白鹤滩泄洪洞大跨度顶拱衬砌混凝土拆模时间分析

康建荣，刘 凡，陈 敏

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

1 工程特性

金沙江白鹤滩水电站在左岸单侧并行布置3条泄洪洞。本工程泄洪洞枢纽具有如下特点：①洞身长：单条泄洪洞最长2.4km，3条泄洪洞总长6.7km；②泄洪流速高：白鹤滩泄洪洞按全洞无压设计，设计泄洪流速最高近50m/s；③洞身断面大：断面型式为城门洞型，衬砌后过流断面尺寸宽×高为15m×18m，属于大跨度隧洞；④泄洪流量大：单条隧洞泄洪流量达4200m3/s。

2 研究目的

为了减少边界约束，防止高流速泄洪洞衬砌混凝土结构温度裂缝的产生，白鹤滩泄洪洞衬砌混凝土的施工采用了先边墙、再顶拱、后底板的施工顺序，衬砌分段长度按照12m进行控制。对于边墙和顶拱均采用整体自行式钢模台车作为模板，按照设计和规范对于大跨度顶拱要求混凝土强度达到设计强度的70%方可进行模板拆除，且不得少于36h。如果按此标准执行会造成顶拱浇筑月强度极低，施工进度难以保证。水利水电工程模板施工规范DL/T 5110-2013指出：经计算及试验复核，混凝土结构的实际强度已能承受自重及其他实际荷载时，可提前拆模。因此，为了加快泄洪洞顶拱衬砌循环时间，确保施工进度，降低工程施工成本，迫切需要对顶拱拆模待强时间进行分析，以达到保证结构安全的前提下实现提前拆模。

本工程结合现场混凝土试验数据，施工环境因素，施工工艺，通过有限元建模计算，寻求最优拆模时间。

3 拆模时间分析

3.1 分析模型的建立

考虑到泄洪洞顶拱衬砌结构的厚度越小，断面尺寸越大，自重作用下的应力越大，要求的拆模待强时间越长，这里以泄洪洞洞身上平段城门洞形断面1.0m厚度衬砌结构为例。

计算结构段为泄洪洞洞身上平段，城门洞形断面，衬砌厚度1.0m，沿泄洪洞轴线方向每隔12m设置环向施工分缝，衬砌结构的底板和边墙为C9040低热混凝土，顶拱为C9030低热混凝土，其中顶拱中部采用自密实混凝土，顶拱两侧采用一级配或二级配混凝土。泄洪洞应力场计算具有对称的几何形状和对称的载荷，因此，计算对象可按照对称条件截取。规定沿洞轴线往洞外为Z轴正向，衬砌结构统一采用空间八结点等参单元，结构段模型共划分三维块体单元8346个，衬砌中央横断面处混凝土块体单元尺寸不超过0.5m。衬砌横断面及网格模型参见图1。

图1 泄洪洞洞身上平段A型衬砌横断面及有限元网格

3.2 外部荷载分析

拆模时可以认为顶拱结构仅承受混凝土的自重荷载。这是因为：①顶拱衬砌时洞室开挖和初期支护已完成，洞室已经稳定；②由于顶拱浇筑工艺的限制，顶拱混凝土浇筑时上部空间的混凝土不饱满，顶拱中心一定范围内混凝土和顶部围岩并未接触，存在着一定的空隙，往往需要经过回填灌浆才能保证紧密结合，故灌浆前顶部围岩荷载不会传到顶拱结构上；③混凝土浇筑完成后，拆模后的顶拱不存在人员或设备等活荷载；④浇筑混凝土时围岩渗水往往通过预先埋设的排水管排除，不存在内外水压力。⑤顶拱钢筋提前安装并通过与锚杆连接将其自重荷载传递至开挖岩面。

3.3 混凝土抗力分析

影响顶拱衬砌混凝土拆模时间的相关力学参数有：混凝土抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比等。白鹤滩衬砌混凝土不同龄期的混凝土力学参数见表1。

表1 白鹤滩泄洪洞混凝土力学参数统计

在前期施工过程中，对顶拱衬砌范围内采用的不同配合比混凝土也进行了现场同条件养护试块的不同龄期强度试验，试验数据见表2。

表2 同条件养护下试块实测强度统计

为了研究不同龄期混凝土强度，需根据相关实验数据进行强度增长曲线拟合。不同配合比的强度拟合曲线见图2。

图2 自密实混凝土抗压强度拟合曲线

图3 一级配混凝土抗压强度拟合曲线

图4 二级配混凝土抗压强度拟合曲线

各龄期的弹模拟合公式的函数表达式为：

E(τ)=E0×(1-e-aτb)

式中：τ——龄期，d；

a、b——公式系数；

E0——最终弹模，取1.2E(90d)；

E——混凝土的弹性模量。

3.4 安全系数计算

3.4.1 抗拉安全系数

混凝土抗拉安全系数的计算公式为：

式中，抗拉强度在荷载作用下一般取轴拉强度计算。由于无轴拉强度的试验资料，根据有关经验成果和文献报道，抗拉强度约为抗压强度的1/12。在《混凝土重力坝设计规范》(SL 319-2005)6.3.10中规定“当局部混凝土有抗拉要求时，抗拉安全系数应不小于4.0。”考虑到地下工程的等级一般低于拦河大坝，这里按4.0计算。

