黄金峡泵站厂房坝段混凝土温度应力特性研究

余勇军，覃 茜，冯展平，程 海，崔建华

(1.中国水利水电第十二工程局有限公司，杭州 310004；2.长江水利委员会长江科学院材料与结构研究所，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，武汉 430010)

0 前 言

大坝混凝土常存在多处裂缝[1]，大体积混凝土温控防裂问题突出。混凝土坝体的破坏常从细小裂缝开始，至裂纹扩展失去稳定；裂缝的存在进一步削弱了坝体的挡水功能，导致大坝渗漏，最终影响坝体稳定、功能实现。温度应力是导致混凝土早期产生裂缝的主要原因[2]，三门峡重力坝孔口应力，温度应力大于其他应力之和[3]。国内学者[4-9]采用各种数值模拟方法研究了大坝混凝土的温度应力，其中重点研究了坝段横向应力和顺河向应力的分布[5]，以及坝段孔口顺河向拉应力的产生原因[7]。针对每一座大坝要认真分析坝体混凝土的温度应力分布规律，其中大坝孔口区和基础约束区是研究混凝土裂缝的重点关注部位。

陕西省引汉济渭工程是从陕南汉江流域调水至渭河流域的关中地区，以解决陕西省关中地区城市和工业缺水的大型跨流域调水工程[10-12]。黄金峡水利枢纽是引江济渭工程的第一水源地，位于汉江干流上游峡谷段，陕西南部汉中盆地以东的洋县境内。工程由拦河坝、泄洪建筑物、抽水泵站、水电站及升船机等组成，拦河坝为混凝土重力坝，最大坝高68 m，总库容2.29亿m3，正常蓄水位450.00 m，死水位440.00 m[11-12]。大坝内采用河床式泵站与坝后式电站联合布置的型式[13]，布置如图1所示，坝段体型结构复杂，流道较多，坝体混凝土浇筑时间跨度长，增加了大坝施工温控难度。目前对大坝大体积混凝土的温控研究多集中在无流道和单条流道的结构简坝段，对多流道的复杂体型坝段研究还较少。本文以黄金峡枢纽泵站坝段5号和6号机组坝段大体积混凝土结构为研究对象，厘清黄金峡泵站厂房坝段混凝土大应力区域和易裂时间，分析研究大坝基础约束区和大坝流道进口区的温度和应力情况，为黄金峡工程大坝混凝土施工提供支撑。

图1 黄金峡泵站及电站布置

1 数值模拟

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，相关理论已比较成熟。本文采用长江水利委员会长江科学院自主研发的混凝土结构温控仿真分析软件Ckysts 1.0进行仿真计算。

1.1 结构模型

模拟范围包括泵站厂房坝段混凝土以及一定范围内的地基，由于该坝段包含1条电站进水流道、2条泵站进水流道及其出水流道，体型复杂，模型中采用四面体10节点单元，模型的单元总数232 243个，节点总数151 410个，计算模型如图2所示。直角坐标系：X轴顺水流方向，Y轴垂直水流方向，Z轴高度方向。

图2 泵站厂房坝段模型

1.2 计算条件

1.2.1气候条件

根据工程所在地区洋县气象站气象要素统计[12]，计算时日均气温拟合为下式：

(1)

公式(1)中:Ta为日均气温，℃；t为月份。本工程中最大日温差13 ℃，最高气温40 ℃，最低气温-12 ℃。

1.2.2混凝土热力学性能参数

泵站厂房坝段的混凝土材料分区：高程413.50 m以下大体积混凝土采用C2825F150W8(三)混凝土；高程413.50 m以上结构采用C2830F150W8(二)混凝土。因缺乏混凝土试验资料，计算中热力学参数参考长江科学院以往试验成果[14]确定，混凝土的热学性能如表1所示。混凝土的抗拉强度参数见表2所示。

表1 混凝土的热学参数

表2 混凝土力学参数

混凝土绝热温升与龄期的关系：

(2)

公式(2)中:θ是混凝土绝热温升，℃；θ0和A[15]是双曲线式的拟合系数,其中θ0是混凝土的最大绝热温升，℃；t是混凝土龄期，d。

混凝土弹性模量与龄期的拟合表达式：

E=E0(1-e-BtC)

(3)

公式(3)中:E是混凝土的弹性模量， GPa；t是混凝土龄期， d；B和C是复合指数式的拟合参数。

温度应力计算中混凝土徐变度采用文献[7]中的公式：

C(t,τ)=(f1+g1τ-p1)[1-e-τ1(t-τ)]+

(f2+g2τ-p2)[1-e-τ2(t-τ)]

