臺(tái)風(fēng)暴雨季節(jié)混凝土壩施工期防裂措施研究

袁 敏 王碗琴 李 敏 虞 鴻 強(qiáng) 晟

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,南京 210098;2.浙江省水利水電技術(shù)咨詢(xún)中心,杭州 310020;3.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,杭州 310002)

浙江省地處我國(guó)東南沿海,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,受西北太平洋上副熱帶高壓活動(dòng)影響,夏季容易發(fā)生臺(tái)風(fēng)、暴雨等氣象災(zāi)害.臺(tái)風(fēng)暴雨過(guò)后,早齡期混凝土容易產(chǎn)生裂縫.這些大體積混凝土所產(chǎn)生的裂縫,起初絕大多數(shù)是表面裂縫,其中一部分后來(lái)會(huì)發(fā)展為深層或貫穿性裂縫,影響結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性[1-2].顯然,臺(tái)風(fēng)暴雨這樣的極端氣候是引起混凝土裂縫的重要原因,有必要研究怎樣避免這類(lèi)問(wèn)題的產(chǎn)生.

近年來(lái),研究人員對(duì)寒潮類(lèi)極端氣候條件下混凝土的溫度和應(yīng)力變化做了較多的研究.沈超明[3]等研究了寒潮突襲對(duì)混凝土薄板溫度應(yīng)力的影響.朱岳明[4]等針對(duì)壩體最不利長(zhǎng)間歇期倉(cāng)面和寒潮冷擊進(jìn)行了三維有限元仿真計(jì)算.楊平等[5-7]對(duì)寒冷地區(qū)混凝土壩的保溫措施方面進(jìn)行了研究,并提出了相關(guān)措施.常昊天等[8-9]對(duì)大壩混凝土表面越冬期的保溫措施進(jìn)行了分析模擬,達(dá)到了基本能保證壩體表面不產(chǎn)生溫度裂縫的效果.乜樹(shù)強(qiáng)等[10-12]針對(duì)高溫季節(jié)施工期的大體積混凝土,采取了表面保溫和水管冷卻的措施,達(dá)到了良好的防裂效果.但目前對(duì)于施工期防裂措施多為寒潮(即氣溫驟降)條件下的研究,而臺(tái)風(fēng)暴雨不僅可以使環(huán)境氣溫驟降,還會(huì)導(dǎo)致混凝土表面熱交換系數(shù)劇增,甚至在暴雨冷擊下可能使第三類(lèi)熱學(xué)邊界條件突變?yōu)榈谝活?lèi)熱學(xué)邊界條件,對(duì)混凝土表面極為不利.因此,本文選擇沿海地區(qū)某大(二)型水庫(kù)工程混凝土重力壩典型的4號(hào)岸坡壩段進(jìn)行有限元建模,考慮材料分區(qū)、澆筑分層等,采用三維有限元仿真計(jì)算程序[13-14]模擬該壩段在施工期多次遭遇典型臺(tái)風(fēng)暴雨時(shí)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的發(fā)展過(guò)程.最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),主要針對(duì)表面防雨和保溫提出相應(yīng)的溫控防裂措施,確保大壩的安全性.

1 基本理論

在計(jì)算域R內(nèi)任何一點(diǎn)處,不穩(wěn)定溫度場(chǎng)須滿(mǎn)足熱傳導(dǎo)連續(xù)方程,可表示為[1]:

式中,T為混凝土溫度(℃),a為導(dǎo)溫系數(shù)(m2/h),θ為絕熱溫升(℃),τ為齡期(d),t為時(shí)間(d).

混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變?cè)隽恐饕◤椥詰?yīng)變?cè)隽?、徐變?yīng)變?cè)隽俊囟葢?yīng)變?cè)隽?、干縮應(yīng)變?cè)隽亢妥陨w積應(yīng)變?cè)隽?可表示為[1]:

式中,{Δεen}為混凝土彈性應(yīng)變?cè)隽?{Δεcn}為徐變應(yīng)變?cè)隽?{ΔεTn}為溫度應(yīng)變?cè)隽?{Δεsn}為干縮應(yīng)變?cè)隽?{Δε0n}為自生體積應(yīng)變?cè)隽?

混凝土與水接觸時(shí),表面溫度等于已知的水溫,屬于第一類(lèi)邊界條件.混凝土表面溫度T是時(shí)間t的已知函數(shù),可表示為[1]:

式中,T為混凝土溫度(℃),t為時(shí)間(d).

