向家坝水电站左岸坝体分缝温度控制研究

魏道红,周厚贵,杨慧敏(1.河海大学水电学院,南京210098;2.华北水利水电学院监理中心,郑州50011; 3.中国葛洲坝集团公司,湖北宜昌3002;.河南国基建设集团有限公司,郑州50011)

向家坝水电站左岸坝体分缝温度控制研究

魏道红1,2,周厚贵1,3,杨慧敏4
(1.河海大学水电学院,南京210098;2.华北水利水电学院监理中心,郑州450011; 3.中国葛洲坝集团公司,湖北宜昌443002;4.河南国基建设集团有限公司,郑州450011)

混凝土坝由于坝体体积较大,内部水化热不易散发,易造成坝体裂缝。为避免坝体裂缝的发生,通过对坝体施工基本资料进行分析,用三维有限单元法计算坝体稳定温度场。对典型坝段施工全过程采用仿真进行数值分析计算,分析不同分缝方案下坝体内部温度场与温度应力,确定合适的坝体分缝施工方案,可有效减少裂缝的发生。

分缝;温度场;温度应力

向家坝水电站大坝为常态混凝土重力坝,共布置49个坝段,坝顶高程384.00 m,坝顶长度896.26 m,最大坝高162.00 m,分两期实施。一期坝体顺水流最大底宽152 m。按原设计方案,坝体设置一条纵缝。考虑到坝体受基础温差及内外温差的影响大,产生危害性裂缝的风险大,为使坝体结构更有利于温控防裂,确保工程安全和施工质量,业主提出了左岸大坝设置2条纵缝的意见。为了分析不同分缝方案对坝体温度应力的影响,对各种分缝方案坝体施工期混凝土温度及温度应力采用有限单元法计算,选用通用ANSYS程序进行温度及温度应力仿真计算。计算时先按拟定坝体施工进度模拟逐层浇筑上升,仿真计算坝体各时段混凝土温度,然后计算各时段混凝土徐变温度应力。

1 混凝土温度计算原理[1]

温度场的边界条件主要分以下3种情况:

式中:φ,ø为已知函数;h为表面对流系数;T0为环境温度。

将求解区域R划为有限个单元Ωe(e为有限单元个数),引入单元形函数Ni,则单元内任意点的温度T,可由构成单元m个节点温度Ti插值:T=。

根据变分原理,可导出满足热传导基本方程和边界条件的有限元支配方程

2 基本资料

混凝土温控研究所需资料和参数主要包括空气温度,水库水温,混凝土的热学、力学和变形性能指标,施工情况,水管冷却参数等。

2.1 空气温度

一般根据余弦函数曲线模拟气温年周期性变化。

式中:Ta为环境温度;A为多年平均气温;B为气温年变幅。根据当地气象部门统计资料,取A= 18.4℃,B=10℃,C=21℃。

2.2 水库水温

向家坝水库总库容51.63亿m3,按径流库容法判断,α为28(大于20),属混合型水库,按水库宽深比法计算,向家坝水库宽深比为5.8(小于30),属分层型水库。经多方面、多因素分析预测,向家坝水库水温存在稳定的低温水体,水库为分层型。

由于向家坝水库为特大型水电工程,与其条件相似的已建工程很少,更无实测资料,应考虑水库运行、调度、几何形态、泥沙等多方面的影响,因此向家坝水库水温分析温控计算采用数值法进行。

2.3 混凝土的力学、热学和变形性能指标

混凝土试验所用水泥采用重庆江津地维水泥厂生产的强度等级为42.5中热硅酸盐水泥,粉煤灰为黄桷庄火电厂生产的Ⅰ,Ⅱ级粉煤灰,试验用的粗、细骨料均由太平料场加工,根据以往工程的研究成果①三峡工程混凝土温控小组.三峡水利枢纽混凝土工程湿度控制手册,1999.,各级骨料混凝土各项指标见表1。

表1 灰岩骨料混凝土热力学指标Table 1 Limestone aggregate concrete indicators of thermodynamics

2.4 混凝土徐变和基岩力学性能

刘宁、刘光廷等首次尝试将随机有限元法引入大体积混凝土结构随机温度徐变应力计算,给出了相应于初应变隐式解法的随机有限元计算方法[2,3],这些研究成果一定程度上反映了我国混凝土温度应力的研究现状。

