溪洛渡导流洞衬砌混凝土温控防裂研究.pdf
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1、第31 卷 第1 2期 2 0 1 4年 1 2月 长江科学院 院报 J o u r n a l o f Ya n g t z eR i v e r S c i e n t i fi cRe s e a r c hI n s t i t u t e V0 1 31 No 1 2 De c 2 O 1 4 D OI : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 5 4 8 5 2 0 1 4 1 2 0 2 0 溪洛渡导流洞衬砌混凝土温控防裂研究 李盛青, 敖昕, 李锋 ( 长江勘测规划设计研究院, 武汉4 3 0 0 1 0) 摘要: 溪洛渡水电站导流洞衬砌混凝土在施工初期出
2、现了部分裂缝, 在弹性徐变温度应力计算原理基础上 , 采用 A N S Y S有限元程序, 模拟实际施工过程, 对导流洞衬砌混凝土温度和温度应力进行了三维有限元仿真分析。根据 计算分析结果, 认为衬砌结构产生裂缝的原因主要有混凝土温升高、 温降快、 养护措施不当、 洞内气温过低、 围岩强 约束等, 最后提出了满足温控防裂要求的温度控制措施和方案。提出的优化配合比、 洒水养护、 分缝分块以及冬季 封洞保温等温控措施 , 在导流洞衬砌混凝土后期施工中得到采用 , 有效地防止了裂缝的进一步发展。 关键词: 导流洞; 衬砌混凝土 ; 裂缝; 温控 ; 溪洛渡水电站 中图分类号 : T V 5 4 J4
3、 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 4 ) 1 20 0 9 7 0 4 1 研究背景 溪洛渡水电站导流洞衬砌施工过程 中, 在已浇 筑 的底板混凝土中发现 了一定数量 的裂缝 , 裂缝长 度从0 6 至1 2 0 m不等 , 宽度在0 0 1 0 3 m m之间 , 部分裂缝深度达到0 5 1 T I 。 为了找到导流洞底板产生裂缝的原 因, 同时研 究进一步采取综合温控 防裂措施 的有效性 和合理 性 , 本文在对现场实测资料进行分析的基础上 , 采用 三维有限元法模拟实际施 工过程与温控措施 , 进行 混凝土温度和温度应力仿 真计算 , 分
4、析裂缝产生的 原因, 并通过多方案的综合研究分析, 提出能有效防 止温度裂缝产生的合理温控方案 , 供今后导流洞衬 砌混凝土施工参考采用。 国内外学者针对导流洞混凝土温控防裂问题进 行了深入研究 : 徐运汉对小 浪底导流洞混凝土衬 砌裂缝成 因进行了分析并对裂缝处理方案进行 了研 究 ; 周睿等 采用三维有限元方法对小浪底 导流洞 混凝土衬砌 的温度场和徐变温度应力进行 了模拟 ; 苏华祥等 分析了深溪沟导流洞裂缝 产生的原 因, 并提出了相应处理措施 ; 李凤玉 对长河坝导流洞 混凝土裂缝开展研究提出详细处理方案。但是这些 研究对于裂缝产生原 因一般偏重于定性分析, 而有 限元仿真计算仅主要
5、用于设计阶段温控防裂措施的 拟定。本文以溪洛渡导流洞工程为例 , 根据产生裂 缝洞段 的实际施工情况 , 模拟实际施工时 的各种边 界条件和温控参数进行仿 真计算 , 根据计算得出的 施工期温度应力情况 , 分析裂缝产生 的原因并提 出 对策。 2基本资料和参数 2 1 气温 根据导流洞内施工 时实测气温资料 ( 最低气温 不低 于 1 3 ) 和溪洛渡中心气象站资料以及隧洞 内 气温变化的实际特点 , 拟定导流洞内气温表达式为 T a = 2 0 + 7 c o s ( 一 2 1 o ) 】 。 2 2混凝土热学、 力学和变形性能 根据溪洛渡导流洞混凝 土性能试验成果 , 混凝 土热学 、
6、 力学性能指标分别列于表 1和表 2 。 表 1 导流洞混凝土热学参数计算值 Ta bl e 1 The r ma l pa r a m e t er s o f c onc r e t e i n t h e d i v e r s i o n t unne l 注 : n值表示 0 5倍水化热绝热温升时的龄期 。 收稿 日期 : 2 0 1 4 0 70 8; 修 回日期: 2 0 1 4 0 81 4 作者简介 : 李盛青( 1 9 7 2一) , 男 , 湖南娄底人 , 高级工程师, 主要从事水利水 电规划设计和水电工程方面的研究 , ( 电话) 0 2 7 8 2 8 2 9 2 0
