閱讀 5669 次 弄令水電站碾壓混凝土重力壩溫控仿真研究
摘要:論文根據(jù)弄另水電站碾壓混凝土重力壩的特點(diǎn),運(yùn)用有限元軟件對(duì)其溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力進(jìn)行仿真分析,建立了弄另水電站碾壓混凝土重力壩的有限元計(jì)算模型。...
弄令水電站碾壓混凝土重力壩溫控仿真研究
吳世然1 劉健康2
(1.中國(guó)水利水電第三工程局有限公司弄另項(xiàng)目部 679200 云南 德宏)
2.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司 710054 陜西 西安)
溫度差是引起大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因之一。水泥水化過程釋放能量,每克水泥可產(chǎn)生熱量500J左右,而混凝土導(dǎo)熱性能較差,當(dāng)內(nèi)外溫差產(chǎn)生的約束應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí),將導(dǎo)致裂縫。弄另水電站工程位于云南省西部的德宏州龍江~瑞麗江中段的梁河縣勐養(yǎng)鎮(zhèn)弄另村以東5km的干流上,是梯級(jí)開發(fā)規(guī)劃調(diào)整后的第12級(jí)電站。弄另水電站壩型為碾壓混凝土重力壩,壩體混凝土澆筑方量為35.06萬m3,由于混凝土澆筑量比較大,因此,需研究弄令水電站碾壓混凝土重力壩的溫控問題。
一、溫控仿真計(jì)算原理
由熱傳導(dǎo)理論知,混凝土內(nèi)部的三維非穩(wěn)定溫度場(chǎng) 應(yīng)滿足熱傳導(dǎo)方程及相應(yīng)的初始條件和邊界條件。
熱傳導(dǎo)方程

在初始瞬時(shí),
即時(shí),
(2)
在邊界上,滿足第一類邊界條件
即上,
(3)
在邊界
即,在
上,
(4)
為氣溫;
為已知邊界溫度。
二、溫控仿真計(jì)算模型的確定
根據(jù)大壩壩段分縫情況及各壩段結(jié)構(gòu)布置、工作特性等因素,本次計(jì)算研究采用的軟件為三峽大學(xué)自主開發(fā)的軟件FZFX3D,選取⑥(溢流壩段)、⑦(非溢流壩段)壩段作為計(jì)算代表性壩段,采用8接點(diǎn)6面體單元離散結(jié)構(gòu),其中⑥(溢流壩段)號(hào)壩段共劃分17873個(gè)單元、20958個(gè)節(jié)點(diǎn),壩體層厚為1m。壩基、上、下游方向計(jì)算深度取1.5倍的壩高(114m)。⑦(非溢流壩段)壩段共劃分有15757個(gè)單元,18256個(gè)節(jié)點(diǎn),壩體層厚為1m,壩基、上、下游方向計(jì)算范圍取1.5倍的壩高(92m)。具體模型圖1和圖2所示:


圖1 溢流壩段模型 圖2 非溢流壩段模型
三、溫控仿真計(jì)算邊界條件及初始條件的確定
大壩壩型為重力壩,且長(zhǎng)度方向遠(yuǎn)大于寬度方向,應(yīng)力計(jì)算時(shí),重點(diǎn)考慮順河向的水平約束應(yīng)力;溫度計(jì)算時(shí),主要考慮頂部散熱。壩體在澆筑過程中,邊界條件是不斷變化的,當(dāng)澆筑面與空氣接觸時(shí)用第三類邊界條件,當(dāng)澆筑面被上一層混凝土覆蓋時(shí),該面層又變?yōu)閮?nèi)部邊界。壩體澆筑過程中,壩體水位是變化的,當(dāng)與空氣接觸時(shí)為第三類邊界條件,當(dāng)與水接觸時(shí)為第一類邊界條件。碾壓混凝土的倉面很大,壩體絕大部分橫縫是切割出來的,縫面很窄,具有釋放應(yīng)力的效果,但可以作為絕熱邊界考慮,因此,在敏感性分析建模中,只考慮頂面與上下游邊界的吸熱與散熱功能。
四、弄另碾壓混凝土壩的仿真分析
根據(jù)弄另水電站設(shè)計(jì)單位任務(wù)書的要求,在4月下旬至10月中旬基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土澆筑溫度控制在18~20℃,非約束區(qū)允許澆筑溫度可提高1~2℃;其它時(shí)間可在自然氣溫下澆筑。對(duì)上下游表面采用導(dǎo)熱系數(shù)λs=0.16KJ/(m·h·℃),厚度h=2㎝的聚苯乙烯泡沫塑料板,表面放熱系數(shù)取β=7.26 KJ/(m2·h·℃)進(jìn)行保溫。由于4月下旬至五月底壩址區(qū)氣溫比較高,應(yīng)對(duì)入倉溫度降低到16℃,從六月初到10月中旬,采用入倉溫度為18℃,壩體施工采用夜間施工使倉面汽溫控制如表所示溫度,其它時(shí)間采用自然入倉(但壩體表面溫度不應(yīng)當(dāng)超過20℃)。從氣溫的日變化可以看到,壩址區(qū)氣溫在晚上1點(diǎn)到4點(diǎn)中是最低的,可以滿足混凝土澆筑對(duì)氣溫的要求,所以在4月下旬至10月中旬混凝土在晚上12點(diǎn)到早上5點(diǎn)進(jìn)行入倉碾壓,其他月份可控制在晚上10點(diǎn)到早上6點(diǎn)中碾壓。等碾壓完成后對(duì)整個(gè)大壩上、下游面新澆的混凝土用聚苯乙烯泡沫塑料板保溫,對(duì)倉面要用遮陽網(wǎng)進(jìn)行遮陽、噴霧、流水養(yǎng)護(hù),噴霧所用水就從壩底直接抽取。
通過軟件分析可以得到壩體施工過程中沿高程的最高溫度變化圖。溢流壩段的部分溫度第一主應(yīng)力云圖見 圖3~圖5。


