碾压混凝土重力坝施工期开裂问题研究

郑义俊

(江西省水投建设集团有限公司,南昌 330001)

0 引 言

碾压混凝土水泥用量小、绝热温升低,但与常态混凝土在施工工艺、材料特性、散热条件等方面均存在明显差异。结合类似工程经验,碾压混凝土拉极限拉伸、早期抗拉强度均比常态混凝土低,抗裂性能也较差。碾压混凝土重力坝施工时一般不设纵缝,基础温差和上下层温差引发的应力较大;再加上碾压混凝土发热历时长,缺少中期通水冷却,自然散热差,坝内高温持续存在,坝体温度场必须经历较长时间才能达到稳定状态。此外,碾压混凝土抗拉性能及层面剪切性能均较差,均容易引发水平层面裂缝的出现。水库蓄水后,坝体混凝土温度仍较高,坝体上游面接触低温库水后必然产生拉应力,促使施工过程中出现的各类表面裂缝进一步扩展为劈头裂缝,危及大坝运行安全。可见,分析碾压混凝土重力坝施工期温度裂缝发生机理,进而采取有效措施预防裂缝的发生,对于重力坝结构施工质量控制及安全运行意义重大。

1 工程概况

某水电站坝址以上集水面积14.9640×104km2,坝址多年流量均值为1008m3/s;水库库容0.49×108m3,冲淤平衡后的调节库容为16.45×104m2,正常蓄水位3439m。电站装机容量4×660MW,设计出力169.98MW。水电站拦河坝为碾压混凝土重力坝,坝段长320m,底宽103.5m,顶宽92.0m,坝高125m;上游面竖直设立,下游面存在1∶0.7的坡度;底部设置厚度为3.0m的常态混凝土垫层,其余部位全部采用C20碾压混凝土。坝体混凝土总设计方量为173.46×104m3;共划分成15个坝段施工;坝体设置5个长×宽为11m×17m的泄洪表孔,1个长×宽为5m×8m的泄洪底孔及4个进水口。

2 模型构建

2.1 模拟范围

以该水电站碾压混凝土拦河重力坝8#溢流坝段为典型坝段,该坝段设计高度90.9m,在展开重力坝施工期开裂问题分析时,将坝体和地基视为整体,有限元模拟范围为地基深度180m,坝踵向上游延伸125m,坝趾向下游延伸130m;横河向宽度为1个坝段宽。通过8节点等参实体单元展开有限元模型离散,并将坝基和坝体共划分成40026个单元及48741个节点。基岩及坝体混凝土物理力学参数取值见表1。坝段温度场计算时以基岩底面和侧面为绝热面,以基岩顶面及与大气接触面为散热面;应力场计算时基岩底面三向为全约束形式,下游面及左右侧面为法向单约束,坝体顶面、侧面及上游面为自由面[1]。

表1 基岩及坝体混凝土物理力学参数取值

2.2 温控措施及标准

该水电站碾压混凝土重力坝于2019年11月开始浇筑施工,12月～次年2月停工,3月恢复浇筑施工。强约束区浇筑层厚度为1.5m,其余部位浇筑层厚3.0m;坝体上下游拆模后必须覆盖5cm厚聚苯乙烯保温板养生。强、弱约束区4～10月浇筑温度≤12℃,11～次年3月≥5℃;自由区4～10月浇筑温度≤18℃,11～次年3月≥5℃;冷却水管按照1.5m×1.5m的间距设置,一期通水温度为10℃,持续冷却25d,冷却水设计流量1.6m3/h。

结合《大体积混凝土温度测控技术规范》及相关分析成果,该碾压混凝土重力坝典型坝段基础温差及最高温度控制标准见表2,混凝土上下层温差及内外温差均≤15℃。

表2 重力坝典型坝段温度控制措施

2.3 随机变量

该水电站重力坝大体积混凝土温度裂缝主要受以下因素影响:环境温度、施工方案、混凝土水化热温升、入模温度、混凝土性能参数、几何尺寸、收缩徐变等。结合工程实际及模型情况,以坝体弹性模量、放热及导热系数、水化热温升、抗拉强度、施工环境温度等为温度应力场模拟过程中的随机变量,取值情况见表3。

