施工期碾压混凝土大坝温控防裂分析

2023-10-30黎明

陕西水利 2023年10期

黎明

（广东南海城建集团有限公司,广东佛山 528200）

0 引言

碾压混凝土通常被用于大规模的混凝土作业,由于工程具体施工方法及设计理论有所不同,碾压混凝土坝可施工性非常实用,施工过程相对简单,因此近年来发展迅速,在重力坝及大体积压力坝工程中使用广泛[1-2]。碾压混凝土坝施工过程借助压实设备且采用类似于填土的方法,由于其水灰比较常规混凝土更低,水泥用量更少,最初人们在建设中认为其温度梯度很小,可避免温度梯度引起开裂。由于碾压混凝土水化过程释放大量热量,水化过程慢,另外施工期间外部约束作用极易引起混凝土变形开裂,损害坝体整体性[3]。

温度效应是影响大体积混凝土结构完整性的重要因素,空气环境温度、基础温度、日照温度等,施工期间主要的温度影响源是水泥水化放热,此外混凝土施工方案、人工冷却技术等也是影响混凝土温度场,造成混凝土内部拉应力产生裂缝的重要原因。大体积混凝土结构温度控制是限制其拉应力大小的最有效方式之一,利用三维有限单元法,结合传统混凝土坝施工期间温度控制方法,研究高原区恶劣气候下碾压混凝土坝温控防裂有效措施。

1 研究背景及计算方法

所研究碾压混凝土坝工程为高原地区峡谷段水电站,水电站大坝采用碾压式混凝土重力坝技术建造,坝高120 m,坝底宽100 m,坝体施工期间所用混凝土总方约160 万m3,工程水库建设任务是发电,建设水库库容达4500 万m3,水库正常运用期间水位为3350 m,可供调节径流的水库容积为975 万m3,水库年平均发电量约27 亿kW·h。由于坝体建设位于高原地区,昼夜温差较大,日照强,施工期间受温度影响较大,温控防裂作为大坝建设工程中重要的影响因素,针对坝体建设混凝土配合比,进行基本热力学性能研究,表1 给出试验所得参数。

表1 坝体混凝土热力学性能参数

大坝计算模型混凝土结构单元划分较密,可以更好地反应温度场变化影响,计算模型高度单元层厚度结合实际工程影响,反应浇筑层厚度。计算应力过程中,坝体地基作为固定底面,侧面采用多连杆架支撑,其余面自由受力；考虑温度影响及太阳日照辐射,因此在仿真计算过程中坝基底面及侧面均设置为绝热体边界,其余坝体顶面,上下游则考虑太阳日照辐射热影响,模拟计算过程中气温+3℃。特征点1 位于大坝底部距大坝边20 m 位置。

为保证大坝工程质量,防止因温度变化带来的裂缝影响,需要在施工过程中选取合适的防裂施工方案,由于碾压混凝土大坝是采用半塑性混凝土拌和物经振动碾压密实且层面返浆施工工艺,与传统混凝土大坝施工有所不同,因此防裂方式也有所差别。针对不同施工措施共给出5 个方案（PL1～PL5）进行模拟计算对比,对混凝土浇筑温度、混凝土冷却方式、冷却水管布设等措施进行组合,以期得到最优施工方案。

原始方案（PL0）：强约束区：浇筑层厚度1.5 m,4 月～10 月期间浇筑温度控制在≤15℃,11 月～2 月期间浇筑温度控制在≥8℃；冷却水管布设采用2 m×2 m（水平×竖直）间距,水冷却温度时间20 d 左右,冷却水温13℃。弱约束区：浇筑层厚度3.5 m,4 月～10 月期间浇筑温度控制在≤18℃,11 月～2 月期间浇筑温度控制在≥8℃；冷却水管布设采用2 m×2.5 m 间距,水冷却时间25 d 左右,冷却水温13℃。非约束区：浇筑层厚度3.5 m,4 月～10 月期间浇筑温度控制在≤20℃,11 月～2 月期间浇筑温度控制在≥8℃；冷却水管布设采用2 m×2.5 m 间距,水冷却时间30 d 左右,冷却水温13℃。坝体表面保温措施：上、下游分别采用8 cm和5 cm 保温板。

优化方案1（PL1）：施工中期增加冷却,冷却水温为13℃,时间35 d 左右,使目标温度达到11℃,另外强约束区水管间距加密为2 m×1.5 m,其他施工措施同原始方案（PL0）。

优化方案2（PL2）：强约束区、弱约束区、非约束区混凝土浇筑温度分别调整为≤14℃、≤15℃和≤16℃,其他施工措施同优化方案1（PL1）。

优化方案3（PL3）：施工中期冷却水温调整为16℃,目标温度18℃,其他施工措施同优化方案2（PL2）。

优化方案4（PL4）：将强约束区冷却水管间距改为2 m×2 m,其他施工措施同优化方案2（PL2）。

2 结果讨论

2.1 施工中期增加冷却及水管加密防护

对比初始方案及优化方案1,两种方案计算结果温度及应力变化见图1、图2。对比初始方案,原始方案及优化方案坝体最高温度分别为27.14℃和25.87℃,PL1 方案施工期间混凝土坝最高温度下降了约1.27℃,初始水冷措施下坝体温度下降缓慢,由于碾压混凝土坝施工特点,坝体施工期间温度很难稳定,计算结束后坝体温度稳定。在施工中期增加冷却和对冷却水管做加密处理对碾压混凝土坝施工影响显著,优化方案1 下坝体施工前期温度下降速率更快,且稳定后温度较初始方案下更小,对后期坝体温度变化影响效果变小,减少后期施工坝体开裂几率。

