通水冷却措施对碾压混凝土坝施工期温度应力及防裂影响研究

蒋晓明, 颉志强, 徐航

(1.华电西藏能源有限公司,西藏 拉萨 856200;2.长江水利委员会长江科学院,湖北 武汉 430010;3.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心,湖北 武汉 430010)

大古水电站位于西藏自治区山南市桑日县境内,电站装机容量为660 MW,拦河坝为碾压混凝土重力坝,最大坝高118.0 m,是目前国内在建的海拔最高的碾压混凝土重力坝[1]。受地理位置及气候条件的影响,当地具有早晚温差大、气压低、辐射强、空气干燥、大风频繁等典型的高原气候特征,独特的气候条件导致大古水电站大坝在施工期面临较大的开裂风险。

研究和工程实践表明,温度应力是导致大体积混凝土开裂的最主要因素。对于碾压混凝土而言,虽然其具有低水胶比、高粉煤灰掺量、水化热温升略低于常规混凝土的特点,但在实际应用中碾压混凝土坝开裂的现象仍然普遍存在[2-3]。因此,必须采取合理的防裂措施,对施工期的大坝混凝土温度场进行合理控制。大坝混凝土温度控制的主要指标包括基础温差、层间温差、内外温差、降温速率等,主要的技术措施包括:控温浇筑、表面保温、通水冷却等。其中,通水冷却是目前应用最为广泛、最为有效的控制大坝温度场变化过程的技术措施之一。伴随着我国水利水电建设实践,我国在大体积混凝土通水冷却理论及技术方面取得了长足的发展[4-5]。近年来,随着智能建造技术的发展,通水冷却技术已经从原来的现场人工控制向自动化、智能化发展[6-8]。然而,无论是人工控制或智能化控制,根据现场实际环境条件、材料及结构特点、实际施工进度,准确掌握通水冷却对大坝温度、应力及抗裂性能的影响,是合理制定通水冷却方案(水管布置、通水水温、通水流量、通水时长或控温曲线、控温指标)的前提。此外,高海拔地区碾压混凝土重力坝所处环境条件特殊,其防裂要求高[9],为避免施工期表面开裂,施工期大坝表面保温措施相对于常规地区的更为严格,若表面保温措施不到位,混凝土基础温差大、降温过程缓慢,对防裂极为不利。因此,对于高海拔地区混凝土坝施工防裂措施,合理的冷却方案更为重要。鉴于此,本文依托大古水电站建设工程,以岸坡坝段为研究对象(约束面大、防裂难度大),结合环境、材料、结构及施工实际情况,在设计方案的基础上,系统研究了通水冷却过程对大坝温度、应力及抗裂特性的影响,提出了具体的通水冷却方案。

1 分析方法及工具

混凝土坝温度场、应力场仿真模拟采用三维非线性有限元法[10]。采用长江科学院自主研发的混凝土结构温控仿真分析软件Ckysts1.0进行分析,该软件是在长江科学院大体积混凝土结构温度场和温度应力三维有限元仿真计算程序包(包括温度场程序3DUSTEMP、应力程序3DCRCPCG、前后处理程序)的基础上完善升级而成的,是1992年长江科学院材料所为满足三峡工程建设相关研究的需要自主研发的。该软件先后应用于三峡工程、南水北调穿黄工程、丹江口大坝加高工程等的温控防裂研究及温控方案设计中,目前已实现了CPU+GPU的异构并行化改造[11-13]。本文主要探讨通水冷却对碾压混凝土坝施工期温度应力的影响。混凝土通水冷却模拟方法众多,为便于比较,统计了目前部分被广泛应用的水管冷却算法(见表1),并总结了各种算法的特点及适用范围。

Ckysts1.0在仿真中采用改进埋置单元法,具有前处理简单、计算规模小、对网格形状要求低、计算精度相对较高的特点。此外,改进后的埋置单元法能考虑沿程水温变化,较准确地模拟大体积混凝土水管冷却温度场时空分布规律。

2 基本资料

2.1 计算模型及参数

2.1.1 计算模型及边界条件

选取大古工程岸坡坝段(高度97 m)及一定范围内的地基(1.5倍大坝尺寸)建立三维有限元模型。模型采用8节点六面体线性单元,节点157 040个,单元141 835个,采用改进埋置冷却水管单元法[19]模拟通水冷却过程,有限元模型和分层及冷却水管布置情况如图1和图2所示。其中,X方向为顺河向,Y方向为横河向,Z方向为竖向,共计52层水管单元。在温度场仿真计算中,地基表面按对流换热边界考虑,其地基面按绝热考虑,坝段横缝面按绝热考虑,上下游及仓面按对流换热边界考虑。在应力场仿真计算中,地基各边界面施加法向约束。

