陡坡坝段尖角部位浇筑方式研究

2018-07-04

中国水能及电气化 2018年6期

(浙江九州治水科技股份有限公司,浙江衢州 324003)

1 概述

大坝混凝土浇筑时，由于基础块形状尺寸差异，各坝段基础温度应力各有不同，而陡坡坝段由于处于基础强约束区，在陡坡坝段三角区上端建基面附近会将存在较大的应力集中情况，其温控措施也较为严格。本文选用多坝段联合作用模型，开展尖角部位混凝土浇筑方式研究，得到了不同浇筑层厚、不同间歇期下对陡坡坝段的温度应力的影响，并进行了几种浇筑层厚仓面开裂风险的敏感性分析，为陡坡坝段采取

合适温控措施提供依据，为施工期动态设计提供决策支持。

2 基本原理

2.1 混凝土热传导的微分方程

均匀的、各向同性的固体，在计算域R内任何一点处温度场满足式(1)的微分方程[1]：

(1)

边界条件为

(2)

(3)

(4)

以上式中τ——时间,h；

λ——导热系数,kJ/(m·h·℃)；

ρ——密度,kg/m3；

c——比热,kJ/(kg·℃)；

a——导温系数,m2/h；

θ——绝热温升,℃；

β——第三类边界上的表面放热系数,

kJ/(m2·h·℃)；

Ta——外界环境温度，℃。

2.2 混凝土温度场冷却水管的模拟

当混凝土绝热温升公式[1]为

θ(τ)=θ0(1-e-mτ)

(5)

时，对式(5)微分并代入式(1)，积分得

(6)

当混凝土绝热温升公式为

θ(τ)=θ0τ/(n+τ)

(7)

时，对式(7)微分并代入式(1)，积分得

(8)

上二式中θ0——最终绝热温升,℃;

m、n——常数。

2.3 应力场基本理论和有限元方法

混凝土在复杂应力状态下的应变增量包括弹性应变增量、徐变应变增量、温度应变增量、干缩应变增量和自生体积应变增量，因此有

(9)

由物理方程、几何方程和平衡方程可得任一时段Δti在区域Ri上的有限元支配方程[3]为

(10)

式中 {Δδi}——区域Ri内所有节点三个方向上的位移增量;

时段内由外荷载、徐变、变温、干缩和自生体积变形引起的等效结点力增量。

3 数值分析研究

3.1 计算模型与条件

研究陡坡21号坝段尖角部位混凝土的浇筑方式及受力状况，建立如图1所示的计算模型。计算时为更真实反映陡坡坝段边界实际情况，选用三个坝段作为计算模型，19号、20号坝段为约束边界条件。一般情况下，外界气温边界条件为月平均气温+2℃辐射热。地基底部全约束，地基侧面法向约束。计算网格总单元数173057个，总节点数197477个。

图1 三维有限元仿真计算模型

3.2 计算模型与条件

图2(a)所示为温度边界条件，本文研究陡坡坝段施工期应力，上下游面均取月平均气温作为温度边界条件，层面取月平均气温+2℃辐射热，侧面绝热处理。

图2(b)所示为计算模型约束边界条件，本文以21号坝段为研究对象，19～20号坝段为21号坝段提供支撑作用，地基底部全约束，地基侧面法向约束。

图2 边界条件示意图

3.3 计算工况

计算工况见表1。

各温度控制阶段应严格控制混凝土的降温幅度及降温速率。一期冷却的降温幅度不超过6℃，中期冷却的降温幅度不超过5℃，二期冷却的降温幅度不超过6℃。

表1 计算工况

表2 大坝混凝土各阶段降温控制标准

为使各阶段的降温尽可能均匀平顺，同时降温速率满足要求，各期冷却降温时间不宜低于表2规定值。

图3 分期冷却降温过程示意图

3.4 计算结果分析

a.长周期温度荷载应力的影响。图4为不同高程典型点工况1～工况4的应力过程对比。从中可知，在同等浇筑进度条件下，对于6m尖角部位下部高程的应力，6m层厚浇筑应力最大，上部高程1.5m层厚浇筑应力最大，四种工况的温度应力总体相差不大，最大应力相差0.1～0.2MPa。

b.仓面开裂风险分析。下面分析浇筑薄层长间歇后仓面开裂风险。图5所示为仓面典型点温度过程，图6所示为仓面典型点应力过程，计算中考虑了年气温变化叠加10℃的温度骤降(见图7)。从中可知：ⓐ浇筑仓越薄，长间歇产生的仓面应力越大，开裂风险越大；ⓑ浇筑层为1.5m时，仅长周期温度应力就超出允许拉应力，可能导致混凝土开裂；ⓒ1.5～6m浇筑仓遭遇长间歇，如再叠加10℃温度骤降，不采取表面保温时，均存在开裂风险。