(4)

公式(4)中：C(t,τ)为在第τ天的加荷龄期下，持荷龄期为(t-τ)时的徐变度，10-6/MPa；f1，f2，g1，g2，p1，p2，τ1，τ2为混凝土徐变拟合系数，本文中两种常态混凝土都采用长科院试验数据拟合参数值见表3。

表3 混凝土徐变度拟合系数[14]

1.2.3 边界条件

地基表面考虑为散热面，底部及侧面考虑为绝热边界。地基底部四周采用法向约束。

1.2.4浇筑进度和条件

施工现场计划的泵站厂房坝段施工进度和各层混凝土浇筑温度，泵站厂房坝段从上游至下游，分上、中、下3段浇筑，各部分浇筑概况如表4所列。坝体各月的浇筑温度如表5所示。本文针对表面保温和内部通水冷却的施工工况下，泵站厂房坝段混凝土的温度和应力场分布情况不做研究。

表4 泵站厂房坝段施工进度

表5 各月浇筑温度

1.2.5特征点

为研究泵站厂房坝段混凝土重点区域的温度应力特性，选择基础约束区的特征点如图3(a)所示，T1、T2、T4是混凝土层中间内部点，T3是层面点，T5是下游面表面点。电站进水流道进口区的特征点T6和T7，如图3(b)所示。

图3 泵站厂房坝段特征点

2 结果分析

本文对不采取任何措施情况下，在混凝土浇筑后3 a内坝体混凝土各部位温度、顺河向应力σxx、横河向应力σyy的包络图，以及特征点的温度和应力的历程变化情况进行分析。

2.1 温度分析

2.1.1最高温度分布

图4是泵站厂房坝段内部温度包络图，坝体内部峰值温度达到43.1 ℃左右，大部分区域混凝土最高温度在18.2～30.0 ℃。温度较高区域主要分布在6—8月浇筑的下游侧高程408.00～416.00 m的坝体混凝土处，原因主要是此处混凝土在高温季节浇筑，浇筑温度高，且该区域混凝土体积较大，散热能力较差。其他混凝土最高温度较高区域有：坝体廊道下游侧混凝土，最高温度达到38.7 ℃；坝体上游侧闸门槽附近混凝土最高温度达到41.1 ℃。在泵站厂房坝段内大体积混凝土以及高温时段浇筑的混凝土峰值温度较高,流道的存在有助于坝体混凝土的散热，流道附近混凝土温度较低。

图4 坝体温度包络图 单位：℃

2.1.2温度历程

由特征点的温度历程图5可知，特征点温度在浇筑升温后，温度逐渐下降，并随外界气温呈周期性变化，其中表面特征点(T5/T6/T7)的温度变幅达11 ℃，内部点(T1/T2/T4)温度变幅1 ℃以内。

内部点峰值温度为34～35 ℃，层面点T3的峰值温度26.8℃，表面点T5的峰值温度28.1 ℃。图5(d)为进水口表面特征点在混凝土浇筑后半年内的温度历程。电站进水口混凝土在6月和7月的高温季节浇筑，表面特征点T6峰值温度达到25.8 ℃，表面特征点T7浇筑后峰值温度达到27.4 ℃。

图5 特征点温度历程

2.2 应力分析

2.2.1最大横河向和顺河向应力分布

图6是泵站厂房坝段顺河向应力σxx的包络图，泵站厂房坝段混凝土最大σxx出现在基础约束区，接近4.5 MPa；电站流道附近上游侧混凝土最大σxx小于0.5 MPa，但下游侧高程393.00～399.00 m以及上游坝体廊道附近的混凝土最大σxx在1.0～2.0 MPa。脱离基础约束区中间块高程406.00～416.00 m混凝土的最大σxx在2.5 MPa左右。1月22日下游侧块体浇筑至高程404.60 m，而直至6月14日才浇筑上层下游块，坝体下游侧高程404.60 m处混凝土由于长间歇影响，最大σxx达到3.0 MPa;闸门井附近大体积混凝土最大σxx接近2.0 MPa。

图6 坝体顺河向应力σxx包络图 单位：MPa

泵站厂房坝段横流向应力σyy包络见图7。坝体混凝土开始浇筑3 a内最大σyy出现在基础约束区，约3.5 MPa；电站流道附近上游侧混凝土最大σyy小于0.5 MPa；上游坝体廊道附近混凝土最大σyy在1.6 MPa左右。脱离基础约束区下游侧高程404.00～416.00 m混凝土的最大σyy在1.1～1.8 MPa。上游面泵站流道进口和电站流道进口处最大σyy应力较大，接近3 MPa，其中由于本计算分析中考虑了混凝土自重的影响，其在流道进口上部产生约0.8 MPa的自重应力。

