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碾压混凝土坝高温季节连续施工的温控防裂研究

碾压混凝土坝高温季节连续施工的温控防裂研究

碾压混凝土坝高温季节连续施工的温控防裂研究

碾压混凝土坝高温季节连续施工的温控防裂研究*

蒋胜祥,朱岳明

(河海大学水利水电工程学院,江苏 南京 210098)

摘 要:碾压混凝土坝(RCCD )以温控措施相对简单和快速连续施工为其显著特点,但大量的工程实践表明,RCCD 上时有温度裂缝出现,成为制约RCCD 进一步发展的瓶颈问题之一。本文对某碾压混凝土坝在高温季节连续施工做了仿真计算,结果表明,若采用自然浇筑温度,在坝内埋设冷却水管,早期坝面进行保温的温控措施,能够将温度应力控制在允许应力范围内。表明这种温控措施具有一定的工程应用前景。

关键词:碾压混凝土坝 高温季节连续施工 自然浇筑温度 冷却水管 表面保温

碾压混凝土坝(RCCD )以温控措施相对简单和快速连续施工为其显著特点,但大量的工程实践表明,RCCD 上时有温度裂缝出现。温度裂缝的出现,为大坝的安全运行埋下了隐患。因此,如何采取有效的温控措施,既能使RCCD 充分发挥连续施工、工期短的优势,又确保大坝基本不裂或者少裂,是RCCD 高温期连续施工的关键技术之一。

1 计算原理与方法

1.1 不稳定温度场基本原理[1]

根据变分原理,三维非稳定温度场的解可取如下泛函: ∫∫

∫∫∫Γ???????+??

???

????????????????+???????

?????????+??????????+???

?

????=32121)(222Tds T T dxdydz T t T z T y T x T

T I a R λβτθα (1) 式中,R 为计算域;T 为温度;α为导温系数;θ为绝热温升;λ为导热系数;β为表面放热系数;T 为环境温度;t 为时间;a 3Γ为第三类边界条件。

由泛函的驻值条件

0=T

I

δδ和时间域的向后差分,可得温度场有限元计算的支配方程: [][]{}[]{}{}011

11=+Δ???

????Δ+++n n n n n F T R t T R t H (2) 由上一时刻的{}n T ,利用式(2)计算可得下一时刻的{}1+n T 。

1.2 水管冷却混凝土温度场计算原理与方法[2]

根据傅立叶热传导定律和热量平衡条件,可得水管沿程水温的增量[1,4]

ds n

T

q c T w

w w w ∫∫

Γ???=

Δ0

ρλ (3) 式中,λ为水管导热系数;、、分别为冷却水的流量、比热和密度;w q w c w ρs 为水管管壁面积。

已知冷却水入口温度,利用式(3)对每一根水管沿水流方向逐段推求管内水体温度。水管的沿程水温计算与温度梯度n

T

??有关,因此该温度场是一个边界非线性问题,温度场的

投稿日期:2006-12-23. 作者简介:蒋胜祥(1982),男,湖北英山人,硕士研究生,研究方向为大体积混凝土温度控制与防裂.

碾压混凝土坝高温季节连续施工的温控防裂研究

碾压混凝土坝高温季节连续施工的温控防裂研究

解必须采用迭代法逐步逼近真解。

1.3 应力场基本理论和有限元方法[2]

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

{}{}{}{}{}{}

0n s n T n c n e n

n εεεεεεΔ+Δ+Δ+Δ+Δ=Δ (4) 式中,{}e n εΔ、、{}T n εΔ、{}s n εΔ、{}

n εΔ分别为弹性、徐变、温度、干缩和自生体积应变增量。

由物理方程、几何方程和平衡方程可得任一时段在区域上的上的有限元支配方程 i t Δi R []{}{}{}{}{}{}

0i S i T i C i L i i i P P P P P K Δ+Δ+Δ+Δ+Δ=Δδ (5) 式中,{为区域内结点三个方向上的位移增量,}i δΔi R {}L i P Δ、{}C i P Δ、{}T i P Δ、{}S i P Δ和{}

0i P Δ分别为时段内由外荷载、徐变、变温、干缩和自生体积变形引起的等效结点力增量。

i t Δ2 工程概况

某碾压混凝土坝位于云南省境内,大坝主体工程混凝土用量60.69万m 3,其中碾压混凝土用量42.09万m 3,占69.4%,设计最大坝高85.0m 。坝址区属亚热带气候,多年平均气温为23.7℃,多年平均极端高温为35.8℃,其中3月~10月最高月平均气温超过35℃,5月份达到40℃。该坝主体工程从4月上旬开始施工,须在高温条件下进行混凝土的浇筑。