圖3 2007年3月15日第一主應(yīng)力 圖4 2007年11月15日第一主應(yīng)力云圖

上述結(jié)果中,應(yīng)力取第一主應(yīng)力,單位為(102㎏/m2),從上面應(yīng)力結(jié)果可以看到在這個(gè)施工過程中,混凝土內(nèi)部和表面的應(yīng)力最大發(fā)生在澆筑快結(jié)束階段,其值約為1.015 MPa,均滿足混凝土應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。
非溢流壩段的部分溫度第一主應(yīng)力云圖見 圖7~圖9所示。


圖7 2007年3月15日第一主應(yīng)力云圖圖 圖 8 2007年11月15日第一主應(yīng)力云

圖9 2008年7月15日第一主應(yīng)力云圖
上述結(jié)果中,應(yīng)力取第一主應(yīng)力,單位為(102㎏/m2),從應(yīng)力結(jié)果可以看到在這個(gè)施工過程中,混凝土內(nèi)部和表面的應(yīng)力最大發(fā)生在剛開始澆筑階段,其值約為0.9 MPa,滿足混凝土應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。
五、弄另碾壓混凝土壩的仿真分析結(jié)論
(1)在澆筑初期,非基礎(chǔ)約束區(qū)與地基交界處壓應(yīng)力較大,拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在壩體表面下游側(cè)。
(2)隨著澆筑高程的增加,壓應(yīng)力逐漸從壩址轉(zhuǎn)移至壩踵,這是因?yàn)榇藭r(shí)自重產(chǎn)生的應(yīng)力逐漸顯著。
(3)對(duì)照應(yīng)力場(chǎng)分布,可發(fā)現(xiàn)高溫區(qū)對(duì)應(yīng)較大壓應(yīng)力。
(4)閘墩與溢流壩交界處拉應(yīng)力較大,這是由于閘墩采用混凝土標(biāo)號(hào)高,水化熱大,且閘墩比壩體薄,外界氣溫影響較大,另外交界處應(yīng)力集中。
六、弄另碾壓混凝土壩施工溫控措施
根據(jù)仿真分析的結(jié)果,對(duì)弄另碾壓混凝土壩的施工提出了科學(xué)的的溫控方案,以最大限度地降低混凝土的澆筑溫度,減小溫度應(yīng)力。
(1)弄另碾壓混凝土壩工程地處西南地區(qū),年平均氣溫較高,所以必須做好混凝土運(yùn)輸過程中以及施工過程中的遮陽和降溫措施。實(shí)施倉面覆蓋隔熱被和倉面噴霧。另外根據(jù)碾壓混凝土的自身特點(diǎn),建議采用斜層平推法施工,減少層間碾壓時(shí)間,從而減少溫度倒灌。
(2)弄另碾壓混凝土工程在4月下旬至10月中旬基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土澆筑溫度控制在18~20℃,非約束區(qū)允許澆筑溫度可提高1~2℃;其它時(shí)間可在自然氣溫下澆筑。
(3)另外,在氣溫驟降期間,對(duì)短齡期內(nèi)的結(jié)構(gòu)部位的混凝土表面進(jìn)行保溫,以降低內(nèi)外溫差。
參考文獻(xiàn)
1.張海峰,苗春. 《粉煤灰和礦粉雙摻技術(shù)在大體積混凝土工程中的應(yīng)用》[J].COAL ASH,2008.5:21~23.
2.胡新麗,董蕓,黃成顯. 《石灰石粉與粉煤灰雙摻在山口水電站碾壓混凝土中應(yīng)用的施工特性》[J].COAL ASH,2009.5:22~25.
3.崔邯龍,沈古成,韓袆霞,張亞鵬.《筒倉基礎(chǔ)大體積混凝土溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力仿真研究》[J].煤炭工程,2009.7:95~25. [M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2004.2.
4.方坤河,《碾壓混凝土材料、結(jié)構(gòu)與性能》[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2004.2.
5.水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料研究所,《大體積混凝土》[M].北京:水利電力出版社,1990.1.
6.朱伯芳,《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》[M].北京:中國(guó)電力出版社,1999.3.該成果獲2009年中國(guó)水電集團(tuán)公司科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
(本文來源:陜西省土木建筑學(xué)會(huì) 文徑網(wǎng)絡(luò):文徑 尹維維 編輯 劉真 審核)