碾壓混凝土重力壩施工期開裂問題研究

鄭義俊

(江西省水投建設(shè)集團有限公司,南昌 330001)

0 引 言

碾壓混凝土水泥用量小、絕熱溫升低,但與常態(tài)混凝土在施工工藝、材料特性、散熱條件等方面均存在明顯差異。結(jié)合類似工程經(jīng)驗,碾壓混凝土拉極限拉伸、早期抗拉強度均比常態(tài)混凝土低,抗裂性能也較差。碾壓混凝土重力壩施工時一般不設(shè)縱縫,基礎(chǔ)溫差和上下層溫差引發(fā)的應(yīng)力較大;再加上碾壓混凝土發(fā)熱歷時長,缺少中期通水冷卻,自然散熱差,壩內(nèi)高溫持續(xù)存在,壩體溫度場必須經(jīng)歷較長時間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此外,碾壓混凝土抗拉性能及層面剪切性能均較差,均容易引發(fā)水平層面裂縫的出現(xiàn)。水庫蓄水后,壩體混凝土溫度仍較高,壩體上游面接觸低溫庫水后必然產(chǎn)生拉應(yīng)力,促使施工過程中出現(xiàn)的各類表面裂縫進(jìn)一步擴展為劈頭裂縫,危及大壩運行安全?？梢?分析碾壓混凝土重力壩施工期溫度裂縫發(fā)生機理,進(jìn)而采取有效措施預(yù)防裂縫的發(fā)生,對于重力壩結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制及安全運行意義重大。

1 工程概況

某水電站壩址以上集水面積14.9640×104km2,壩址多年流量均值為1008m3/s;水庫庫容0.49×108m3,沖淤平衡后的調(diào)節(jié)庫容為16.45×104m2,正常蓄水位3439m。電站裝機容量4×660MW,設(shè)計出力169.98MW。水電站攔河壩為碾壓混凝土重力壩,壩段長320m,底寬103.5m,頂寬92.0m,壩高125m;上游面豎直設(shè)立,下游面存在1∶0.7的坡度;底部設(shè)置厚度為3.0m的常態(tài)混凝土墊層,其余部位全部采用C20碾壓混凝土。壩體混凝土總設(shè)計方量為173.46×104m3;共劃分成15個壩段施工;壩體設(shè)置5個長×寬為11m×17m的泄洪表孔,1個長×寬為5m×8m的泄洪底孔及4個進(jìn)水口。

2 模型構(gòu)建

2.1 模擬范圍

以該水電站碾壓混凝土攔河重力壩8#溢流壩段為典型壩段,該壩段設(shè)計高度90.9m,在展開重力壩施工期開裂問題分析時,將壩體和地基視為整體,有限元模擬范圍為地基深度180m,壩踵向上游延伸125m,壩趾向下游延伸130m;橫河向?qū)挾葹?個壩段寬。通過8節(jié)點等參實體單元展開有限元模型離散,并將壩基和壩體共劃分成40026個單元及48741個節(jié)點?；鶐r及壩體混凝土物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。壩段溫度場計算時以基巖底面和側(cè)面為絕熱面,以基巖頂面及與大氣接觸面為散熱面;應(yīng)力場計算時基巖底面三向為全約束形式,下游面及左右側(cè)面為法向單約束,壩體頂面、側(cè)面及上游面為自由面[1]。

表1 基巖及壩體混凝土物理力學(xué)參數(shù)取值

2.2 溫控措施及標(biāo)準(zhǔn)

該水電站碾壓混凝土重力壩于2019年11月開始澆筑施工,12月～次年2月停工,3月恢復(fù)澆筑施工。強約束區(qū)澆筑層厚度為1.5m,其余部位澆筑層厚3.0m;壩體上下游拆模后必須覆蓋5cm厚聚苯乙烯保溫板養(yǎng)生。強、弱約束區(qū)4～10月澆筑溫度≤12℃,11～次年3月≥5℃;自由區(qū)4～10月澆筑溫度≤18℃,11～次年3月≥5℃;冷卻水管按照1.5m×1.5m的間距設(shè)置,一期通水溫度為10℃,持續(xù)冷卻25d,冷卻水設(shè)計流量1.6m3/h。

結(jié)合《大體積混凝土溫度測控技術(shù)規(guī)范》及相關(guān)分析成果,該碾壓混凝土重力壩典型壩段基礎(chǔ)溫差及最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)見表2,混凝土上下層溫差及內(nèi)外溫差均≤15℃。

表2 重力壩典型壩段溫度控制措施

2.3 隨機變量

該水電站重力壩大體積混凝土溫度裂縫主要受以下因素影響:環(huán)境溫度、施工方案、混凝土水化熱溫升、入模溫度、混凝土性能參數(shù)、幾何尺寸、收縮徐變等。結(jié)合工程實際及模型情況,以壩體彈性模量、放熱及導(dǎo)熱系數(shù)、水化熱溫升、抗拉強度、施工環(huán)境溫度等為溫度應(yīng)力場模擬過程中的隨機變量,取值情況見表3。