表3 温度应力场模拟随机变量取值情况

考虑到工程应用过程中随机有限元法计算过程存在很大的不确定性,计算程序较为复杂,故商业应用程序较少[2]。为此,笔者提出通过正交试验展开参数波动程度模拟,并借助确定性有限元分析近似推求随机有限元结果的思路,以揭示重力坝随机温度场及应力场分布情况[3]。按照正交试验过程,在抗拉强度以外选择5个随机变量,各变量分别按μ-σ、μ、μ+σ取值,其中μ为变量均值,σ为变量标准差;借助SPSS软件正交设计模块模拟各变量波动程度,正交试验变量取值水平见表4,按照该表所示展开随机场计算。

表4 正交试验因素取值水平

3 随机温度场及应力场分析

3.1 随机温度场

按照以上所确定出的正交试验方案展开碾压混凝土重力坝随机温度场三维有限元数值模拟,得出典型坝段混凝土浇筑265d、319d、437d、532d后的典型时刻坝体温度场均值及标准差。根据结果,刚开始浇筑时混凝土温度较高,随着坝体高程的升高,温度呈降低趋势;施工结束时,强约束区混凝土平均温度为18℃。因为大体积混凝土散热条件差,再加上混凝土水化热温升的影响,导致坝体外部温度低,内部温度高。

在影响温度场变化的诸多随机变量中,环境温度及水化热温升的随机性影响最显著,因内部混凝土散热缓慢,在与外界热交换过程中水化热温升的降低幅度并不明显;再加上并未在内部混凝土间歇面设置保温措施。故内部混凝土温度场具有较大的标准差,越往混凝土结构内部,温度场标准差越大,最大为5℃。相反,如果对表面混凝土实施温控,以降低外界环境对表面混凝土温度场的影响,水化热温升必然减弱,表面混凝土温度场均值必然比内部混凝土低;同时水化热温升及外界温度的影响也会大大降低。通过以上分析可以看出,大体积混凝土结构内部温度均值及标准差均比表面混凝土大;文章所提出的借助确定性有限元分析近似推求随机有限元结果的思路科学合理[4-6]。

模拟结果还表明,重力坝大体积内部混凝土随机温度场均值及标准差极值均主要出现在混凝土低龄期,所对应的水化热温升随机性较大。此后随着龄期的增长,水化热反应逐渐完成,水化热温升随机性对混凝土温度场的影响也持续减弱,标准差持续减小。坝体表面混凝土因受到环境温度作用而表现出周期性变化,其标准差与环境温度标准差存在较好的相关性。

3.2 随机应力场

按照与随机温度场分析相同的操作,以8#典型坝段大体积混凝土浇筑265d、319d、439d、523d为典型时刻,进行坝体应力场均值及标准差模拟。根据随机应力场分布云图,坝体拉应力均值最大值主要出现在强约束区及自由区冬季停工面周围;出现在强约束区的原因主要在于受结构自重及温度荷载的影响,坝体底部基岩强约束作用引起较大的拉应力;出现在冬季停工区的原因主要在于较大的内外温差。此外,表面混凝土散热良好,其应力值与环境温度较好相关;待大坝浇筑至256d及319d时恰好为7月和9月,环境温度较高,表面混凝土温度随之升高,大坝也相应处于受压状态;而当坝体混凝土浇筑至437d及532d时,恰逢1月和4月,环境温度低,结构内外温差大,表面混凝土拉应力升高。

