三板溪水电站泄洪洞衬砌混凝土温度应力影响因素分析.pdf
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1、第 3 9卷第 1 1期 2 0 1 3 年1 1 月 水 力 发 电 三 板 溪 水 电 玷 洪 洞 衬 砌 混 凝 土 温 度 应 力 鬏 响 因 素 分 析 赵路 , ( 1 水 能资源利用关键技术湖 南省 重点实验 室,湖南长沙 4 1 0 0 1 4 ; 2 中国水 电顾 问集 团中南勘测设计研 究院有 限公 司,湖 南 长 沙 4 1 0 0 1 4 ) 摘 要 :对 三板溪水 电站泄 洪洞衬砌混凝 土的施工 过程进行三维有 限元仿真计算 ,分析拆模 时间 、初期养 护质量 、 结构段长度 、浇 筑温度 、衬砌厚度和 围岩类型 等因素对 混凝土温度应力 的影 响 ,并 对影响衬砌混
2、凝土 温度应力 的诸 多因素进行敏感性分析 ,最终提 出了 “ 降低浇筑温度至 2 0、延长拆模时间至 4 d ”的综合温控防裂措施 。 关键词 :三板溪水 电站 ;泄洪洞 ;衬砌混凝土 ;温度应力 ;影响因素 S t u d y o n I n flu e n c i n g Fa c t o r s o f Li n i n g Co n c r e t e Th e r m a l S t r e s s f o r S a n b a n x i S p i l l wa y Tu n n e l ZHA0 Lu , ( 1 Hu n a n P r o v i n c e K e y
3、 L a b o r a t o r y o f Ke y T e c h n o l o g i e s f o r Wa t e r P o w e r Re s o u r c e s D e v e l o p me n t , Ch a n g s h a 41 0 0 1 4 Hu n a n , C h i n 2 Hy d r o C h i n a Z h o n g n a n En g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n , C h a n g s h a 4 1 0 01 4 , Hu n a Ch i n a ) Abs t r
4、 a c t :The 3- D fin i t e e l e me nt me t h o d i s a p pl i e d t o s i mu l a t e t he c o ns t r u c t i o n p r o ce s s o f c o nc r e t e l i n i ng o f s pi l l wa y t un ne l i n S a n b a n x i H y d r o p o w e r S t a t i o n T h e i n fl u e n c e s o f t e mp l a t e r e mo v a l t i
5、m e , p r e l i m i n a r y m a i n t e n a n c e q u a l i t y , j o i n t l e n g t p o u r i n g t e mp e r a t u r e ,l i n i n g t h i c k n e s s a n d s u r r o u n d i n g r o c k t y p e o n c o n c r e t e t e mp e r a t u r e s t r e s s a r e a n a l y z e d ,a n d t h e s e n s i t i v
6、i t y o f i n fl u e n c i n g f a c t o r s i s a l s o a n a l y z e d T h e c o mp r e h e n s i v e c r a c k i n g c o n t r o l me a s u r e o f” L o we r i n g p o u r i n g t e mp e r a t u r e t o 2 0 a n d e x t e n d i n g r e mo v a l i n t e r v a l t o 4 d ”i s fi n a l l y p r o p o s
7、 e d Ke y W o r d s : s p i l l w a y t u n n e l ; l i n i n g c o n c r e t e ; t h e r ma l s t r e s s ; i n fl u e n c i n g f a c t o r s S a n b a n x i Hy d r o p o w e r S t a t i o n 中图分 类号 : T V 6 5 1 3 ( 2 7 3 ) ;T V 5 4 4 文献标识码 : B 文章编号 : 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 3 ) 1 1 - 0 0 8 8 0 3 随