图7 坝体横河向应力σyy包络图 单位：MPa

2.2.2横河向和顺河向应力历程

坝段基础强约束区特征点顺流向σxx应力历程如图8所示。坝体混凝土内部顺流向σxx为压应力，之后随着内部降温，压应力减小，逐渐变成拉应力。

图8 特征点σxx应力历程

7月T1上部混凝土浇筑后，T1点的拉应力从0.5 MPa减小至0.2 MPa，之后随内部混凝土降温，拉应力再次逐渐增加；11月内部特征点T1拉应力超过3 MPa。12月基础约束区的中间块和下游块的上部混凝土浇筑后，T2的拉应力减小1.2 MPa，T4点应力从4.5 MPa减小至3.5 MPa。层面混凝土(T3)由于上层混凝土浇筑，拉应力大幅减小，上层混凝土于12月浇筑，与7月份浇筑的下部混凝土间隔时间长，此时混凝土已经达到90 d弹性模量，层面混凝土应力对温度变化的敏感性较大，拉应力从4.1 MPa降至0.2 MPa；之后随混凝土的降温拉应力逐渐增大。混凝土的顺流向σxx之后随温度呈周期性变化，上部混凝土浇筑间隔时间长的混凝土层(T2和T4)的内部应力在高水平波动。

坝段基础强约束区特征点横流向σyy应力历程如图9所示。坝体内部混凝土的横流向σyy早期为压应力，最大值1.1 MPa，之后随着内部降温，压应力减小，逐渐变为拉应力。7月T1上部混凝土浇筑后，T1点的拉应力从0.8 MPa减小至0.5 MPa，之后随内部混凝土降温，拉应力缓慢增加。12月基础约束区的中间块和下游块的上部混凝土浇筑后，内部特征点T2的拉应力从3.5 MPa减小至2.3 MPa，T4点内部拉应力从2.4 MPa减小至1.8 MPa；层面混凝土(T3)拉应力大幅减小，拉应力从3.5 MPa降至-0.4 MPa，之后随混凝土的降温，拉应力逐渐增大。混凝土的横流向σyy之后随温度呈周期性变化，T2的应力在2.3 MPa周围波动；由于电站进水流道在T4所在的混凝土层，缩短了横河向大体积混凝土尺寸，T4的应力相对较小，在1.5 MPa附近波动。

图9 基础强约束区特征点σyy应力历程

坝段电站进口上部混凝土表面特征点横流向σyy应力历程如图9(c)和图9(d)所示。表面特征点T6早期为拉应力，早期横流向σyy峰值为0.43 MPa，后期混凝土降温，横流向σyy超过3.5 MPa。电站进口表面混凝土T7早期为压应力，主要是由于混凝土升温，横河向受压，并受上层混凝土浇筑的影响，早期应力波动；由于后期混凝土降温，表面混凝土σyy的拉应力增加，并随外界气温变化而波动，最大横流向σyy为3.46 MPa。T6的早期温度峰值小于T7的早期温度峰值，但下部T6受混凝土自重影响较大，早期横流向σyy表现为拉应力。

3 结 论

针对黄金峡工程5号泵站坝段5号和6号机组的大体积混凝土结构，分析无温控措施下的温度应力特性，形成结论如下：

(1) 在高温季节浇筑的坝体大体积混凝土，浇筑温度较高，散热能力较差，最高温度达40 ℃左右，而流道的存在有助于坝体混凝土的散热，流道附近混凝土温度较低。

(2) 基础强约束区大部分区域混凝土的横河向正应力达到3.5 MPa，顺河向正应力甚至达到4.5 MPa，开裂风险极高，浇筑后期基础约束区易出现内部深层裂缝，甚至形成贯穿性裂缝。

(3) 脱离基础约束区的中间块高程406.00～416.00 m混凝土和上游坝体廊道附近的最大顺流向应力接近抗拉强度，以及高温季节浇筑的下游侧高程404.00～416.00 m混凝土横河向应力和顺河向应力都较大，都存在一定的开裂风险。

(4) 坝段电站进水流道上部表面混凝土最大横河向正应力超过3.5 MPa，大于抗拉强度，开裂风险极高。

因此，基础强约束区、基础弱约束区上游面、电站进水流道上部混凝土、高温季节浇筑的大体积混凝土是温控防裂的重点，建议低温季节浇筑基础约束区混凝土缩短浇筑间隔时间，在非低温季节浇筑时要做好通水冷却和表面保温等措施。