参考相关资料,混凝土徐变度公式采用经验公式[4],形式如下,

式中:t为时间(d);τ为加载龄期(d);C(t,τ)为加载龄期为τ,t时刻的徐变度;xi,i=1～8为徐变参数。

基岩的物理力学指标(试验值)[4]见表2。

表2 基础主要物理力学参数值Table 2 The main physical and mechanical parameters

图1 典型坝段稳定温度场(单位:℃)Table 1 Typical dam section stable temperature field

3 坝体稳定温度场

3.1 水库水温分析[4]

(1)考虑上游溪洛渡建成后的相关因素,对向家坝水库的入库水温作相应调整。

(2)水文气象资料细化为逐日资料,模拟入库的最低水温为8.5℃,以期更好地反映水文气象要素在年内的变化规律。

(3)水库初期蓄水过程对库底水温会有一定影响。考虑水库初期蓄水时间为10月初,且不考虑河流泥沙含量影响。

(4)6-9月份入库高温水流量较大,同时中孔下泄流量也较大,中孔相对库底位置较低。因此,对于向家坝水库的具体运行情况,汛期泄洪会导致坝前库底一定范围内的低温水排出;而汛期大量入库的高温水,又将导致部分温度较高的水体逐渐交换至库底,使得库底水温升高。计算过程中对此因素的影响作一定程度的考虑。具体模拟结果为[1]:①水库表面的水温年内在11.0℃～27.0℃的范围内变化,年平均库表温度为19.8℃;②水深在150 m左右,水库底部可形成较为稳定的低温水层,水温年内在14℃～14.6℃的范围内变化,年平均库底温度为14.3℃;③水库水温沿高程的分布规律不仅取决于气温和水深,在很大程度上还取决于水库的运行情况和各月的来水温度、电站引水口及泄水建筑物的位置。考虑到下游库水扰动大且水深较小,相对蓄热能力较差,取下游水面年平均水温为18℃,下游底部年平均水温为15℃。

3.2 稳定温度场

综合考虑水库上、下游水温与气温的影响,结合坝体结构特点,运用三维有限单元法计算坝体稳定温度场,其典型坝段稳定温度场等值线如图1所示。据计算成果得出坝段基础强约束区平均稳定温度17℃,基础弱约束区平均稳定温度17.8℃,非基础约束区平均稳定温度18.5℃。

3.3 水管冷却方式[5]

1.5 m浇筑层厚水管间距1.5 m×1.5 m,2.0 m浇筑层厚水管间距1.5 m×2.0 m。收仓后即开始初期通水,3-11月份浇筑的混凝土浇筑温度14℃,初期通12℃的制冷水20 d。12-2月份浇筑的混凝土浇筑温度12℃,不进行初期通水。中期通河水冷却,后期通水水温12℃,坝体不保温时混凝土表面放热系数15 W/m·℃,混凝土龄期第7天开始保温,保温后,上游坝面等效放热系数2 W/m·℃,下游坝面等效放热系数3 W/m·℃。

4 分缝比较[1,4]

4.1 分1条纵缝

按不同的混凝土浇筑温度及一期冷却(包括不同水温、水管间距)等温控参数,通过对标准坝段分1条纵缝的温控措施进行多方案的对比分析,推荐的温控措施和特征应力值如表3及图2所示。

表3 分1条纵缝时推荐温控措施Table 3 Recommendatory temperature control measure with dividing a longitudinal seam

图2 典型部位温度及温度、应力过程线Fig.2 Typical spot temperature and temperature stress process curves

4.2 分2条纵缝

为便于比较,温控措施同分1条纵缝方案温控措施基本相同,考虑到分2条纵缝后温度控制标准可相应放宽,因此对一期冷却水管水温统一按14℃考虑。其特征应力值如图3所示。

4.3 两方案比较

由于纵缝接缝灌浆的需要,大坝混凝土在二期截流前很短的时间内需强冷至稳定温度,混凝土徐变未及充分发挥,且降温幅度大,导致温度应力值较大。由于各仓最高温度基本相同,虽然上游仓块长稍短,基础约束相对较小,但上游仓冷却温度较低,温差更大,其温度应力较下游仓要大。具体结果如表4所示[4]。