8、着 隧 洞 断 面 尺 寸 、水 流 流 速 和 混 凝 土 标 号 的 提 高 ,隧 洞 衬 砌 混 凝 土 结 构 的 温 度 和 温 度 应 力 及 其 有 关 问题 引起 国内外 专家 的高 度 重视 l 1 _ 5 。这 些研 究 主 要 结 合 工 程 经 验 对 结 构 进 行 某 方 面 的 敏 感 性 分 析 但 南 于 对 问 题 的 把 握 不 够 全 面 , 故 提 出 的 温 控 措 施 针 对 性 不 强 。本 文 结 合 三 板 溪 水 电站 泄 洪 洞 的 施 工 , 采 用 三维 有 限元 仿 真计 算 ,分 析拆 模 时 间 、初 期养 护 质量 、结 构
9、段 长度 、浇 筑 温 度 、衬 砌 厚 度 和 同 岩 类 型 等 因素 对 衬砌 混 凝 土 温 度应 力 的影 响 然后 根 据 这些 因素 的敏感 程 度 提 出有效 的 、经 济 的 温 控 防 裂 措 施 。 1 工程背景 板 溪 水 电 站泄 洪 洞 由进水 渠 、进 口 闸室 、洞 身 、出 口明槽 、挑 流 鼻坎 段 和 出 口尾 水 渠 段 组 成 , 全 长 8 1 5 1 8 9 I n,浇筑 块 长 1 3 I n 。 泄洪 洞 衬 砌 混 凝 土 结构 标 准 断面 形 式 见 图 1 ,衬 砌 混 凝 土 的热 学 和 力 学 强 度 性 能 参 数 分 别 见
10、表 1 、2。 罔 岩 类 型 主 要 有 类 和 类 两 种 。基 本 T 况 按 类 同 岩 计 算 罔 岩 变 形 模 量 取 1 8 GP a 洞 身混 凝 土衬 砌 施 工 时段 为 1 0月 l 5口至 次年 9 月 2 0 日 , 采 用 先 底 板 , 再 边 墙 、 顶 拱 的 施 工 顺 序 。边 墙 、顶 拱一 次浇 筑 ,底板 及 边 墙 下 部 弧形 结 构 采用 组 合模 板施 工 ,边 墙 与 顶拱 配 置 2台 钢模 台 车 施 工 。 浇筑 后 发现 泄洪 洞洞 身混 凝 土 出现 了大量 龟 裂 , 有 贯穿 性 裂 缝 和表 面裂 缝 。设 计 单 位 组
11、 织 专家进 行 了 裂 缝 成 因 的 初 步 分 析 ,认 为 裂 缝 主 要 为 温 度 裂 缝 收稿 日期 :2 0 1 3 0 9 1 2 作者简 介 :赵路 ( 1 9 8 5 一 ) ,男 ,山东 德州 人 ,工 程 师 ,硕: i 一 主要从事水工结 构设计研究 工作 弟j 雹 弟l 1期 趑跆 : = 假 涣 水 电 ! l 白 ,7 OIa j 俐 J彰 囚 系 万 仇 图 1 泄洪洞衬砌 混凝土结构标准断面示意( 单位 :c m) 表 1 混凝土的热学性能参数 等级一号 J ( k g 1 0 C- , J 竺招 密度 泊松 哥缴 m。比 抗拉强度 MP a 弹性模 量
12、G P a 3 d 7 d 2 8 d 90 d 3 d 7 d 28 d 9 0 d C3 0 2 3 5 5 0 1 7 0 7 4 1 42 1 9 4 2 5 2 l 26l 2 4 2 0 31 1 4 3 6 1 6 C 45 2 4 2 5 0 1 7 O _ 8 5 1 6 4 2 2 4 2 9 l l 85 5 3 5 7 9 46 O 6 5 34 8 与 围岩 强 约束 、拆 模 时 间早 、施 工 养 护 少 、水 泥 用 量 多 、混 凝 土 干 缩 大 、砂 石 料 石 粉 含 量 偏 大 、浇 筑 块 长 度 长 、混 凝 土坍 落 度 高 、混 凝 土 入仓
13、温 度 高 等 有 关 。 2 三维有限元计算模型 在 对 现 场 观 测 资 料 进 行 分 析 的 基 础 上 , 利 用 ANS YS软件 开发 专 用程 序 ,对 三板 溪 泄 洪洞 混 凝 土 施 工过 程进 行 有 限元仿 真计 算 _1 。泄洪 洞衬 砌 混凝 土 在 施 I 期 所 受 荷 载 主 要 为 温 度 荷 载 、 自重 以及 混 凝 土 徐变 变 形 产 生 的荷 载 ; 自重按 施 工 浇 筑 过 程 分层 施加 ;不考 虑 围岩 自重 及其 徐 变 。 有 限 元 分 析 模 型 模 拟 了 3段 混 凝 土 衬 砌 浇 筑 重 点分 析 中间段( 即第 2段
14、)混 凝 土 的温 度 场 与应 力 场 的分 布 和 变化 规 律 。 本 文 以边 墙 为 例 分 析裂 缝 的 发 生 与 发 展 过 程 。 上 、下 游 结 构 段 取 1 2长 ,按 对称 取 边界 条 件 ,中间段 取 全长 ,总 长 2 6 IT I 。在 横 断面 上沿 洞轴 线截 开 ,取 横 断面 1 2,也 按对 称取 边 界条 件 。规 定 沿 洞轴 线 往 洞 外 为 轴 正 向 ,垂 直 边 墙 水 平 向右 为 轴 正 向 ,铅 直 向上 为 y轴 正 向 以 环向施 I 缝 环 向施 j 缝 图 2边 墙 的 温 度 场和 应 力场 特 征 点 示 意 此建
