浇筑温度对碾压混凝土重力坝温度应力的影响

2018-02-06尉阳阳

智能城市 2018年4期

尉阳阳

中国水利水电第四工程局有限公司，青海西宁 810000

碾压混凝土重力坝在施工时，将质地非常硬的混凝土使用土石坝碾压技术，进行平仓、填筑成坝。由于施工时充分地吸收了土石坝施工技术的优点，因此，该水利坝体在施工时所需的用水量和凝胶材料相对较少，花费的施工成本低，施工人员可以在较短的时间内快速完工。但是在施工阶段由于气候、温度等因素的影响，使得浇筑混凝土的温差较大，导致材料会发生伸直或者收缩表现，进而使得材料结构发生变化，产生温度应力。当混凝土材料中的拉伸值低于该种应力值后，即就会造成水坝混凝土结构变形、裂缝等问题。本文的研究，选取我国西南某地的一处碾压混凝土重力坝作为研究对象，通过有限元软件对混凝土浇筑温度进行仿真计算，使得温度应力和混凝土结构的拉伸值之间处于平衡的状态下，进而实现水坝高质量、高效率的施工建设。该重力坝位于我国的广西省，总高程和坝高需要达到240m和140m，坝体的大部分区域使用碾压混凝土施工，基底层应用常态混凝土来施工，此外，碾压混凝土还应用在水坝的防渗层中。由于碾压混凝土重力坝在施工时的碾压层较多，因此在施工方案中明确规定每层的厚度控制在40cm，经过八、九层的碾压施工后，需要停工一周左右的时间。该项目施工的时间从当年的1月开始，直至当年的12月结束，基底层的施工时间在1月份，后面即可开始坝体的混凝土浇筑施工，直至6月停工，10月继续进行施工直至在工期内完成重力坝的全部施工。

1 碾压混凝土重力坝降温分析

重力坝在施工时，需要借助于碾压设备来对混凝土进行大面积的碾压作业，使用的水泥量较少，以此在水化热反应少的情况下使得温差可以控制在较低的程度，进而保证混凝土的质量。重力坝的温度应力，在项目施工的全过程中在3个阶段中均有存在：首先为早期应力。该种应力开始于浇筑作业的起始阶段。在浇筑作业完工和水泥放热结束后，部分应力遗留在结构内部。处于该时期的应力具有以下的特点：重力坝施工使用的水泥，在水的混合作用下会放出大量的热量，以此产生的温度应力无法及时有效的排出，导致混凝土的强度等性能降低，进而在浇筑材料的表面上留有较多的裂缝[1]。同时，浇筑的物料处于弹性期时，受到外界应力的影响，使得混凝土整体结构发生变形。其次是中期应力。产生于水放热结束后，随着混凝土热量的逐步降低，联合早期应力共同对混凝土结构进行影响，直至混凝土温度完全降低且稳定时，应力会消失[2]。最后则为晚期应力。在气候、水文条件的影响下，使得浇筑温度在稳定状态下的混凝土结构温度应力会发生变化，在早期、中期残余的应力联合作用下，造成重力坝混凝土结构的诸多问题。

2 仿真计算概述

在对碾压混凝土重力坝温度应力的控制中，需要对应力进行仿真计算。具体的步骤包括：首先，构建三维仿真计算模型。本次仿真计算中使用的软件为ANSYS有限元软件，将整体的坝体结构划分为一个个区域较小的单元，在其中输入施工相关参数（施工日期、浇筑温度）进行假定性的应力计算，以此将获得的施工各个结构单元区域中存在的温度应力进行联合计算，获得重力坝整体的温度应力[3]。其次，模拟不同的工况，得出对应的温度应力。最后，分析温度应力受到浇注温度产生的具体影响。