图1 有限元模型

图2 分层及冷却水管布置

2.1.2 特征点布置

为了便于分析,在各浇筑层中心线(沿上下游方向)上选取3个特征点,上下游面特征点分别距离表面50 cm,中心特征点位于仓号中心。

2.1.3 材料参数

岸坡坝段采用3种混凝土,配合比及材料性能见表2和表3。

表2 混凝土配合比

表3 混凝土弹性模量及强度

在仿真计算中,混凝土弹性模量及强度取值根据室内试验成果按照式(1)和式(2)拟合,拟合曲线如图3所示。作为非线性弹性徐变体,徐变参数参照文献[9]取值。

图3 弹性模量拟合曲线

E(t)=E∞(1-e-atb),

(1)

f(t)=clnt-d。

(2)

式中:E(t)为龄期为t时的混凝土弹性模量,GPa;f(t)为龄期为t时的混凝土强度,MPa;t为混凝土龄期,d;E∞为龄期趋于无穷大时的E(t)最终值,GPa;a、b、c、d为常数。

试验测得的混凝土热学性能参数见表4。

表4 混凝土热学性能参数

2.1.4 材料参数

仿真计算中,环境温度根据坝址区域历史气象资料数据的拟合式确定,拟合式为:

(3)

式中:Tc(t)为t时的温度,℃;t为时间,d。

2.2 施工计划及措施

2.2.1 分层及间歇期

混凝土分层和间歇期(表5)严格按照设计要求及实施进度计划进行模拟。本文重点分析2019年7月底至2019年10月初浇筑的3 355.5～3 375.0 m高程岸坡段的混凝土。

表5 浇筑层及浇筑间歇

2.2.2 混凝土浇筑温度控制

严格按照设计要求模拟各层浇筑温度,不同时段的浇筑温度控制值见表6。地基温度场结合坝址区气温,提前30年起算至浇筑时刻获得。

表6 不同时段的浇筑温度控制值

2.2.3 混凝土浇筑温度控制

冷却过程严格按照设计提出的通水冷却要求模拟,冷却水管根据设计要求布置。对于岸坡坝段的混凝土,在浇筑下料时,冷却水管即开始一期通水冷却。基础约束区进口水温不超过10.0 ℃,自由区不超过12.0 ℃。碾压混凝土降温速率不大于0.5 ℃/d,进口水温与最高温度之差不超过20.0 ℃。常态混凝土降温速度不大于1.0 ℃/d。温差不超过25.0 ℃,通水时间不少于28 d,高温季节(当年4月上旬—10月上旬)浇筑的混凝土入冬前中期降温。对超过16.0 ℃的混凝土,采用天然水冷却,目标温度为16.0 ℃。

2.2.4 表面保温

根据设计要求,对当年10月中旬—次年4月中旬期间浇筑的上下游混凝土采取上下游面贴保温材料(5 cm厚的聚苯乙烯板)的措施,同时在钢模板外侧嵌贴保温材料(固定在模板上,3 cm厚聚苯乙烯板);其余季节(次年4月下旬—10月上旬)浇筑的上下游面混凝土采用5 cm厚的聚苯乙烯板保温。对于常规仓面,当年10月上旬—次年4月中旬浇筑混凝土,铺设4 cm保温被进行仓面保温;其余季节(次年4月下旬—10月中旬)浇筑的混凝土仓面采用2 cm保温被进行仓面保温。对于长间歇仓面,低温季节(当年12月份—次年2月份)采取15 cm大坝保温被(或同等效果的聚苯乙烯保温卷材)进行仓面保温。

2.3 抗裂安全度

考虑混凝土的非线性硬化特性,本文分析采用的是抗裂安全度的概念,按式(4)定义。后续分析中,最小抗裂安全度是指计算周期内各节点的抗裂安全度的最小值,本文的计算周期为2019年7月浇筑开始至2020年3月冬期结束。

(4)

式中:k(t)为龄期t时混凝土抗裂安全度;t为混凝土的龄期,d;f(t)为龄期t时混凝土强度,MPa;σ1(t)为龄期t时的混凝土第一主应力,MPa。结合以往工程经验,本工程抗裂安全度指标为1.8。

3 岸坡坝段通水冷却措施优化

在设计要求的浇筑温度、水管类型(HDPE管,内径28 mm)、埋设深度、保温措施要求的基础上,本文重点分析在实际施工进度要求下,各层通水冷却过程中不同的水温、流量、通水时长等因素对坝体温度及应力的影响,并以此作为设计通水冷却优化的依据。

3.1 有无冷却措施

图4和图5为通水冷却对岸坡段混凝土层平均温度的影响。若无冷却措施,各层平均温度的峰值高达6 ℃左右,越冬后,各层平均温度高达8～10 ℃,这对混凝土后期防裂极为不利。因此,通水冷却对岸坡坝段防裂极为必要。