在第三類(lèi)邊界條件中,混凝土表面在空氣中的放熱系數(shù)β的數(shù)值與風(fēng)速有關(guān),粗糙表面和光滑表面的放熱系數(shù)分別可表示為[1]:

粗糙表面:

光滑表面:

式中,β為表面放熱系數(shù)[kJ/(m2·h·℃)],va為風(fēng)速(m/s).當(dāng)風(fēng)速極大時(shí),第三類(lèi)邊界條件產(chǎn)生的效果與第一類(lèi)邊界條件非常相似.

2 基本資料

2.1 工程概況

某大(二)型水庫(kù)工程位于浙江省臺(tái)州市境內(nèi),由攔河壩、泄水建筑物、放空建筑物、發(fā)電引水建筑物、發(fā)電廠房及升壓站等建筑物組成,總庫(kù)容1.26億m3,水電裝機(jī)容量5 000 k W,輸水線(xiàn)路總長(zhǎng)28.39 km.攔河壩為常態(tài)混凝土重力壩,最大壩高73 m,壩頂寬度7 m,最大底寬65.5 m,壩頂長(zhǎng)度260 m,壩體設(shè)橫縫,分14個(gè)壩段,其中非溢流壩段12個(gè),溢流壩段2個(gè).

2.2 水文與氣象資料

該水庫(kù)工程流域地處亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū),全年季節(jié)變化明顯,氣候溫和,雨量充沛.降水量年內(nèi)分配不均勻,多集中于梅雨和臺(tái)風(fēng)季節(jié).據(jù)1961～2004年資料統(tǒng)計(jì),多年平均氣溫17.3℃,極端最高氣溫41.3℃(2003年7月),極端最低氣溫-9.9℃(1980年2月5日).多年平均風(fēng)速1.5 m/s,實(shí)測(cè)定時(shí)最大風(fēng)速19 m/s,出現(xiàn)在1997年8月.夏秋季本地常受副高壓脊控制,降水主要為臺(tái)風(fēng)暴雨和局部雷陣雨.受臺(tái)風(fēng)和熱帶風(fēng)暴影響的時(shí)間大多集中在7月下旬至9月下旬.臺(tái)風(fēng)暴雨不僅降水量大,而且比較集中,強(qiáng)度較大.壩址區(qū)多年月平均氣溫見(jiàn)表1,擬合成余弦曲線(xiàn)公式為

式中,Ta為氣溫(℃);t為時(shí)間,以月計(jì).

表1 壩址區(qū)多年月平均氣溫

2.3 主要熱力學(xué)參數(shù)

根據(jù)工程資料,基巖為微風(fēng)化或新鮮的流紋質(zhì)含角礫凝灰?guī)r,骨料亦是流紋質(zhì)含角礫凝灰?guī)r,混凝土和地基主要熱力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 混凝土和地基熱力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型

4號(hào)壩段為岸坡壩段,有限元網(wǎng)格模型如圖1所示,有限元模型的單元總數(shù)為87 980個(gè),節(jié)點(diǎn)總數(shù)為97 983個(gè).

圖1 有限元網(wǎng)格模型示意圖

在溫度場(chǎng)仿真計(jì)算時(shí),假定壩基礎(chǔ)底面及四周均為絕熱邊界,其它面為熱量交換邊界(第三類(lèi)熱學(xué)邊界條件),壩體橫縫面為絕熱邊界,廊道封頂后為絕熱邊界.在應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算時(shí),假定基礎(chǔ)底面為鉸支座,四周為鏈桿支撐,壩體結(jié)構(gòu)的臨空面均自由.

3.2 澆筑進(jìn)度

根據(jù)施工計(jì)劃,澆筑層共分為21層,第一塊混凝土蓋重層澆筑時(shí)間為2017年12月20日,高程為301.5 m,最后一塊混凝土澆筑時(shí)間為2018年12月28日,高程為350.5 m.強(qiáng)約束區(qū)墊層混凝土間歇期30 d,夏季澆筑的第14層,間歇期90 d,秋季澆筑的第18層間歇期90 d,其它澆筑層間歇期均為10 d.強(qiáng)約束區(qū)澆筑層厚均為1.5 m,弱約束區(qū)和非約束區(qū)澆筑層厚均為3.0 m.

