié)構(gòu)采用城門洞型，施工時先澆筑底板襯砌混凝土，后澆筑邊墻和頂拱；底板采用新型微砂模板，邊頂拱采用鋼模臺車澆筑。洞身襯砌混凝土軸向分縫長度12 m，底板采用C9040W6F100，邊墻和頂拱采用C30W6F100，澆筑方式采用混凝土罐車運輸，泵送入倉。本文在之前專家學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，采用三維有限元方法，考慮超挖因素的影響下，研究分析東莊導(dǎo)流洞邊墻頂拱混凝土的拆模時間。

2 導(dǎo)流洞襯砌的有限元計算

通過建立不同襯砌厚度的三維有限元模型，進行有限元計算，確定出鋼模臺車拆模時，邊頂拱混凝土襯砌的位移和應(yīng)力，結(jié)合材料試驗的成果，確定拆模時間。

2.1 有限元計算模型

導(dǎo)流洞洞身襯砌混凝土軸向分縫長度12 m，所以將一個12 m的混凝土襯砌段作為整體模型進行有限元分析，圖1、圖2為襯砌厚度為0.6 m的混凝土襯砌三維有限元模型。模型以水平面內(nèi)垂直于洞軸線方向為X軸方向，以鉛直方向為Y軸，以順?biāo)鞣较驗閆軸方向，X軸方向以向左為正，Y軸方向以鉛直向上為正，Z軸方向以順?biāo)鞣较驗檎?。模型全部單元均采用Solid 185單元， 共剖分單元8 700個，其中底板部位3 240個單元，邊墻和頂拱部位5 460個單元。

圖1 混凝土襯砌三維有限元模型

圖2 混凝土襯砌三維有限元模型(考慮頂部超挖)

2.2 計算荷載

由于導(dǎo)流洞圍巖地質(zhì)條件良好，根據(jù)監(jiān)測資料，混凝土襯砌澆筑時，圍巖變形早已經(jīng)收斂，因此不用考慮作用在襯砌上的圍巖壓力?；炷翝仓r，從兩側(cè)邊墻向上部依次分層澆筑邊墻混凝土和頂拱混凝土，此時混凝土的自重由鋼模臺車承擔(dān)。鋼模臺車拆模后，襯砌自重由襯砌結(jié)構(gòu)獨立承擔(dān)，由于頂拱混凝土澆筑最晚，所以鋼模臺車拆模時，頂拱部位的混凝土齡期也最短，其強度也最低，承載能力也最弱。綜合考慮，鋼模臺車拆模后的襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，考慮頂拱范圍內(nèi)的超挖1 m～2 m(本次計算取2 m)，襯砌結(jié)構(gòu)獨立承受自重，錨桿和頂部鋼筋的聯(lián)合作用作為安全儲備，在計算中不再考慮。

2.3 材料參數(shù)

根據(jù)《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》[12]中推薦，混凝土的彈性模量采用公式(1)擬合：

E(τ)=E0(1-e-aτb)

(1)

式中：E0為混凝土最終的彈性模量；τ為混凝土齡期；a/b為常數(shù)。

混凝土的抗壓強度和抗拉強度采用公式(2)擬合：

Rc(τ)=Rc28[1+mln(τ/28)]

(2)

式中：Rc28為28 d齡期混凝土的抗壓強度和抗拉強度；τ為混凝土齡期；m為常數(shù)。

混凝土的施工配合比見表1。

表1 混凝土施工配合比

根據(jù)材料試驗結(jié)果，整理試驗數(shù)據(jù)之后進行參數(shù)擬合，本次有限元計算過程中襯砌混凝土的材料參數(shù)見表2。

表2 東莊導(dǎo)流洞邊墻和頂拱混凝土材料參數(shù)

備注：混凝度材料參數(shù)是由實驗室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下獲得，即溫度20℃±2℃，相對濕度95%，表中部分參數(shù)由試驗參數(shù)擬合后推導(dǎo)而來。

2.4 計算結(jié)果

在導(dǎo)流洞邊頂拱襯砌混凝土澆筑48 h的情況下，邊墻和頂拱部位的鉛直方向的位移UY，第一主應(yīng)力S1和第三主應(yīng)力S3的位移云圖見圖3—圖5。不同拆模齡期下，應(yīng)力和位移的計算結(jié)果見表3，從計算結(jié)果可知：