图4 通水冷却对浇筑层平均温峰值的影响 图5 越冬后浇筑层平均温度

3.2 冷却水温

冷却水温对岸坡段浇筑层混凝土温度的影响表现为,冷却水温越低,各层峰值温度越低。采用6～16 ℃冷却水时,各浇筑混凝土层峰值温度差异为4 ℃左右,如图6所示。一期冷却结束时,各层混凝土的平均温度差异为5～6 ℃,如图7所示。降温速率方面表现为,6 ℃冷却水降温时平均降温速率为0.3 ℃/d,8 ℃冷却水降温时降温速率亦小于0.45 ℃/d,满足设计要求。冬期结束后,不同温度冷却水降温后的坝体温度差异最大为4 ℃。冷却水温越低,上下游表面温度应力相对越大,应力差异为0.1～0.2 MPa,如图8和图9所示。

图6 冷却水温对浇筑层平均温度峰值的影响 图7 冷却水温对一期冷却结束温度的影响

图8 冷却水温对上游面最大主应力影响 图9 冷却水温对上游面最小抗裂安全度的影响

在坝体中心不同冷却水温引起的应力差异的变化范围为0.3～0.5 MPa,如图10和图11所示。从冬期结束后的坝体温度来看,采用低温冷却水(8 ℃)时各高程的坝体温度的变化范围为13～14 ℃,对后期防裂是极为有利的。虽然降低冷却水温会引起表面附近及内部的应力上升,但计算结果表明,应力增幅有限,因此建议采用6～8 ℃冷却水进行冷却。总体而言,冷却水温对表面应力影响小而对坝内部应力影响大。

图10 冷却水温对坝体中心最大主应力的影响 图11 冷却水温对坝体中心最小抗裂安全度的影响

3.3 通水流量

通水流量对岸坡段温度、应力的影响如图12—图17所示。与水温相比,冷却水流量对坝体温度的影响相对较小,流量越大,坝体温度越低,降温速率越大。冷却水流量为18～60 m2/d时,坝体峰值温度差异仅为1.0～2.0 ℃。一期冷却结束时,采用不同流量冷却的坝体温度差异为3～4 ℃。越冬后,坝体平均温度差异为1.0～2.0 ℃。

图12 流量对浇筑层平均温度峰值的影响 图13 流量对一期冷却结束层均温的影响

图14 流量对上游面最大应力的影响 图15 流量对上游面最小抗裂安全度的影响

通水流量对应力场的影响如图14—图17所示,由图14—图17可知,通水流量越大,岸坡段应力越大,但其对应力场影响程度较小。冷却水流量为18～60 m2/d时,上下游面应力差异为0.10 MPa左右,内部应力差异为0.15 MPa左右。这说明增加流量的降温效果有限。然而,增加流量会大幅增加现场供水及排水负担,增大供水管路爆管风险。因此,调整坝体降温速率时,应采取调整冷却水温的方式,如增加制冷水量或天然河水取水深度等。

3.4 通水冷却时长

通水冷却时长对坝体峰值温度基本无影响,长时间冷却导致下部混凝土温度降低,上部峰值温度会略有降低,如图18所示,但峰值温度仅降1 ℃左右。一期通水冷却时间越长,降温后坝体的温度越低,和通水14 d的情况相比, 持续通水40 d时各层平均温度低至6 ℃左右。至冬期结束时,不同冷却时长坝体温度差异仍然在4 ℃左右,如图19所示。图20和图21所示上下游面应力主要受昼夜温差及内外温差引起,冷却时长对其无明显影响。

图18 时长对一期冷却结束温度的影响 图19 时长对越冬后平均温度的影响

图20 时长对下游面最大主应力的影响 图21 时长对下游面最小抗裂安全度的影响

对于坝体内部,当延长一期冷却时间时,各浇筑层内部应力会有一定上升,但总体应力较小,抗裂安全度始终在3.0以上(无开裂风险),如图22和图23所示。延长一期通水冷却时长对坝体内部防裂是有利的。在现场条件允许的情况下,适当将一期通水冷却时间延长至35～40 d,可以有效降低坝体越冬期间及后期的防裂压力。

图22 时长对坝体中心最大应力的影响 图23 时长对中心最小抗裂安全度的影响

4 结语

本文依托大古水电站建设工程,以岸坡坝段为研究对象,结合环境及施工情况,在设计方案基础上,系统研究通水冷却过程对大坝温度、应力及抗裂特性的影响,提出通水冷却建议。主要结论如下:

1) 对于岸坡坝段,尤其是约束面较大的爬坡度混凝土,通水冷却降温对控制基础温差至关重要,必须进行通水冷却降温。

2) 通水流量达到30 m3/d后,再增加冷却水通水流量对于冷却降温效果有限。增加通水流量会大幅增加现场供水及排水系统负担,同时增加供水管路爆管及漏水风险。仿真计算结果表明,控制坝体降温速率最有效的方式是调整冷却水温度,如增加制冷水或天然河水取水深度。

3) 为有效降低坝体越冬期间及后期的防裂压力,建议在设计方案基础上适当延长通水冷却时长1～2周。