表3 溫度應(yīng)力場模擬隨機變量取值情況

考慮到工程應(yīng)用過程中隨機有限元法計算過程存在很大的不確定性,計算程序較為復(fù)雜,故商業(yè)應(yīng)用程序較少[2]。為此,筆者提出通過正交試驗展開參數(shù)波動程度模擬,并借助確定性有限元分析近似推求隨機有限元結(jié)果的思路,以揭示重力壩隨機溫度場及應(yīng)力場分布情況[3]。按照正交試驗過程,在抗拉強度以外選擇5個隨機變量,各變量分別按μ-σ、μ、μ+σ取值,其中μ為變量均值,σ為變量標(biāo)準(zhǔn)差;借助SPSS軟件正交設(shè)計模塊模擬各變量波動程度,正交試驗變量取值水平見表4,按照該表所示展開隨機場計算。

表4 正交試驗因素取值水平

3 隨機溫度場及應(yīng)力場分析

3.1 隨機溫度場

按照以上所確定出的正交試驗方案展開碾壓混凝土重力壩隨機溫度場三維有限元數(shù)值模擬,得出典型壩段混凝土澆筑265d、319d、437d、532d后的典型時刻壩體溫度場均值及標(biāo)準(zhǔn)差。根據(jù)結(jié)果,剛開始澆筑時混凝土溫度較高,隨著壩體高程的升高,溫度呈降低趨勢;施工結(jié)束時,強約束區(qū)混凝土平均溫度為18℃。因為大體積混凝土散熱條件差,再加上混凝土水化熱溫升的影響,導(dǎo)致壩體外部溫度低,內(nèi)部溫度高。

在影響溫度場變化的諸多隨機變量中,環(huán)境溫度及水化熱溫升的隨機性影響最顯著,因內(nèi)部混凝土散熱緩慢,在與外界熱交換過程中水化熱溫升的降低幅度并不明顯;再加上并未在內(nèi)部混凝土間歇面設(shè)置保溫措施。故內(nèi)部混凝土溫度場具有較大的標(biāo)準(zhǔn)差,越往混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部,溫度場標(biāo)準(zhǔn)差越大,最大為5℃。相反,如果對表面混凝土實施溫控,以降低外界環(huán)境對表面混凝土溫度場的影響,水化熱溫升必然減弱,表面混凝土溫度場均值必然比內(nèi)部混凝土低;同時水化熱溫升及外界溫度的影響也會大大降低。通過以上分析可以看出,大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度均值及標(biāo)準(zhǔn)差均比表面混凝土大;文章所提出的借助確定性有限元分析近似推求隨機有限元結(jié)果的思路科學(xué)合理[4-6]。

模擬結(jié)果還表明,重力壩大體積內(nèi)部混凝土隨機溫度場均值及標(biāo)準(zhǔn)差極值均主要出現(xiàn)在混凝土低齡期,所對應(yīng)的水化熱溫升隨機性較大。此后隨著齡期的增長,水化熱反應(yīng)逐漸完成,水化熱溫升隨機性對混凝土溫度場的影響也持續(xù)減弱,標(biāo)準(zhǔn)差持續(xù)減小。壩體表面混凝土因受到環(huán)境溫度作用而表現(xiàn)出周期性變化,其標(biāo)準(zhǔn)差與環(huán)境溫度標(biāo)準(zhǔn)差存在較好的相關(guān)性。

3.2 隨機應(yīng)力場

按照與隨機溫度場分析相同的操作,以8#典型壩段大體積混凝土澆筑265d、319d、439d、523d為典型時刻,進(jìn)行壩體應(yīng)力場均值及標(biāo)準(zhǔn)差模擬。根據(jù)隨機應(yīng)力場分布云圖,壩體拉應(yīng)力均值最大值主要出現(xiàn)在強約束區(qū)及自由區(qū)冬季停工面周圍;出現(xiàn)在強約束區(qū)的原因主要在于受結(jié)構(gòu)自重及溫度荷載的影響,壩體底部基巖強約束作用引起較大的拉應(yīng)力;出現(xiàn)在冬季停工區(qū)的原因主要在于較大的內(nèi)外溫差。此外,表面混凝土散熱良好,其應(yīng)力值與環(huán)境溫度較好相關(guān);待大壩澆筑至256d及319d時恰好為7月和9月,環(huán)境溫度較高,表面混凝土溫度隨之升高,大壩也相應(yīng)處于受壓狀態(tài);而當(dāng)壩體混凝土澆筑至437d及532d時,恰逢1月和4月,環(huán)境溫度低,結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差大,表面混凝土拉應(yīng)力升高。

重力壩內(nèi)部強約束區(qū)混凝土澆筑施工時間為低溫季節(jié),在內(nèi)外部溫差及基礎(chǔ)約束的綜合作用下處于受拉狀態(tài);待弱約束區(qū)澆筑施工時,環(huán)境氣溫逐漸升高,混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外部溫差增大,基礎(chǔ)約束作用持續(xù)降低,結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)而處于受壓狀態(tài);該重力壩工程非約束區(qū)混凝土澆筑施工大多安排在低溫季節(jié),內(nèi)外溫差易于產(chǎn)生拉應(yīng)力。