3.4.2 抗压安全系数

混凝土抗压安全系数的计算公式为：

式中，抗压强度取立方体抗压强度标准值。

关于地下工程混凝土施工期应力的抗压安全系数最小值标准问题，目前水利水电方面的有关规范还没有明确的规定。在《混凝土拱坝设计规范》(SL 282-2003)6.3.1中规定.“对于基本荷载组合，1、2级拱坝的安全系数采用4.0。”考虑到地下工程的等级一般低于拦河大坝，这里按4.0计算。

4 计算结果

4.1 分析工况

根据过去的工程经验，顶拱拆模时间不宜小于12h。拟定泄洪洞顶拱衬砌混凝土仅考虑自重荷载时，计算方案按照12h、24h、36h三种拆模时间进行有限元分析。

4.2 12h拆模

方案1，泄洪洞顶拱在混凝土浇筑完12h后钢模台车脱模，即承重模板拆除。

4.2.1 铅直位移

由于顶拱混凝土拆模后，自重作用下，铅直位移较大，水平位移相对较小。铅直位移是顶拱拆模后能否维持稳定的主要指标。方案1下顶拱铅直位移云图见图5。

图5 顶拱铅直位移云图(12h)

计算结果表明，12h后钢模台车脱模泄洪洞顶拱衬砌混凝土最大铅直位移仅为0.724mm，在顶拱中央的内侧(中轴线衬砌混凝土下部)。

4.2.2 抗拉强度分析

方案1情况顶拱拉应力分布云图见图6。可以看到最大拉应力为0.052MPa，出现在顶拱中央的内侧(中轴线衬砌混凝土下部，即表面)，抗拉安全系数为4.88(一级配)或3.24(二级配)，当采用二级配混凝土时，抗拉安全系数不满足规范要求。

图6 顶拱拉应力分布云图(12h)

4.2.3 抗压强度分析

方案1条件下顶拱压应力分布云图见图7。计算结果表明，最大压应力为0.48MPa，出现在顶拱与边墙交界面的围岩侧，抗压安全系数为6.34(一级配)或4.21(二级配)，均大于4.0，满足规范要求。

图7 顶拱压应力分布云图(12h)

4.3 24h拆模

方案2，泄洪洞顶拱在混凝土浇筑完24h后钢模台车脱模，即承重模板拆除。

4.3.1 铅直位移

方案2下顶拱铅直位移云图见图8。计算结果表明，泄洪洞顶拱衬砌混凝土最大铅直位移为0.597mm，在顶拱中央的内侧。

图8 顶拱铅直位移云图(24h)

4.3.2 抗拉强度分析

方案2下顶拱拉应力分布云图见图9。计算结果表明，最大拉应力为0.047MPa，出现在顶拱中央的内侧(中轴线衬砌混凝土下部，即表面)，抗拉安全系数为8.70(一级配)或6.74(二级配)，均大于4.0，满足规范要求。

图9 顶拱拉应力云图(24h)

4.3.3 抗压强度分析

方案2下顶拱压应力分布云图见下图10。计算结果表明，最大压应力为0.47MPa，出现在顶拱与边墙交界面的围岩侧，抗压安全系数为10.45(一级配)或8.09(二级配)，均大于4.0，满足规范要求。

图10 顶拱压应力分布云图(24h)

4.4 36h拆模

方案3，泄洪洞顶拱在混凝土浇筑完36h后钢模台车脱模，即承重模板拆除。

4.4.1 铅直位移

方案3下顶拱铅直位移云图见图11。计算结果表明，泄洪洞顶拱衬砌混凝土最大铅直位移为0.536mm，在顶拱中央的内侧。

图11 顶拱铅直位移云图(36h)

4.4.2 抗拉强度分析

方案3下顶拱拉应力分布云图见图12。计算结果表明，36h拆模条件下最大拉应力为0.047MPa，出现在顶拱中央的内侧(中轴线衬砌混凝土下部，即表面)，抗拉安全系数为11.26(一级配)或9.51(二级配)，均大于4.0，满足规范要求。

图12 顶拱拉应力分布云图(36h)

4.4.3 抗压强度分析

方案3下顶拱压应力分布云图见下图13。计算结果表明，在36h拆模的情况最大压应力为0.46MPa，出现在顶拱与边墙交界面的围岩侧，抗压安全系数为13.80(一级配)或11.66(二级配)，均大于4.0，满足规范要求。

图13 压应力分布云图(36h)

5 结语

采用有限元法对白鹤滩水电站泄洪洞以厚度最小为1.0m的衬砌混凝土，在自重作用下拆模时间分析结论如下：

(1)铅直位移。拆模越早，铅直位移越大。12h拆模，最大铅直位移仅0.724mm，不会威胁安全性。

(2)最大拉应力及最小抗拉安全系数。随着拆模时间的推迟，顶拱自稳能力增强，拉应力减小，最小抗拉安全系数增大。12h拆模，最大拉应力仅0.052MPa，最小抗拉安全系数为4.88，满足要求。出现在顶拱中部(中轴线衬砌混凝土下部，即表面)。

(3)最大压应力及最小抗压安全系数。随着拆模时间的推迟，最大压应力减小，最小抗压安全系数增大。12h拆模，最大压应力仅0.48MPa，抗压安全系数为4.21，满足规范要求。

(4)可行拆模时间。仅在自重作用下，即使是12h拆模，最大位移、最大拉应力和最大压应力都不大，抗拉和抗压安全系数满足大于4.0的要求。考虑到泵送混凝土的终凝时间一般在10h左右，即在10h后才有强度，因此，实际拆模时间应该是在浇筑完成24h后，方能够保证顶拱结构安全。