3.3 特征點(diǎn)和水管布置圖

為了顯示典型關(guān)鍵位置的溫度和應(yīng)力隨齡期的發(fā)展歷時(shí)過(guò)程,選取壩體高程為337.9 m,拉應(yīng)力較大處的特征點(diǎn)1、2、3作為典型特征點(diǎn)進(jìn)行分析,其中特征點(diǎn)1是壩體上游表面點(diǎn),特征點(diǎn)2是壩體倉(cāng)面點(diǎn),特征點(diǎn)3是壩體下游表面點(diǎn).冷卻水管采用離散型水管,具體通水流量、通水時(shí)間、水管密度布置可參考結(jié)論與建議,水管布置圖如圖2所示.

圖2 特征點(diǎn)和水管布置示意圖

3.4 主要計(jì)算工況和結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)有的環(huán)境、材料、結(jié)構(gòu)、施工4個(gè)方面的信息,為研究臺(tái)風(fēng)暴雨氣候下對(duì)不同齡期壩體應(yīng)力的影響,在兩個(gè)澆筑長(zhǎng)間歇期一共模擬6次臺(tái)風(fēng)暴雨潮過(guò)境,分別在2次長(zhǎng)間歇倉(cāng)面的齡期3 d、14 d、60 d到來(lái),模擬臺(tái)風(fēng)暴雨惡劣天氣持續(xù)2～10 d不等.臺(tái)風(fēng)暴雨期間臨空面按照第三類(lèi)邊界條件考慮,表面散熱系數(shù)很大,與第一類(lèi)邊界條件的模擬效果類(lèi)似.仿真計(jì)算期望達(dá)到的防裂安全系數(shù)為1.5.

臺(tái)風(fēng)暴雨工況1:由工程資料知該施工地區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨期間最大風(fēng)速為19 m/s,臺(tái)風(fēng)暴雨期間壩體無(wú)防雨和保溫措施,因混凝土拆模后表面為光滑,臨空面散熱系數(shù)按光滑表面取6 052 kJ/(m2·d·℃),日均氣溫驟降10℃.

臺(tái)風(fēng)暴雨工況2:在工況1基礎(chǔ)上,臺(tái)風(fēng)暴雨期間嘗試對(duì)壩體進(jìn)行防雨和保溫,散熱系數(shù)為60 kJ/(m2·d·℃).

臺(tái)風(fēng)暴雨工況3:在工況2基礎(chǔ)上對(duì)13層、17層上下游面冬季繼續(xù)進(jìn)行保溫,散熱系數(shù)為60 kJ/(m2·d·℃).

本文給出第2次長(zhǎng)間歇面上(即特征點(diǎn)1～3所在的倉(cāng)面,高程為337.9 m)遭遇臺(tái)風(fēng)暴雨時(shí)的結(jié)果.圖3～4是特征點(diǎn)1、2、3各個(gè)工況的溫度和第一主應(yīng)力歷時(shí)曲線(xiàn)對(duì)比圖,圖5～6是壩體高程為337.9 m處遭遇臺(tái)風(fēng)暴雨時(shí)第一主應(yīng)力最大時(shí)刻3個(gè)工況對(duì)應(yīng)的溫度云圖和應(yīng)力云圖.

圖3 特征點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線(xiàn)對(duì)比圖

圖4 特征點(diǎn)第一主應(yīng)力歷時(shí)曲線(xiàn)對(duì)比圖

圖5 各工況中表面拉應(yīng)力最大時(shí)刻的溫度云圖

圖6 各工況中表面拉應(yīng)力最大時(shí)刻的第一主應(yīng)力云圖

對(duì)臺(tái)風(fēng)暴雨3種工況進(jìn)行結(jié)果分析.

工況1:由歷時(shí)曲線(xiàn)圖和云圖可以看出,當(dāng)齡期3 d出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)暴雨,對(duì)新澆筑混凝土各表面點(diǎn)影響巨大,所有特征點(diǎn)均因溫度下降應(yīng)力陡增.主要是因?yàn)榛炷燎? d水化產(chǎn)熱劇烈,溫度較高,與外界氣溫存在較大的溫差.當(dāng)臺(tái)風(fēng)暴雨到來(lái)時(shí),除了環(huán)境氣溫驟降外,臺(tái)風(fēng)和暴雨還導(dǎo)致混凝土表面散熱系數(shù)很大,所以導(dǎo)致混凝土表面溫度降幅很大,使得內(nèi)外溫差進(jìn)一步劇增,特征點(diǎn)1、2、3最大內(nèi)外溫差分別為38.2℃、35.1℃、37.4℃,最大拉應(yīng)力分別為3.4 MPa、3.3 MPa、2.8 MPa(齡期60 d以?xún)?nèi)),最大拉應(yīng)力均超過(guò)當(dāng)時(shí)的C25、C15、C20混凝土的抗拉強(qiáng)度.齡期14d的臺(tái)風(fēng)暴雨對(duì)上游(C25混凝土)和下游(C20混凝土)第一主應(yīng)力影響已經(jīng)較小,但是從特征點(diǎn)2(C15混凝土)第一主應(yīng)力歷時(shí)曲線(xiàn)對(duì)比圖來(lái)看,在齡期14 d出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)暴雨時(shí)應(yīng)力均超標(biāo);齡期60 d以后遇到臺(tái)風(fēng)暴雨時(shí),C25可以抵御不超過(guò)15℃的溫降,C15和C20可以抵御不超過(guò)10℃的溫降.