3 计算模型

3.1 计算模型

采用文献[3]介绍的非均质层合单元法进行网格剖分,在靠近坝体上下游面设置相对较薄的单元,然后向坝体内网格逐渐加大,为了模拟分层浇筑过程,在高度方向常态混凝土厚度取0.5m ,碾压混凝土厚度取0.3m ,沿坝轴线方向单元厚约为1.0m 。单元及结点总数分别为50,090个和60,159个(图1)。

取顺水流方向为x 轴,沿坝轴线方向为y 轴,竖向为z 轴。x 轴顺水流方向为正,y 轴由右岸指向左岸方向为正,y=0m 为溢流坝段的中心面,z 轴向上为正。坝体材料分区和计算坐标系见图2。

图1 竣工时层合单元网格图 Fig1 Completion mesh with multilaminate elements

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3.2 计算条件和计算荷载

计算分两个工况进行。工况1:不加任何温控措施,严格按照施工进度进行,6月初坝面有过水要求;工况2:自然浇筑温度,混凝土浇筑过程中,通冷却水来降低混凝土的温升,混凝土龄期前5d用1~2cm厚的泡沫塑料板(导热系数β=0.16KJ/m.h.℃)进行表面保温。

采用文献[4]的方法进行坝体温度场和应力场的仿真计算。计算时考虑的荷载除了温度荷载外,还有混凝土自重、水荷载、自身体积变形和干缩变形以及徐变特性引起的荷载等。

4 仿真计算结果分析

4.1 准稳定温度场

采用文献[1]的方法计算上、下游蓄水后的温度边界,其它边界取为绝热边界。溢流坝段的准稳定温度场见图3。图中可见,设计水位以下的坝体温度趋于库水温度;设计水位以

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4.2 温度场计算结果分析

在基础强约束区(取▽195.0m作为分析高程,见图2所示)的表层和内部分别取典型点,Face、Center分别为该高程在上游表面和坝体中心取的典型点,通过该点的温度和应力历时曲线来反映不同位置的温度和应力状态。

由于采用自然浇筑温度,浇筑温度达32℃。比较两个工况的温度历时曲线(图4和图5)可知,混凝土龄期2d左右,水泥水化热充分释放,混凝土温度达到峰值,工况1不加任何温控措施时,峰值达到42.4℃,工况2通水冷却后降至38.4℃,削峰4.0℃。从图4可以看出,不加温控措施时,坝体内部温度达到峰值后,由于散热面较小,热量较难散失,到施工期结束,温度仍保持在40℃左右;表层混凝土温度达到峰值以后,由于表面散热的作用,温度下降到28℃,略高于气温。6月初,因渡汛坝面有过水要求,过水期间表层温度骤降至水温,坝体中心温度也下降1℃左右。过水结束后,表层迅速回升至气温,之后随着气温变化而变化。图5为工况2▽195.0m典型点的温度历时曲线,与工况1相比可以看出:坝体中心温度达到峰值后,在冷却水作用下降至26.5℃,通水结束后,稳定在25℃,即施工期坝体内部温度下降了15℃。由于表面保温措施,内外温差也由工况1的14℃减小至4℃。

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图6为工况2施工结束后的温度等值线图。从图中可以看出,坝体出现一个高温区,高程在▽206.0m至▽229.0m,高温区中心温度为30℃,较之工况1相应位置的温度值45℃,下降了15℃,表明使用冷却水管的降温效果是十分明显的。施工期内坝体温度分布的规律是:表层温度梯度大,内部温度梯度小。这是产生温度应力的主要原因。当混凝土龄期较低时,在表面进行保温,减小内外温差是减少甚至是避免出现温度裂缝的有效方法。

4.3 应力场计算结果分析

碾压混凝土坝坝内铺设冷却水管是为了降低水泥水化热温升,早期表面保温的意义在于改善坝体早期的应力场。混凝土龄期较低时,抗拉强度低,是产生裂缝的危险时期。在坝体内部用冷却水排走水化热,在表面加保温措施,河海大学朱岳明教授称其为“内冷外保”的温控措施,能够减小内外温差,从而减小坝体早期的温度应力;另一方面,由于坝体表面有保温措施,热量并没有散失,当拆去保温措施时,有可能引起较大拉应力,但此时混凝土抗拉能力已较强,能够承受由此引起的拉应力。其实质在于将龄期较低时可能出现的拉应力推迟到混凝土龄期较大抗拉能力较强时再出现。

