混凝土拱坝温度控制标准探析

2022-04-12马宁

黑龙江水利科技 2022年3期

马宁

(黑龙江省庆达水利水电工程有限公司，哈尔滨 150000)

0 前言

混凝土大坝施工期普遍存在裂缝，正确掌握大坝温度应力分布，采取合理温控设计措施对指导混凝土施工意义重大。文章结合混凝土温度应力有限元原理，结合实际工程计算分析混凝土出机温度、入仓温度和浇筑温度，比对温度控制标准，提出施工期不同月份应采取的温控措施，结论对混凝土大坝温度控制具有一定的指导价值。

1 工程概况

某水利枢纽工程位于中国四川省境内，水库总库容为6.87×108m3，调节库容为6.2×108m3。工程规模为大Ⅰ型，枢纽建筑物包括大坝、泄洪系统、引水洞、右岸发电厂房等[1]，拦水坝为碾压混凝土拱坝，最大坝高124m，坝顶宽10m。

根据气象站1971-2010年资料统计，多年平均气温13.5℃，极端最高气温38.2℃，最低气温-15.3℃；多年平均降水量874mm，多年平均蒸发量1315mm，多年平均风速1.2m/s，风向多SSW，11月—次年3月为土层冰冻期，最大冻土深度10cm。碾压混凝土拱坝体型图，见图1；应力增量示意图，见图2。

图1 碾压混凝土拱坝体型图

2 温度应力有限元原理

温度变形只产生剪应变，单元等效结点温度荷载表达式为[2]：

(1)

式中：[B]为应变与位移的转换矩阵；[D]为弹性矩阵。

混凝土是弹性徐变体，其徐变柔度为：

(2)

式中：E(τ)为瞬时弹性模量；C(t,τ)为徐变度。

图2 应力增量示意图

定义应力在时段△τi呈线性变化，则弹性应变增量{△εne}为：

(3)

应力增量与应变增量关系为：

(4)

单元的结点力增量为：

{△F}e=∭[B]T{△σ}dxdydz

(5)

将单元整体集成，可得整体平衡方程[3]：

[K]{△δn}={△Pn}L+{△Pn}C+{△Pn}T+{△Pn}0+{△Pn}S

(6)

相互叠加可得各单元τn的应力为：

{σn}=∑{△σn}

(7)

3 温度控制标准[4]

坝体混凝土基础允许温差，见表1。

表1 坝体混凝土基础允许温差

混凝土容许最高温度包括出机口温度、浇筑温度，层间厚度、冷却水管或浇筑过程中采取隔热保护、喷雾等措施来实现。坝体混凝土容许最高温度，见表2。

表2 坝体混凝土容许最高温度

4 温度计算分析

4.1 出机口温度计算

混凝土出机口温度与原材料温度有关，考虑主要原材温度的混凝土出机口温度计算式为[5]：

(8)

出机口温度计算针对坝体用量最大的C9025二、三级配碾压混凝土，碾压混凝土配合比，见表4；自然拌和各原材料温度，见表5；自然拌和时各强度等级混凝土出机口温度，见表6。

表4 碾压混凝土配合比

表5 自然拌和各原材料温度

表6 自然拌和时各强度等级混凝土出机口温度

自然拌和情况下，碾压三级配混凝土各月的出机口温度平均高于对应月份的平均气温，基本超过各平均气温1.8-3.5℃；二级配混凝土各月的出机口温度也均高于月平均气温，超过各月平均气温3.6-5.3℃。

4.2 入仓温度

混凝土入仓温度按：

T1=T0(Ta+R/β-T0)×(φ1+φ2+φ3+…φn)

(9)

式中：T1为入仓温度；T0为出机口温度；Ta为运输气温；R/β为太阳辐射热温升；φ1+φ2+φ3+…φn为温度回升系数。

对混凝土各月入仓温度进行计算，混凝土入仓温度，见表7。

表7 混凝土入仓温度

4.3 浇筑温度

混凝土浇筑温度按经验公式：

Tp=T1+(Ta+R/β-TI)(φ1+φ2)

(10)

式中：Tp为浇筑温度；T1为入仓温度；Ta为环境温度；R/β为太阳辐射热温升；φ1为温度系数，φ1=kτ，k=0.0030(1/min)，τ取20min。

碾压混凝土覆盖时间取1-6h，每小时计算浇筑温度，太阳辐射热按100%，70%，30%和0进行折减，层面保温下的C9025碾压三级配混凝土浇筑温度计算结果，C9025碾压三级配混凝土浇筑温度，见表8。

表8 C9025碾压三级配混凝土浇筑温度

自然拌和情况下，碾压混凝土各月的出机口温度均比相应月的月平均气温高，超过各月平均气温1.8-3.5℃。低气温月1月、12月存在温度过低现象，应加热水拌和混凝土，控制混凝土浇筑温度>5℃。高气温月份5-9月应采取遮挡太阳、水路循环冷却或喷雾等方式降低混凝土的温度回升。4月、10月拌制的碾压混凝土粗骨料风冷至10℃，5月、9月粗骨料风冷至7℃，6月风冷至6℃，7月和8月风冷至5℃。