贵州岩溶地区大型水电站坝后厂房温控防裂研究

余晓敏，冯楚桥,2，熊 杰,2，罗代明,2，管志保,2

(1．贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002；2．贵州省喀斯特地区水资源开发利用工程技术研究中心，贵阳 550002)

0 引 言

贵州地处低纬度、高海拔地区，年温差、昼夜温差均不大，年平均气温不高，极端最高、最低温度值不大，这样的气候条件对大体积混凝土施工较为有利。此外，贵州地区的混凝土砂石骨料多为灰岩、白云岩，其导热系数大并且线膨胀系数小[1]，这些对于混凝土防裂也是有利的。

尽管贵州独特的气候条件及地质条件对于混凝土的防裂提供了较好的条件，但是，对于大体积混凝土结构，如何防止温度裂缝的产生依然是设计和施工中必须考虑的关键技术问题[2,3]。

对一些大体积混凝土结构(如混凝土坝)在施工过程中往往会采用严格的温控措施，但是其温度裂缝的问题仍然尤为突出[4-6]。因此，对于这些类型的大体积混凝土结构，通常会对其施工期的温度及温度应力进行仿真计算以制定相应温控措施[7-9]。但是，对于大型的水电站厂房等大体积混凝土结构，相关温控仿真研究比较少[10-12]。

基于以上原因，本文结合夹岩水利枢纽工程坝后厂房结构浇筑实例，采用三维有限元数值仿真方法，分析了夹岩水电站坝后厂房施工过程中的温度及温度应力发展特征，并提出了相应的温控防裂措施及建议，相关结论可为同类工程的设计施工提供参考和依据。

1 计算原理

1.1 温度场计算原理

根据热量平衡原理[13]，固体热传导基本方程为：

(1)

初始条件:

T=T0(x,y,z)

(2)

主要的边界条件:

第一类边界条件:

T=TS

(3)

第三类边界件:

(4)

式中：α=λ/cρ为混凝土的导温系数;λ为混凝土的导热系数；θ为材料的绝热温升;hf为对流换热系数;Tf为物体周围的流体温度;Ts为物体表面的温度；T为混凝土的温度。

1.2 温度应力计算原理

混凝土在复杂应力状态下的应变增量主要由弹性应变增量、徐变应变增量、温度应变增量、自生体积应变增量以及干缩应变增量等构成[2]，即：

(5)

(6)

2 计算模型及参数

依据设计图，将模型合理概化，建立三维有限元模型见图1(a)，模型全部采用六面体单元。整体计算模型单元数为32 805，其中岩基单元数为5 542。设计混凝土浇筑分区情况见图1(b)，厂房设有一道结构缝，高程上分为19段，共38个浇筑层，自2018年2月13日起浇筑，至2019年5月2日浇筑完成。除基础固结灌浆外，其余浇筑层施工间隔时间约为15 d。

图1 有限元计算模型示意图Fig.1 Diagram of finite element calculation model

由于现场试验部分参数未得到，部分材料参数参考其他工程以及《水工建筑物荷载设计规范》(SL 744-2016)[14]进行取值，列于表1。

表1 模型材料参数表Tab.1 Model material parameters table

3 温度及温度应力仿真

根据工程区的气温水温条件(具体参数文中不详述)，以及拟定的混凝土热学性能参数，可对坝后厂房各混凝土浇筑层早期温度及温度应力进行计算。计算中，浇筑温度根据不同月份取值不同，各月按自然入仓考虑，浇筑温度取为当月平均气温+0～4 ℃；裸露混凝土表面散热系数取为65 kJ/(m2·h·℃)。

3.1 温度及温度应力控制标准

最高温度控制标准：设计中，根据厂房稳定温度计算情况，确定不同月份厂房12月至次年2月24 ℃，3、11月为28 ℃，4、10月为33 ℃，5、9月为37 ℃，6-8月为41 ℃。

参考《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2018)[15]，温度应力控制标准(或抗裂安全系数)按下式确定:

(7)

采用弹模与极限拉伸值乘积Ecεp作为控制指标。本工程C25混凝土28 d龄期下Ecεp近似取为2.33 MPa，28 d到90 d龄期以后Ecεp近似取为2.76 MPa，180 d龄期以后Ecp近似取为3.05 MPa。

3.2 厂房温度及温度应力计算结果

对各浇筑层混凝土采用基本的洒水养护的方法降温，仿真计算得到混凝土最高温度及最大拉应力结果包络图见图2～图5。

图2 厂房最高温度包络图Fig.2 Envelope diagram of max temperature of the powerhouse

图3 厂房第一主应力包络图Fig.3 Envelope diagram of fist principle stress of the powerhouse

图4 1～6浇筑层第一主应力包络图Fig.4 Envelope diagram of fist principle stress of pouring layer 1～6