混凝土龄期较低时,混凝土虽处于膨胀状态,但内外膨胀程度不一,内部膨胀趋势强,表层弱,相对于内部而言,表层处于相对收缩状态,因此早期表层受拉,内部受压。当水泥水化热作用完毕后,混凝土温度开始由峰值下降,降温时内部混凝土收缩,这种收缩受到地基及表层混凝土的约束,受拉应力,即拉应力由表及里转移。坝面过水时,表层温度骤降至水温(图4和图5中Face曲线),拉应力相应骤增,最大至0.86MPa,但在允许拉应力值1.72MPa范围内,表明坝面过水的温控问题较易得到解决。之后,中心受0.6MPa左右的拉应力,表层受力随环境温度变化而相应变化。

对比分析工况1和工况2坝体早期的应力场。龄期2d时,工况1表层拉应力达到0.58MPa,此时允许拉应力值为0.61MPa,表层混凝土存在开裂的可能,而工况2在拆去表面保温措施前受压应力,表明“内冷外保”的措施对减小早期温度应力是十分有效的。工况2拆去表面保温措施时,表层拉应力骤增至0.6MPa(此时允许拉应力值为1.15MPa);工况2坝内通水冷却期间,水管周围混凝土降温,坝体中心(Center曲线)拉应力增加至1.12MPa,在允许应力值(1.88MPa)范围内。

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①仿真计算结果表明,施工期末坝体中心出现一个较大高温区,不加任何温控措施时中心温度达到45℃,通水冷却后温度降至30℃,降幅达15℃。

②在基础强约束区(▽195.0m水平截面上)典型点的温度历时曲线表明,若不加任何温控措施,坝体中心温度峰值达到42.4℃,且到施工完毕,温度约为40℃,之后非常缓慢的降至准稳定温度场。一期通水冷却能够削弱温度峰值 4.0℃,施工期末温度逐渐稳定至25℃,与环境温度相当。即施工期内能将温度场降至准稳定温度场,有利于避免运行期降温时产生基础贯穿性裂缝。

③采取“内冷外保”的温控措施后,坝体早期的受力状况得到明显改善。龄期2d时,若不加任何温控措施,表层拉应力达到0.58MPa,此时允许拉应力值为0.61MPa;当采取工况2的“内冷外保”的措施后,拆保温措施前表层混凝土受压应力。

④该碾压混凝土坝在高温季节施工,利用自然浇筑温度,施工过程中通冷却水进行冷却,并在混凝土龄期较低时在坝体表面加保温措施能够将温度应力控制在允许应力范围内。

参考文献

[1] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国电力出版社。1998.

[2] 马跃峰,朱岳明,刘有志,等.姜塘湖退水闸泵送混凝土温控防裂反馈研究[J].水力发电,2006(1).

[3] 朱岳明,马跃峰,王弘.碾压混凝土坝温度应力仿真计算非均质层合单元法[C].2004年全国碾压混凝

土坝筑坝技术交流会论文集,2004.

[4] 朱岳明,徐之青,贺金仁,等.混凝土水管冷却温度场的计算方法[J].长江科学院院报,2003(2).

[5] 朱岳明,贺金仁,刘勇军.龙滩高RCC重力坝夏季不同浇筑温度的温控防裂研究[J].水力发电,2002(11).

碾压混凝土坝高温季节连续施工的温控防裂研究

碾压混凝土坝高温季节连续施工的温控防裂研究

Study on RCCD’ thermal control and crack prevention during continuous construction in hot seasons

Jiang Shengxiang,Zhu yueming

(Institute of Hydraulic Structure, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

Abstract

RCCD has the prominent character of its simple application to thermal control and its fast continuous construction. But lots of practices shows that thermal cracks often come into being on it, and it has been one of the critical problems of RCCDs’ further development. This article is mainly about the numerically simulative calculation of one RCCD constructed in hot seasons. The calculation shows that, if the nature temperature is used as placing temperature, cooling pipes and superficial thermal insulation are used by the construction, the thermal stresses can be controlled in a permitted range. The results make clear that the concept and the procedure are of great useful in practice.

Keywords:RCCD; Continuous construction in hot seasons; nature temperature as placing temperature; water cooling pipe; superficial thermal insulation.