隨著混凝土澆筑施工時間的推移,壩體內(nèi)部應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差呈減小趨勢,最小值達(dá)到0.2MPa。通過分析原因看出,溫度場隨機性對應(yīng)力場隨機性影響較大;在施工開始之初,混凝土溫度場隨機性較為明顯,環(huán)境溫度及水化熱溫升均表現(xiàn)出明顯的波動;此后隨著時間推移,水化熱溫升消散后溫度場隨機性也大大降低,應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差減小?？傊?拉應(yīng)力較大的壩體位置必然對應(yīng)較大的標(biāo)準(zhǔn)差,混凝土開裂風(fēng)險也較大[5]。

3.3 壩體溫度分布規(guī)律

重力壩壩體澆筑至最大高程時,壩段中剖面溫度分布情況見圖1。

圖1 澆筑至最大高程時中剖面等值線圖

由圖1可知,壩體澆筑完成時,從壩底開始往上,溫度逐漸增大,并在中上部形成高溫區(qū),溫度最高達(dá)到34.0℃;底部強弱約束區(qū)溫度最高為24.2℃和26.7℃,均未超出高溫控制標(biāo)準(zhǔn)。通過分析高溫形成的原因看出,上部高溫區(qū)為自由區(qū),混凝土澆筑層較厚,澆筑溫度高;澆筑施工在夏季高溫季節(jié)進(jìn)行,冷卻強度相對較弱,無法及時削減內(nèi)部混凝土溫度。

根據(jù)該碾壓混凝土重力壩最高溫度包絡(luò)圖,見圖2,高溫區(qū)位于壩體中上部,最高溫度達(dá)34.7℃;低溫區(qū)則位于強弱約束區(qū)交界處,最低溫度為24.2℃。各部位最高溫度均符合《碾壓混凝土壩設(shè)計規(guī)范》中最高溫控標(biāo)準(zhǔn)。壩體上部混凝土澆筑溫度比較高,澆筑施工也安排在高溫季節(jié),因冷卻水強度較低,導(dǎo)致混凝土最高溫持續(xù)升高,并形成壩體上部高溫區(qū)。強弱約束區(qū)交界處混凝土在冬季澆筑,環(huán)境溫度與最高溫升均較低,因而形成低溫區(qū)。

圖2 最高溫度包絡(luò)線圖

4 重力壩開裂分析

既有研究成果大多通過混凝土拉應(yīng)力與抗拉強度的比值η展開開裂風(fēng)險評價,具體等級劃分情況見表5。

表5 混凝土開裂風(fēng)險分級

文章也主要通過混凝土拉應(yīng)力與抗拉強度比值η展開重力壩混凝土開裂風(fēng)險評價。根據(jù)基礎(chǔ)強約束區(qū)底部、弱約束區(qū)底部及自由區(qū)內(nèi)外特征點開裂風(fēng)險過程線,可以看出,位于強弱約束區(qū)上部的特征點在整個混凝土澆筑施工過程中均處于受壓狀態(tài),幾乎無壓應(yīng)力出現(xiàn),故其出現(xiàn)開裂的風(fēng)險非常小。而位于強約束區(qū)底部及自由區(qū)的特征點,混凝土澆筑施工期間均處于受拉狀態(tài),因施工期間環(huán)境溫度較低,內(nèi)外溫差大,再加上越冬面與地基距離僅有1.5m,受到基礎(chǔ)的約束較大,故溫度應(yīng)力相應(yīng)較大。自由區(qū)澆筑施工主要在夏季進(jìn)行,環(huán)境溫度高,內(nèi)部溫度散失量非常小,再加上混凝土水化熱溫升的影響,內(nèi)部溫度較高,溫度應(yīng)力大[7-9]。

結(jié)合對該重力壩大體積混凝土澆筑施工期間各特征點η值的計算與分析,并結(jié)合表5中的判斷依據(jù),該重力壩強約束區(qū)底部存在較大的開裂風(fēng)險,應(yīng)作為防裂控制重點。

5 結(jié) 論

綜上所述,溫控防裂是碾壓混凝土重力壩施工質(zhì)量控制的要點之一。經(jīng)過對影響碾壓混凝土重力壩溫度場及應(yīng)力場控制的影響因素的分析看出,溫控參數(shù)對壩體溫度場影響較大,必須在施工方案設(shè)計及施工期間加強控制。該碾壓混凝土重力壩壩體厚度大,內(nèi)部混凝土溫度場達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)耗時長;在夏季高溫季節(jié)澆筑混凝土?xí)r澆筑部位溫升高,必然形成高溫區(qū),在經(jīng)歷首個冬季時內(nèi)外溫差必然達(dá)到最大。此外,該重力壩強約束區(qū)底部存在較大的開裂風(fēng)險,必須加強該部位溫度控制,同時做好相應(yīng)部位越冬的表面防護(hù)。