7、 5( 电子 信箱 ) 3 2 8 0 8 5 7 7 5 q q c o rn。 9 8 长江科 学院 院报 表 2混凝土强度及弹性模量 Ta b l e 2 S t r e n g t h a n d mo d u l us o f e l a s t i c i t y o f c o n c r e t e 3 衬砌 混 凝 土 裂缝 产 生 原 因仿真 计 算分析 3 1 有限元计算模型及边界条件 通过对导流洞衬砌混凝土结构特点分析 , 发现 其几何形状 、 荷载和约束条件在温度场和应力场计 算中都具有对称性 。为简化计算起见 , 按照对称条 件截取计算对象 。将衬砌段沿洞轴线方向铅
8、直截开 后 , 再沿中央横断面截开 , 取整个衬砌段的 1 4进行 计算 , 围岩厚度按 3倍洞径考虑 , 有限元计算模型及 衬砌结构横断面图参见图 1 。 ( a ) 有 限兀计算模型 ( b ) 衬砌结构横断 面图 图 1 导流洞混凝土衬砌有 限元 网格模型 与衬砌横断面 Fi g 1 F i n i t e e l e me n t m e s h e s a n d c r o s s - s e c t i o n o f t he c o nc r e t e l i ni ng o f di v e r s i o n t unne l 衬砌段的结构对称面在温度场计算 中按绝热边
9、 界考虑, 属于第二类热学边界条件, 在应力场计算 中 对该表面的垂直方向进行位移约束; 计算对象中围岩 外边界距离衬砌段较远, 按绝热边界条件和全约束力 学边界条件考虑 ; 拆模前导流洞衬砌段混凝土表面的 等效放热系数取1 8 5 ( m h ) , 拆模后考虑风速 影响 , 混凝土表面放热系数取3 0 0 k J ( m h ) , 在拆模后用蓄水养护时 , 有蓄水养护的表面与水接触 时放热系数取1 2 0 0 0 k j ( m h ) , 这些边界属于 第三类热学边界条件。 温度场计算时, 浇筑层的初始温度为浇筑温度 , 围岩的初始温度为地温。应力场计算时 , 须先确定 参考温度场即应
10、力为 0时 的初始温度场 , 对于混凝 土结构 , 取浇筑温度为参考温度。 3 2实际施工工况计算分析 为了找到导流洞衬砌混凝土裂缝产生的原因 , 对产生裂缝部位按实际施工工况进行温度及温度应 力仿真模拟计算 。实际浇筑工况条件为 : 9月 2 9日 开始浇筑底板 , 混凝 土浇筑温度为 2 7 c IC, 底板 浇筑 完成 3 1 d后 , 开始浇筑边顶拱 , 开浇后 3 d拆模 , 浇 筑混凝 土表 面 采取 蓄水 养 护 7 d ; 底 板 昆凝 土 为 C 4 0 , 边顶拱混凝土为 C 3 0 。 3 2 1 实际施工工况温度计算结果 从温度仿真计算结果来看 , 衬砌混凝土浇筑后 ,
11、 早期温度场迅速升高 , 底板 中央最高温度达5 1 0 , 底板、 边墙 、 顶拱 出现时间均 为 2 d ( 温度峰值分别 为5 1 0 , 4 6 5 , 4 6 4 C) 。拆模后 , 由于表面蓄水养护 的作用 , 温降速率 随之 增大 , 表 面温降 曲线 明显 变 陡。计算显示 , 在拆模后 1 d内, 表面温度迅速 由接 近最 高 温 度 降 低 到 接 近 表 面 流水 水 温 , 温 降 达 2 1 O C, 在表面蓄水养护期 间, 表面温度基本保持在 养护水温附近。浇后约一个月 , 衬砌表面温度 已基 本趋 同于洞 内气温 , 开始 随气 温作周期性 ( 年 ) 变 化 ,
12、 衬砌混凝土施工期温度应力历时曲线见 图2 。 60 一 底板表面 底板 中间 底板围岩侧 : : =,= : : 一 。 ;=;j : 一 2o := : 一 。 ; 。;: =; 一 一 1 0 矿砖 而 丽 0 时 司, d 图 2 实际施工工况底板中央断面代表点 温度历时 曲线 F i g 2 T i me - h i s t o r y c u r v e s o f t e m p e r a t ur e a t r e pr e s e nt ative po i nt s o n c e nt r a l s e c t i o n o f th e ba s e pl at