图1 PL0 和PL1 两种方案下特征点温度变化比较

图2 PL0 和PL1 两种方案下特征点应力变化比较

随降温逐渐稳定坝体应力接逐渐近允许应力,初始方案下坝体应力最终接近2.08 MPa,超过允许应力,安全系数较低,仅1.26,坝体存在开裂风险,施工中期加设冷却且加密冷却水管后坝体应力产生一定突变,出现转折性下降随后上升,后续应力变化趋势与初始方案下相似,呈现波浪形波动,随施工周期及气候改变呈现有规律的变化,最终应力下降至1.53 MPa,低于允许安全应力,安全系数涨幅达54%,增大至1.94。

2.2 减小混凝土浇筑温度

优化方案2 措施较方案1 减小了混凝土浇筑温度,见图3、图4。从坝体温度曲线来看,两种方案温度时程线走势相当,浇筑温度下降1℃,坝体施工期间整体温度同样有所下降,最高温度由25.79℃降至24.42℃,下降了1.37℃。从图4 可以看出,两种方案计算下应力变化也有相同趋势,浇筑温度下降同样使得坝体特征点应力产生转折,随后与PL1 方案一样最终应力值均未超过允许应力,最终应力较PL1 减少约0.07 MPa。因此,可以说明不同混凝土浇筑温度对高原地区坝体温度和应力变化有巨大影响,大坝施工期间降低浇筑温度可以使坝体整体温度下降,降低最终应力水平,从而提高整体安全系数。

图3 PL1 和PL2 两种方案下特征点温度变化比较

图4 PL1 和PL2 两种方案下特征点应力变化比较

2.3 改变施工期间降温速率

降温速率主要影响坝体温度及应力变化速率,由于降温过快对坝体早期温度变化影响较大,会导致相应坝体早期应力产生显著增大,因此控制降温速率同样是施工期间防裂的重要影响因素。如图5 所示,调整施工中期冷却水温和目标温度后坝体整体温度有一定增大,其最高温度由24.42℃升至24.63℃,除前期PL3 方案计算下温度下降速率有所减缓外,整体温度发展趋势与PL2 相比无明显变化。受温度改变影响,如图6 所示,坝体施工前期应力变化未发生突变,且前期应力值较方案2 低约0.07 MPa,前期安全系数增加,最终稳定后,PL3 最大应力增加至1.53 MPa,较PL2 相比大0.09 MPa,安全系数相应下降0.16。

图5 PL2 和PL3 两种方案下特征点温度变化比较

图6 PL2 和PL3 两种方案下特征点应力变化比较

2.4 增大冷却水管间距

在优化方案2 的基础上,改变冷却水管间距研究其对坝体温度及应力变化的影响,将冷却水管间距加宽至2 m×2 m,其温度应力时程曲线与PL2 变化一致,混凝土温度及应力有一定程度增大,PL4 温度计算结果较PL2 增大0.22℃,最终应力增大0.14 MPa,霸体安全系数也相应减少0.22。

图7 PL2 和PL4 两种方案下特征点温度变化比较

图8 PL2 和PL4 两种方案下特征点应力变化比较

3 高原区碾压式混凝土坝温控防裂措施探讨

由于高原区昼夜温差过大,一方面要防止施工期间混凝土坝受热过高,同时要防止由于温度过低带来的坝体冷缩或筑坝材料性能发挥不完全等影响,坝体由于各区域温控处理形式不同,可能出现由于温度分布不均匀造成的应力场相互约束带来混凝土坝体开裂。因此对混凝土坝体采取不同区域分区温控,对于基础强约束区,根据施工时间,设置为冬季浇筑温度不低于6℃,夏季浇筑温度不高于14℃,其余时间浇筑温度以月平均气温为标准+3℃～5℃。对于弱约束区和自由区,夏季浇筑温度分别不高于15℃和16℃。考虑到软件仿真计算温控措施模拟方法结果与实际工程不同,分区控制混凝土坝建设期间最高温度,基础强约束区最高温度控制在24℃,弱约束区和自由区最高温度控制在26℃和28℃以内。

混凝土一期冷却需保证当日降温速率不要过高,防止快速降温导致冷缩开裂,削减坝体峰值温度随后进行1 到2 个月控温,水管冷却措施可采取施工中期加冷却方法防止一期冷却后混凝土温度回弹过高导致混凝土变形,也提前为后期混凝土温降预防,保证坝体转入冬季能迅速适应温度骤降。水管间距依据强约束区2 m×2 m 间距,其余区域采取2 m×2.5 m 间距。