深溪沟水电站填塘碾压混凝土的温控研究

欧阳建树,黄达海

(三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002)

1 前 言

深溪沟水电站位于大渡河中游的泸定～铜街子段,坝址位于四川省汉源县和甘洛县境内,为大渡河干流规划的第十八级电站,装机容量 660MW,年发电量 32.35亿 kW·h。电站的主要任务为发电,无其他综合利用要求。电站开发方式为河床式。厂房位于河右岸,由主机间坝段、接头坝段、窑洞式安装间、副厂房、引水渠、尾水渠组成。主机间坝段由三个长 33.98m和一个长 37.98m的坝段组成。1号和 2号机坝段基础置于微风化～新鲜中厚层状白云岩、白云质灰岩上,3号和 4号机坝段系挖除河床覆盖层后,置于 C15填塘碾压混凝土上。

为了使填塘碾压混凝土内部不致因过高的温度和过大的应力产生变形而开裂,保持一定的整体性,同时使填塘混凝土和上部厂房混凝土的温度场相协调,保证两者结合紧密,本文对施工期填塘混凝土在各种可能工况下的温度和应力情况进行了计算,并选出最优工况,以使填塘碾压混凝土在工程实际条件下,其内部温度和应力均满足温控标准的要求。

2 基本资料

选取典型的 3号坝段进行计算,该坝段底部全为填塘碾压混凝土。3号坝段长 33.98m,上部为河床式厂房,底部为基岩,填塘混凝土位于厂房混凝土和基岩之间,将上部厂房和底部基岩结合起来。填塘混凝土的顶部高程分别为 586.50m和 580.55m,底部与基岩连接面高程为 561.10m。

表1为 C15填塘碾压混凝土的配合比。表2为碾压混凝土水泥各龄期的水化热值。碾压混凝土水泥采用低热水泥,根据混凝土配合比和水泥各龄期水化热值,并参考文献[1],拟合出混凝土的绝热温升公式如下:

参照岩滩碾压混凝土坝工程经验[1],C15碾压混凝土的弹性模量采用如下双曲线式:

表1 填塘碾压混凝土配合比 kg

表2 水泥各龄期水化热值 kJ/kg

混凝土和基岩的物理力学参数见表3。根据以上参数,考虑跳仓浇筑施工过程,分三种工况计算,从自然浇筑开始,逐步加强温控措施,以使碾压混凝土的温度和应力最终满足温控标准的要求。

冷却水管采用非金属水管,求解其冷却效果时,采用等效负热源法[2]。考虑水管冷却效果的混凝土等效热传导方程为:

式中 T0——混凝土浇筑温度;

Tw——冷却水进水口温度;

φ—— 无热源水管冷却系数;

ψ——有热源水管冷却系数。

表3 材料的物理力学参数

3 计算模型

基岩范围向上、下游方向各延伸 90m,向下延伸70m。网格剖分采用空间六面体八节点单元,共8784个单元,10512个节点(如图 1所示)。

x方向为左右岸方向,y方向为上下游方向,z方向为高程方向。该模型有 6个面,即 6个边界。垂直于 x方向的左右面和垂直于 y方向的上下游面基本无热量的传递,设为绝热边界。热量沿 z方向传递效果显著。

图1 填塘混凝土网格剖分

顶面和底面为第一类边界:顶面与大气接触,温度为气温;底面温度恒定,为地温。

计算碾压混凝土在三种工况下的温度和应力,选出最优工况。三种工况分别为:自然浇筑;仅控制浇筑温度,浇筑温度分别采用 17℃、14℃和 13℃;控制浇筑温度,同时通 15℃的冷却水。

4 温度计算分析

填塘碾压混凝土的最高温控标准要依据坝体的稳定温度场和基础容许温差来确定。3号机坝段整体的稳定温度场如图 2所示,参考文献[3]中类似混凝土的相关参数,并考虑填塘混凝土属于非结构混凝土,对其温控标准适当放宽,最终确定填塘混凝土的最高温控标准为 27.5℃。

4.1 自然浇筑

图2 3号机坝段的稳定温度场

填塘混凝土的浇筑日期为 8月 1日至 11月 8日,计划每 11天浇一层,层厚 3m。在自然浇筑情况下,浇筑温度即为气温,各浇筑块的浇筑温度即为浇筑期内的月平均气温。8月、9月和 10月的月平均气温都高于18℃,而在此期间浇筑的混凝土块都位于填塘区下部,在下层混凝土块内部尚未到达稳定温度时,上层混凝土产生的一部分水化热又传递到下层,对下层混凝土的热量进行补充,致使填塘区下部的混凝土温度需要更长时间才能降到稳定温度。选取填塘区底部高程为 562.6m、565.6m和 568.6m的中心点,自然浇筑条件下各点温度过程线如图 3所示。各点温度在到达最高温度以后,又经历了一次回升,然后才开始缓慢下降。各点在任意时刻温度均超过最高温控标准 27.5℃,显然填塘混凝土在自然浇筑条件下不能满足温控标准的要求。

图3 自然浇筑时浇筑块中心点高程温度过程线

4.2 控制浇筑温度

通过控制浇筑温度来降低混凝土的最高温度是较为常用的方法。分别计算混凝土在浇筑温度为17℃、14℃和 13℃的最高温度。由于填塘混凝土上部沿顺河流向尺寸不一致,将填塘混凝土分为上游块和下游块,以方便研究(如图 4所示)。上游块比下游块厚,其余边界条件类似,温度应力水平也相同,故仅选取填塘上游块中心线上的节点进行研究。最高温度包络线如图 5所示。由图 5可知,通过降低浇筑温度,混凝土的最高温度降幅明显。对于工程实践,浇筑温度并不能无限制的降低,一般以13℃为下限。所以仅通过控制浇筑温度也不能达到温控标准的要求。