(1) 在襯砌結(jié)構(gòu)的自重作用下，整體呈現(xiàn)出鉛直向下的變形，頂拱部位變形最大，鉛直位移達(dá)2.14 mm,從拱頂?shù)竭厜Φ撞裤U直位移逐漸減小。

圖3 鉛直方向位移UY(單位：m)

圖4 第一主應(yīng)力S1(單位：Pa)

圖5 第三主應(yīng)力S3(單位：Pa)

(2) 第一主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，有些部位第一主應(yīng)力為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力的位置發(fā)生在頂拱超挖范圍的垂直正下方的襯砌外側(cè)，最大拉應(yīng)力為0.39 MPa，在邊墻和頂拱交接的部位拉應(yīng)力也相對較大。

(3) 第三主應(yīng)力全部為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力最大位置發(fā)生在頂拱超挖部分與頂拱交接部位的內(nèi)側(cè)，最大壓應(yīng)力值為1.99 MPa。

(4) 隨著拆模齡期的增加，襯砌混凝土的彈性模型的增長，襯砌的位移會隨之減小，但是應(yīng)力的變化不大。

表3 不同齡期拆模頂拱襯砌結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力

3 邊頂拱拆模時間的分析

根據(jù)計算結(jié)果可知齡期24 h～72 h混凝土拆模的位移變化都很小，能滿足安全性要求，因而下面只討論應(yīng)力的計算結(jié)果。參照英國的規(guī)定[5],當(dāng)混凝土強度達(dá)到足以抵抗結(jié)構(gòu)拆模時的應(yīng)力的兩倍以上時，模板可以拆除，本次計算安全系數(shù)K=2.0。根據(jù)有限元計算結(jié)果可知，模板拆除時，在頂拱部位產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為0.39 MPa,按照兩倍的安全系數(shù)計算，頂拱襯砌混凝土的抗拉強度應(yīng)該大于0.78 MPa；模板拆除時，頂拱部位最大壓應(yīng)力1.99 MPa，按照兩倍的安全系數(shù)計算，頂拱襯砌混凝土的抗壓強度應(yīng)該大于3.98 MPa。對比表2中導(dǎo)流洞邊墻和頂拱混凝土24 h～72 h的材料參數(shù)可知，混凝土的抗壓強度都能滿足要求，混凝土的抗拉強度控制拆模時間，60 h～72 h齡期的混凝土的抗拉強度和抗壓強度都能滿足要求。

在計算過程中，沒有考慮混凝土的溫度應(yīng)力、干縮變形、自身體積變形和頂部錨桿對襯砌的錨拉作用，因而在上述有限元計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該預(yù)留一定的安全裕度[13-14]。對比國內(nèi)類似工程(見表4)，烏東德水電站導(dǎo)流洞頂拱拆模時間最長達(dá)3 d，小灣水電站導(dǎo)流洞頂拱拆模時間最短僅1 d。但由于這些工程的混凝土材料性質(zhì)、施工環(huán)境、施工工藝、襯砌厚度[15-16]等一系列因素都與東莊水利樞紐導(dǎo)流洞存在差異，雖然對該導(dǎo)流洞頂拱拆模時間具有參照意義，但不能直接借鑒，因此推薦該導(dǎo)流洞邊頂拱混凝土的拆模時間取為60 h～72 h。

表4 國內(nèi)類似工程的隧洞邊墻和頂拱拆模時間

4 結(jié) 語

東莊水利樞紐工程邊頂拱混凝土澆筑在現(xiàn)已施工完成40%，混凝土襯砌拆模時間按照60 h～72 h控制，模板拆除后對襯砌結(jié)構(gòu)的變形情況進行監(jiān)測，結(jié)果表明：考慮超挖影響的混凝土襯砌齡期為60 h～72 h時拆模，襯砌混凝土變形和應(yīng)力變化范圍很小，拆模時間是合理可行的，施工進度高效可控。該研究對工程施工拆模時間控制具有指導(dǎo)意義。