图5 7～12浇筑层第一主应力包络图Fig.5 Envelope diagram of fist principle stress of pouring layer 7～12

从图3可看出，受地基约束小的非约束区(浇筑层13～38)，温度应力较小，故可选取强约束区各浇筑层(浇筑层1～12)内部及表面代表点对其温度、应力历程进行具体分析。其最高温度及最大主应力计算结果统计见图6～图13，统计结果见表2。

图6 1～6浇筑层内部代表点温度历程曲线Fig.6 Temperature history curve of internal representative point of pouring layer 1～6

图7 1～6浇筑层内部代表点第一主应力历程曲线Fig.7 First principle stress history curve of internal representative point of pouring layer 1～6

图8 1～6浇筑层表面代表点温度历程曲线Fig.8 Temperature history curve of external representative point of pouring layer 1～6

图9 1～6浇筑层表面代表点第一主应力历程曲线Fig.9 First principle stress history curve of internal representative point of pouring layer 1～6

图10 7～12浇筑层内部代表点温度历程曲线Fig.10 Temperature history curve of internal representative point of pouring layer 7～12

图11 7～12浇筑层内部代表点第一主应力历程曲线Fig.11 First principle stress history curve of internal representative point of pouring layer 7～12

图12 7～12浇筑层表面代表点温度历程曲线Fig.12 Temperature history curve of external representative point of pouring layer 7～12

图13 7～12浇筑层表面代表点第一主应力历程曲线Fig.13 First principle stress history curve of internal representative point of pouring layer 7～12

表2 厂房混凝土温度及温度应力仿真计算成果Tab.2 Temperature and thermal stress simulation results of the powerhouse concrete

从图6～图13各浇筑层内部及表面代表点温度及应力历程曲线可以看出：

(1)约束区在3-10月浇筑，仿真计算得最高温度为28～32.7 ℃，基本满足最高温度控制标准。考虑应力集中的现象，选取各个区内部及表面代表点进行具体分析。结果表明，除第1、2层表面点及3、10层内部点外，约束区1～18其他浇筑层抗裂安全系数均可满足要求。

(2)非约束区在11月-次年6月浇筑，内部最高温度为16.45 ℃，满足最高温度控制标准，最大温度应力为1.5 MPa，相应抗裂安全系数为1.50，满足混凝土抗裂安全要求。

3.3 讨 论

本文对夹岩厂房结构混凝土的温度和温度应力进行了仿真模拟，总体而言，由于气温不高，厂房结构散热条件相对较好，因而结构内部温升并不高，不采用冷却水管的条件下，最高温度均可满足设计要求。然而，在地基约束的作用下，部分浇筑层在局部出现了较大的温度应力。产生这种现象的原因有三方面：

(1)出现应力较大的部位出现在容易产生应力集中边界处，除去这些容易产生应力集中的部位，这些浇筑层绝大部分区域的温度应力可符合抗裂安全要求。

(2)层厚较薄的区域(小于1 m)，在地基或上下层混凝土的约束作用下，也容易产生较大的拉力。实际施工过程中可考虑优化分层方案将这些薄层区域与上下层合并，或设置后浇带。

(3)通常情况下，混凝土由于强度的龄期特性(早期强度较低)，容易在温降条件下开裂，因此温度裂缝多发生于早龄期。但是，结合温度应力历程曲线结果，各代表点最大拉应力均出现在混凝土浇筑180 d龄期以后。这与本次计算采用的弹性模量和徐变参数有关(早期弹性模量增长较缓慢，且后期有较大增长；早期徐变度较大而后期徐变度太小)。鉴于此，实际设计中，在材料选择上建议可选取早期强度增长快、后期强度增长小的水泥的中、低热水泥。

综上所述，排除应力集中的影响，按当前浇筑计划，采取一定温控措施可满足大部分区域的防裂要求；对于层厚较薄的局部区域，也可考虑适当优化当前浇筑分区或施工时设置后浇带。

4 结论与建议

(1)贵州地区由于气候特点，年气温变幅不大，对于散热条件相对较好的厂房结构，在采用洒水养护并使用灰岩作为混凝土骨料等措施的基础上，可不采取通水冷却措施；

(2)对于较复杂的厂房结构，在实际施工过程中，按高程分层浇筑时，应避免出现薄层区域，尤其在地基约束较强的部位；

(3)在材料设计过程中，除需采用中、低热水泥外，为防止后期温度应力较大，可采用早期强度增长快、后期强度增长小的中、低热水泥。