重力坝内部强约束区混凝土浇筑施工时间为低温季节,在内外部温差及基础约束的综合作用下处于受拉状态;待弱约束区浇筑施工时,环境气温逐渐升高,混凝土结构内外部温差增大,基础约束作用持续降低,结构转而处于受压状态;该重力坝工程非约束区混凝土浇筑施工大多安排在低温季节,内外温差易于产生拉应力。

随着混凝土浇筑施工时间的推移,坝体内部应力标准差呈减小趋势,最小值达到0.2MPa。通过分析原因看出,温度场随机性对应力场随机性影响较大;在施工开始之初,混凝土温度场随机性较为明显,环境温度及水化热温升均表现出明显的波动;此后随着时间推移,水化热温升消散后温度场随机性也大大降低,应力标准差减小。总之,拉应力较大的坝体位置必然对应较大的标准差,混凝土开裂风险也较大[5]。

3.3 坝体温度分布规律

重力坝坝体浇筑至最大高程时,坝段中剖面温度分布情况见图1。

图1 浇筑至最大高程时中剖面等值线图

由图1可知,坝体浇筑完成时,从坝底开始往上,温度逐渐增大,并在中上部形成高温区,温度最高达到34.0℃;底部强弱约束区温度最高为24.2℃和26.7℃,均未超出高温控制标准。通过分析高温形成的原因看出,上部高温区为自由区,混凝土浇筑层较厚,浇筑温度高;浇筑施工在夏季高温季节进行,冷却强度相对较弱,无法及时削减内部混凝土温度。

根据该碾压混凝土重力坝最高温度包络图,见图2,高温区位于坝体中上部,最高温度达34.7℃;低温区则位于强弱约束区交界处,最低温度为24.2℃。各部位最高温度均符合《碾压混凝土坝设计规范》中最高温控标准。坝体上部混凝土浇筑温度比较高,浇筑施工也安排在高温季节,因冷却水强度较低,导致混凝土最高温持续升高,并形成坝体上部高温区。强弱约束区交界处混凝土在冬季浇筑,环境温度与最高温升均较低,因而形成低温区。

图2 最高温度包络线图

4 重力坝开裂分析

既有研究成果大多通过混凝土拉应力与抗拉强度的比值η展开开裂风险评价,具体等级划分情况见表5。

表5 混凝土开裂风险分级

文章也主要通过混凝土拉应力与抗拉强度比值η展开重力坝混凝土开裂风险评价。根据基础强约束区底部、弱约束区底部及自由区内外特征点开裂风险过程线,可以看出,位于强弱约束区上部的特征点在整个混凝土浇筑施工过程中均处于受压状态,几乎无压应力出现,故其出现开裂的风险非常小。而位于强约束区底部及自由区的特征点,混凝土浇筑施工期间均处于受拉状态,因施工期间环境温度较低,内外温差大,再加上越冬面与地基距离仅有1.5m,受到基础的约束较大,故温度应力相应较大。自由区浇筑施工主要在夏季进行,环境温度高,内部温度散失量非常小,再加上混凝土水化热温升的影响,内部温度较高,温度应力大[7-9]。

结合对该重力坝大体积混凝土浇筑施工期间各特征点η值的计算与分析,并结合表5中的判断依据,该重力坝强约束区底部存在较大的开裂风险,应作为防裂控制重点。

5 结 论

综上所述,温控防裂是碾压混凝土重力坝施工质量控制的要点之一。经过对影响碾压混凝土重力坝温度场及应力场控制的影响因素的分析看出,温控参数对坝体温度场影响较大,必须在施工方案设计及施工期间加强控制。该碾压混凝土重力坝坝体厚度大,内部混凝土温度场达到稳定状态耗时长;在夏季高温季节浇筑混凝土时浇筑部位温升高,必然形成高温区,在经历首个冬季时内外温差必然达到最大。此外,该重力坝强约束区底部存在较大的开裂风险,必须加强该部位温度控制,同时做好相应部位越冬的表面防护。