4.3 控制浇筑温度并通冷却水

图4 填塘混凝土分块示意

图5 不同浇筑温度时填塘上游块最高温度包络线

在仅控制浇筑温度不能满足温控要求时,往往结合冷却水管通水来降低混凝土内部的最高温度。选取如下工况进行计算:浇筑温度为 16℃,通 15℃的冷却水,通水时间为 14d;冷却水管布置采用1.0m×3.0m,通水流量为 28L/min。

此工况下填塘混凝土的最高温度包络线如图 6所示。在浇筑温度为 16℃时,通冷却水与不通冷却水相比,温度降幅达到 2℃以上,效果很明显。填塘区下部小范围最高温度超过温控标准在 0.5℃以内,因此,填塘混凝土能够满足温控要求。

4.4 表面点和中心点

如图 7所示,在控制浇筑温度为 16℃且通 15℃冷却水时,混凝土最高温度包络线沿高程方向出现振荡。产生这种振荡的原因是冷却水管埋于距各浇筑块中心点较近的位置,而各表面点距冷却水管最远,冷却水管近中心点的冷却效果最好,所以最高温度相对于表面点为低。如将表面点和中心点区分开来,各表面点和各中心点沿高程方向的最高温度都构成光滑的曲线。可见,将表面点和中心点区分开来,能直观地表示出温度变化的趋势。

图6 浇筑温度 16℃时填塘上游块最高温度包络线

表面点和中心点的温度变化过程不同,决定了同时刻两者的温度变化趋势不同。图 8为浇筑温度16℃并通15℃冷却水、填塘混凝土开始浇筑67天后,即 2008年 10月 6日填塘上游块中心线上的温度曲线。由图可以看出,同一时刻,各中心点和表面点的温度变化趋势截然不同。中心点和表面点温度两种截然不同的变化趋势说明,在浇筑过程中,每个浇筑块的表层和内部温度的变化不协调,导致温度梯度变化不均匀。如图 9、10所示,在仅控制浇筑温度 16℃条件下,填塘混凝土刚浇筑完毕,即 2008年11月 8日,中心点和表面点的温度变化趋于一致;而在浇筑温度为 16℃且通 15℃冷却水时,在填塘混凝土浇筑完毕时,中心点和表面点的温度变化趋势依然不同,在浇筑结束后的第 19天,中心点和表面点的温度变化趋于一致。这说明,混凝土内部通冷却水虽然降低了最高温度,使混凝土浇筑块更快地到达稳定温度,但是增大了温度场的扰动,使得混凝土浇筑块的温度不能均匀下降至稳定温度,与不通水相比,混凝土内部会产生较大的温度应力。

图7 中心点和表面点最高温度变化趋势

5 应力计算分析

图8 2008年 10月 6日中心点和表面点温度变化趋势

图9 浇筑温度 16℃时各时刻中心线上的温度

图10 浇筑温度 16℃、通 15℃冷却水时各时刻中心线上的温度

根据DL-5108-1999《混凝土重力坝设计规范》,基础均匀温降条件下的混凝土容许温度应力,用混凝土的极限拉伸值进行估算:

式中 [σ]—— 容许温度应力;

εp—— 90天龄期混凝土极限拉伸实测值;

Ec—— 90天龄期混凝土弹性模量标准值;

r0——结构重要性系数;

γd3——温度应力控制正常使用极限状态短期组合结构系数。

[3],取填塘 C15碾压混凝土的 90天龄期极限拉伸值εp=84×10-6,得出混凝土的容许温度应力为 1.36MPa。计算出填塘上游块中心线节点上的应力包络线如图 11所示。由图 11可知,在控制浇筑温度 16℃且通 15℃冷却水的条件下,填塘混凝土的应力满足应力标准。

图11 填塘上游块的应力包络线

在上部高程 580.55m以上,各高程最大应力随高程成线性增长。如图 12所示,填塘上游块高程为583.6m的中心点处,拉应力总是出现在温降过程中,而由于混凝土前期的弹性模量较小,在第一次温降时,该点的拉应力也较小,随着龄期的增长,混凝土的弹性模量也在增大,在第二次温降时,拉应力达到最大。

图12 583.6m高程中心点温度和应力过程线

6 结 论

(1)仅通过控制碾压混凝土的浇筑温度无法满足混凝土最高温控标准的要求,而在控制浇筑温度的同时,采用通冷却水的方法完全能够满足最高温控标准的要求。选择在浇筑温度为 16℃的同时通15℃冷却水,通水 14d,冷却水管布置采用 1.0m×3.0m,通水流量 28L/min,既能够满足最高温控标准的要求,又不至于使混凝土的最高温度和最高温控标准相差太远,有利于节约成本,简化施工工序,是较为合理的施工措施。

(2)通过对混凝土浇筑块中心点和表面点的温升过程研究发现,由于中心点和表面点的温度变化趋势的不同,导致不同温控条件对温度场产生的扰动也不同。在浇筑温度同为 16℃条件下,通 15℃冷却水对填塘区混凝土内部温度场产生的扰动比不通水时大。通冷却水虽然能使混凝土内部温度更快降到稳定温度,却使温度梯度的变化更不均匀,在混凝土内部产生较大的温度应力。

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]张宇鑫,黄达海,宋玉普.模拟混凝土跳仓浇筑的高拱坝温度应力仿真分析[J].中国港湾建设,2002(8).

[3]涂传林,金双全,陆忠明.龙滩碾压混凝土性能研究[J].水利学报,1999(4).