3 仿真计算原理、方法、参数

3.1 仿真计算原理分析

首先，温度场计算原理。计算时依据能量守恒定律，在有限元软件中假设一个包含有大量热量的同性体（划分为均匀的六面体），研究该结构吸收、释放、外界干扰的三者能量之间是否处于平衡状态。计算后的温度场需符合公式的要求。其次，应力场计算原理。根据得出的温度场数据，与碾压后的混凝土结构进行结合，以此在仿真软件中分析划分出的各个单元结构中的弹性应力。计算公式为：。最后，徐变分析原理。重力坝的混凝土材料属于非均质材料，并非是重力坝施工时的最佳弹性材料。非均质材料的性质随着使用坐标的变化，导热性也会相应的发生变化，最终在荷载稳定的状态下材料会发生蠕变。通过徐变计算公式，即可得出蠕变的参数值，进而降低温度应力[4]。

3.2 计算方法

水坝混凝土碾压施工时间多需要在温度较低的春秋冬季节来进行，夏季气候炎热施工时的浇筑温度过高。同时，在施工时每层碾压混凝土施工的时间需要控制在7h左右，每次施工的层数超过9层以后，施工单位需停工一段时间，工期内温度较高时则需长时间停工，以此避开夏季的高温[5]。因此，在模拟计算时，需要沿着坝体高度以网格状划分为区块，结合温度场、应力场、徐变计算公式，来对每层每个网格中的混凝土进行计算，但是计算时的时间步长、运行期步长时间有着较大的差异性，使得浇筑全过程中的温度应力计算工作量非常大。为了减轻计算量，加快应力计算的效率，可以先对碾压完工的混凝土层进行温度应力计算，如果下层的应力值较小时，可以将每个小网格进行联合形成大网格，以此减少计算的阶点，获得精度较高的温度应力，合理的对浇筑温度进行调节。

3.3 计算参数

有限元软件在应力场、温度场等指标的计算中，需要对该项目施工中涉及的各项参数值进行把握，以此通过对参数的计算获得合理的计算结果。首先，重力坝具体施工位置的气温参数。研究中选取的位于广西的重力坝，所处区域气候条件为亚热带气候区，降雨量较多，但是每年干燥天气的保持时间较长，夏季太阳的日照时间长，天气非常炎热，夏季温度多在38℃以上。其次，混凝土材料配比参数。该重力坝施在进行浇筑材料的配比时，选用的材料为硅酸盐水泥和二级配混凝土等材料，这两项材料在配比中分别要占据40%、30%的含量值。然后，水温参数。重力坝施工中不同水位下，水的温度各有不同，随着水深的增加，温度值会不断的下降，同时下游水位较深，温度也高于上游的水温。最后，基岩温度参数。施工区域的岩石层为白云质灰岩，质地非常坚硬，对岩石表面和下部的温度进行监测，可知温度为17℃左右，随着岩石深度的不断增加，温度会相应升高。此外，还需要对混凝土、基岩的实际性能、温度场等参数进行计算，以此在材料性能的基础上，联合影响浇筑温度的参数，共同在软件中对重力坝的施工情况进行全面的分析。

4 计算结果分析

本次按照仿真计算三种原理计算公式，共分为两种工况来分析影响：温差下的浇筑温度、停工期的浇筑温度。重力坝坝体温度的温度场较为稳定时，位于坝基底部和坝体上游区域的混凝土材料处于最低值，远低于上部和下游的温度，导致水坝混凝土结构内部和周边区域之间存在着较大的温差，产生较大的温度压力。并且位于水坝各个区域的温度应力在不同时间，有着不同的数值表现，因此，可以在重力坝中选取节点进行温度应力的仿真计算。在施工工期较为接近的时期内，以及施工中间停工的阶段，水坝的最高温度值随着浇筑温度发生着相应的变化，浇筑温度处于最低值时，最高温度值和温度应力值均为最小值。但是浇筑温度超过18℃之后，水坝本身的温度会发生变化，进而产生较大的温度应力，致使水坝结构出现异常的变化表现。同时，此类工程施工期间停工时间有长短的区别，浇筑温度较高时施工单位可以短暂的停工，以此使得重力坝可以在该阶段进行热量的释放排出处理，减少温度应力的干扰。在温度较高的气候条件下施工，由于每天混凝土施工也会产生较高的热量，两种热量可以共同对重力坝的温度应力造成不良影响，因此，重力坝水利工程尽量要避免在夏季进行施工，夏季炎热天气里可以长时间的停工，待到气温下降后再继续施工。