图3 典型高程处点温度、应力过程线对比图Fig.3 Contrast of temperature and stress duration curves at typical elevation places

表4 不同分缝数量下坝体特征温度及特征应力明细表Table 4 The dam characteristic temperatures andthe characteristic stresses under different dividing seam quantity

设1条纵缝的方案第一仓混凝土浇筑基本可以避开高温季节,第二仓混凝土由于开始浇筑时间较晚,不能避开高温季节;设2条纵缝降低了基础强约束区高程,可避开高温季节浇筑基础约束区,有利于温控。

从上述结果分析看,分1条缝与分2条缝方案的混凝土内部最高温度基本相同,各方案温度应力均能满足要求。分2条缝方案的温度应力较1条缝方案降低了3%～7%,这一方面说明分缝对减小拉应力区的范围及降低拉应力的值是有利的,另一方面也可看出降低幅度是有限的。同时分缝后混凝土温控要求及难度降低,对施工有利。

5 结语

综上所述,按照已确定并实施的大坝混凝土总体浇筑方案,充分发挥向家坝水电站大坝温控所具有的混凝土线胀系数低、基岩弹模低、坝址区气候温和等有利条件,通过计算分析,左岸大坝分1条纵缝和分2条纵缝方案均可满足温控要求[6]。从现场施

工和管理的角度出发,分2条纵缝比分1条纵缝有相对多的优势,主要体现在仓面小、仓面施工组织简单、单仓浇筑时间短、温控标准相对较低、基础约束区高度低及温控风险相对较低等方面。建议一期坝体按分2条纵缝方案进行施工。但此时混凝土仓面面积和长宽比依然较大,混凝土温控防裂难度高,参与建筑施工的各单位应高度重视温控防裂问题。

[1]翁永红,范五一,杨学红,等.金沙江向家坝水电站一期工程大坝纵向分缝研究报告[R].武汉:长江水利委员会长江勘测规划设计研究院,2007.

[2]刘宁,刘光廷.混凝土结构的随机温度及徐变应力计算方法研究[J].力学进展,1997,(2):189-202.

[3]刘宁,刘光廷.混凝土结构的随机温度及随机徐变应力[J].力学进展,1998,(2):58-70.

[4]冯树荣,潘江洋,张永涛,等.金沙江向家坝水电站左岸大坝纵向分缝施工专题报告[R].长沙:中国水电顾问集团中南勘测设计研究院,2007.

[5]戴志清,刘颖雄,张开广,等.金沙江向家坝水电站一期工程大坝纵向分缝研究报告[R].宜昌:中国葛洲坝集团公司,2007.

[6]彭冈,王毅,梅雪东,等.向家坝水电站左岸大坝混凝土结构分缝专题会议纪要[R].宜昌:中国长江三峡工程开发总公司,2007.

(编辑:曾小汉)

Dam Partition Temperature Control for Left Bank of Xiangjiaba Hydropower Station

WEI Dao-hong1,2,ZHOU Hou-gui1,3,YANG Hui-min4
(1.Hydroelectric Power Institute,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Supervision Centre North China University of Water Conservancy And Electric Power,Zhengzhou 450011,China; 3.China Gezhouba Group Corporation,Yichang 443002,China; 4.Henan National Basic Construction Corporation,Zhengzhou 450011,China)

Because of the larger concrete volume of Xiangjiaba Hydropower Station,the internal hydration heat is difficult to diverge out,easy to create cracks in the dam.In order to avoid the occurrence of cracks in the dam, and by means of the analysis on basic information,the dam stable temperature field was calculated by 3-D finite element method.The numerical simulation calculation for typical dam sections during the whole construction process was performed,from which the inner temperature field and thermal stresses were analysed under different joint programs.So choosing a suitable joint program for dam construction plan can effectively reduce the occurrence of cracks.

partition;temperature field;thermal stress

TV642.3

A

1001-5485(2009)05-0054-04

2008-07-18;

2008-11-03

魏道红(1968-),男,河南许昌人,讲师,博士研究生,主要从事水利工程管理与研究,(电话)13783608126(电子信箱)wdh371@ tom.com。