工況2:由歷時(shí)曲線(xiàn)圖和云圖可以看出,采取防雨和保溫措施后,混凝土內(nèi)外溫差減小,臺(tái)風(fēng)暴雨期間特征點(diǎn)1、2、3最大內(nèi)外溫差分別為25.4℃、18.9℃、23.3℃,最大拉應(yīng)力分別為1.7 MPa、1.2 MPa、1.9 MPa(齡期60 d以?xún)?nèi)),最大拉應(yīng)力均低于當(dāng)時(shí)的C25、C15、C20混凝土的抗拉強(qiáng)度.但是工況2的計(jì)算結(jié)果顯示由于早齡期保溫過(guò)厚,混凝土溫度峰值很高,導(dǎo)致后期溫降幅度過(guò)大,后期特征點(diǎn)1、2、3最大溫度降幅分別為37.5℃、23.2℃、36.9℃,最大拉應(yīng)力分別為3.4 MPa、1.0 MPa、3.7 MPa(齡期60 d以后),在冬季時(shí)上下游表面點(diǎn)拉應(yīng)力明顯超標(biāo).

工況3:在上游面、下游面冬季繼續(xù)采取保溫措施后,混凝土后期溫度降幅減小,后期特征點(diǎn)1、2、3最大溫度降幅分別為27.8℃、22.8℃、27.3℃,最大拉應(yīng)力分別為1.1 MPa、0.9 MPa、1.4 MPa(齡期60 d以后),雖然防裂安全系數(shù)仍較小,但下游各區(qū)域的拉應(yīng)力均已低于抗拉強(qiáng)度.

4 結(jié)論和建議

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看,臺(tái)風(fēng)暴雨對(duì)早齡期混凝土表面影響很大,采取防雨和保溫措施可以減小內(nèi)外溫差,從而減小拉應(yīng)力,防止表面裂縫產(chǎn)生.臺(tái)風(fēng)暴雨季節(jié)具體溫控防裂措施建議如下:

1)夏季澆筑的上游混凝土(C25)和下游混凝土(C20)內(nèi)部水管布置密度為0.8 m×0.8 m,C15混凝土中水管布置密度為1.2 m×1.2 m.混凝土溫度峰值前冷卻水流量不低于3.0 m3/h,溫度峰值后減小流量,通水30 d,控制混凝土內(nèi)溫降速率不高于1.0℃/d.

2)臺(tái)風(fēng)暴雨導(dǎo)致氣溫驟降期間,不同的降溫幅度與不同的混凝土標(biāo)號(hào)、齡期所對(duì)應(yīng)的保溫材料厚度不同.為了防雨,建議保溫被外覆蓋一層塑料薄膜.為了保溫措施的簡(jiǎn)單易行,在計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),如遇氣溫降幅為10℃左右的臺(tái)風(fēng)暴雨情況,對(duì)于齡期30 d內(nèi)的混凝土建議覆蓋1層(3 cm厚)的保溫被;如遇氣溫降幅為15℃以上的臺(tái)風(fēng)暴雨情況,對(duì)于齡期60 d內(nèi)的混凝土建議覆蓋2層(3 cm厚)的保溫被.如果天氣預(yù)報(bào)7 d內(nèi)會(huì)有氣溫驟降超過(guò)10℃的天氣出現(xiàn),建議不澆筑新混凝土.

3)為了避免保溫材料被臺(tái)風(fēng)吹走,EPE大壩保溫被可以木條和鋼釘固定于壩面上,注意相鄰卷材之間至少有20 cm的搭接長(zhǎng)度,如果橫縫面為臨空面,也采用與上下游面相同的保溫措施.

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