13、 e i n a ct ual c o ns t r uc t i on c o nditio ns 3 2 2 实际施工工况温度应 力计算结果 从温度应力计算结果来看 , 在早期温降阶段 , 由 于表面流水作用 , 表层混凝土散热快 , 迅速收缩 , 中 部混凝土温降相对较慢 , 对表层产生相对约束作用 并使之首先出现拉应力; 7 d时, 表面拉应力已经达 到2 3 7 M P a , 而混凝土早期 的抗拉强度 又较低 , 混 凝土表面拉应力远远超过了其抗拉强度 , 所 以易造 成衬砌混凝土在早期 出现裂缝 。 在浇筑的后期, 温度场继续下降, 整个衬砌继续 收缩 , 混凝土的拉应力进一步增
14、大 , 底板 中间点的最 大应力达到了2 8 9 MP a , 虽然没有超过混凝土后期 的抗拉强度 , 但 抗裂安全 系数 较低 , 考虑 到施工质 量 、 混凝土超标因素的影响, 裂缝有可能发展成为贯 通裂缝 。 实际施工工况下温度应力仿真计算结果见表 3 和图 3 。 3 3裂缝原 因分析 从裂缝主要分布状 况来看 , 除部分裂缝在顺 流 向横跨整个浇筑仓位表面外 , 其他裂缝形状和长度 第 l 2期 李盛青 等 溪洛渡导流洞衬砌混凝土温控防裂研究 表 3 实际施工工况衬砌混凝土温度应力计算结果 Ta b l e 3 Ca l c u l a ti o n r e s u l t o f
15、t h e t h e r ma l s t r e s s o f l i n i n g c o n c r e t e i n t h e d i v e r s i o n t u n n e l i n a c t u a l c o n s t r u c t i o n c o n d i t i o n 4 日 2 室0 裔 -2 一4 赠 6 8 : :j : ;: i! : : i = : : = 一一 , 5 。 1 。 。 1 5 。 时 5 。 3 。 d 3 5 ( 图 3底板混凝土温度应 力历 时曲线 F i g 3 Ti m e - h i s t o r y
16、c u r v e s o f t h e r ma l s t r e s s of th e ba s e pl a t e c onc r e t e 均无规律。裂缝 主要为浅层温度裂缝 , 部分裂缝有 可能发展为深度裂缝甚至贯穿 , 根据实际工况有限 元仿真计算结果分析, 导流洞衬砌混凝土产生裂缝 的主要原因有以下几个方面 : ( 1 )混凝土绝热温升较高、 温降快。导流洞底板 混凝土采用 C 4 0泵送混凝土, 坍落度大 , 细骨料和胶 凝材料偏多 , 粗骨料偏少 , 水化热较高, 根据现场温度 检测, 最高温度达到5 1 5 5 2 5 C, 与仿真计算结果 相符 。特别是早期达到
17、温峰后温降速度快, 围岩的约 束又强, 早期的拉应力较大 , 容易产生早期表面裂缝。 ( 2 )表面低温水蓄水养护措施不当。表面蓄水 养护 , 若水温过低 , 使得浇筑混凝土表面在早期温降 过快 , 以至于在浇筑早期便产生了较大的拉应力 , 容 易产生表面浅裂缝。若需采用蓄水养护, 早期宜采 用较高水温 , 或同时在 内部埋设冷却水管 , 否则内外 温差过大 , 容易产生表面裂缝。 ( 3 )冬季洞 内气温过低。计算选用冬季洞内环 境最低气温为 1 3 , 浇筑 混凝 土进入冬季 以后 , 产 生最大的拉应力 , 且表面拉应力一般都超过或者接 近混凝土的抗拉强度 , 造成新的裂缝产生或使早期
18、产生的裂缝进一步发展。 ( 4 )围岩的强约束 。对 于薄壁衬砌结构 , 围岩 变形模量大 , 结构厚度小 , 在围岩 的强约束条件下 , 结构中心相当于固定板在温度作用下的应力 。 4衬砌 混凝土温控措施研究 4 1 各种温控措施效果计算分析 4 1 1 减少胶凝材料用量 在溪洛渡导流洞底板混凝土出现裂缝后 , 设计单 位将导流洞底板混凝土设计龄期由2 8 d调整y 9 0 d , 施工单位根据调整后的设计指标对施工配合 比进行 优化 , 减少胶凝材料用量 , 混凝土绝热温升大幅降低。 采用配合比优化后的试验数据重新进行仿真计 算, 温度仿真计算结果表明: 底板最高温度4 5 3 o C ,
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