15、立 三 维 坐标 系 。 围岩 厚 度 取 3倍 洞径 左 右 ,沿 、Y轴 围岩 厚度 均 取 3 0 1 3 q 。岩体 和衬 砌统 一采 用 空 间 八 结 点 等 参 单 元 ,模 型 共 划 分 三 维 块 体 单 元 2 0 6 3 6个 。在 边 墙 1 2高度 截 面 A- A ( 见 图 1 )选 取温 度应 力场 ,特 征点 布置 如 图 2所示 。 根 据 现 场 实 际 施 工 情 况 , 标 准 断 面 的 夏 季 施 工 基 本 工 况 参 见 文 献 1 ,混 凝 土 浇 筑 温 度 为 2 8 ,采 用余 弦 函数 曲线 模 拟 气温 年 周 期性 变 化 。温
16、 度 场 和 应力 场 计 算 的初 始 条件 为 : 混 凝 土单 元 的初 始温 度 为浇 筑 温 度 ,岩 体 的初 始 温 度为 地 温 。 衬砌 段 结构 对 称 面在 温 度 场 计算 中为 绝热 边界 属 于第 二 类热 学 边 界条 件 。 围岩 周 边 距离 衬 砌段 较 远 ,给 予绝 热 边 界 条件 和 法 向 约束 力 学边 界 条件 。 拆 模 前 ,泄 洪 洞衬 砌 段 混凝 土 表 面 的等 效放 热 系 数统 一 取 风 速 为 零 时 钢 表 面( 光 滑 ) 的 放 热 系 数 , 即 1 8 4 6 k J ( 13 1 h ) ,模 板对 混 凝 土起
17、 法 向约 束 作用 。 拆 模 后 ,有 洒 水 养 护 的混 凝 土表 面 放热 系 数 取 3 1 5 k J ( m h o C) ,无洒 水 养护 表 面考 虑风 速影 响 ,混 凝 土 表 面 放 热 系数 取 3 0 0 k J ( I n h c 【 二 ) ,在 力 学 计 算 中取消 模板 对混 凝土 的法 向约束 ,为 自由力学边 界 。 3 产生裂缝的影响因素分析 3 1 计算工况及结果 针 对拆 模 时 间 、干缩 、浇筑 温 度 、围岩 变 形 模 量 、衬 砌厚度 、通水冷 却 、分缝 长度 7种 影 响 因素 分别 进行 敏感 性计算 ,计算工 况见 表 3 。
18、本 文整理 边 墙 中部 表 面 特 征点 1在 关键 龄 期 下 的温度 应 力( o r 为计 算得到最 大主应 力 )及安 全系数 K,结果 见表4 。 表 3影响因素分析计算工况 序 号 工 况 嘉 说 明 爪 J 硬吧 ZU1 1 1月 表 4特征点 1的温度应力及安全 系数 注: K = f ,其中 为混凝土抗拉强度;1 8 0 d 时的应力即为混 凝 土冬季应 力。 3 _ 2裂缝 影 响因素 分析 ( 1 )拆 模 对 早期 裂 缝 的发 生 具有 较 大影 响 。将 拆 模 时 间从 2 d延 长 到 4 d,边 墙 中部 表 面 7 d的 o r 降 低 了 0 1 4 M
19、P a,K 值 增 加 0 1 2,开 裂 时 间 延 后 。 浇 筑 2 8 d以 后 至 冬 季 , 延 长 拆 模 时 间 对 拉 应 力 影 响 很 小 ,裂 缝仍 然 非 常 严 重 。 故延 长 拆 模 时 间 可 以有 效 降低 早 期 应力 ,延 缓 早 期 表 面裂 缝 的发 生 时 间 和 程度 ,但 对 其他 部 位 和 其 他 时 间 的裂 缝 发 生 和发 展 影 响较 小 并 不 能有 效 控制 裂缝 的产 生 。 ( 2)干缩 与 养 护 对 裂缝 的发 生 与 发 展具 有显 著 影 响 。 按 照 此 混 凝 土 干 缩 率 的 1 3 ( 即 7 d干 缩
20、率 为 一 7 0 x1 0 ,2 8 d干 缩 率 为 一1 6 5 1 0 )进 行 计 算 , 分 析 干 缩 与 养 护 对 裂 缝 产 生 的 影 响 。 在 考 虑 混 凝 土 干 缩 变 形 情 况 下 ,边 墙 中部 表 面 应 力 明 显 增 大 ,7 d 的 o r 增 大 了 0 2 7 MP a,对 应 的 减 小 了 0 1 9, 裂 缝 出 现 时 间 比 原 来 更 早 。2 8 d的 比 不 考 虑 干 缩 时 增 大 了 近 一 倍 由 此 可 知 , 如 果 混 凝 土 早 期 保 湿 养 护不 当 干 缩作 用 对前 2 8 d的混 凝 土 应 力影 响非
21、 常 大 故 混 凝 土 养 护 质 量 是 影 响 早 期 裂 缝 出 现 时 间 和 范 围的一 个重 要 因素 。 ( 3)高温 升 、大 而 快 的温 降是 产 生 裂缝 的直 接 影 响 因素 。将 夏 季 施 工 的浇 筑 温 度 由 2 8 降 低 为 2 4 边 墙 中 部 表 面 7 d的 o r 降 低 了 0 4 7 MP a,K 值 相 应 增 加 0 5 8, 虽 然 仍 出 现 裂 缝 ,但 开 裂 时 间 已 拖 延 到 1 0 7 5 d 。 2 8 d和 冬 季 的 o r 分 别 降 低 了 0 9 3 MP a和 1 2 5 MP a ,效 果 显著 。此
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