浅析河床式水电站厂房坝段温控措施研究

'学兔兔www.xuetutu.com水利水电技术第42卷2Ol1年第l1期河床式水电站厂房坝段温控措施研究h．m．．Ⅲ∽一～～一～一一一mm龇¨．m∞懈埘：咄㈨．m出～孔俐丽，张建华～一～一一一～一～(江西省水利规划设计院，江西南昌330029)摘要：采用非线性有限元仿真分析方法，模拟水电站厂房坝段的实际工程情况，对厂房坝段施工期及运行期温度场与应力场进行了仿真计算，分析了厂房坝段分块浇筑等措施的效果，结果表明：厂房坝段顺河向分成4个浇筑块可大幅度降低最大温度应力值，通过合理设定不同浇筑块的施工次序，分块浇筑措施可满足厂房坝段温控防裂要求。一一一～一～一一章三一．一～一一～～～眦_三一-蚕关键词：河床式水电站；厂房施工；温度应力；温度控制；混凝土分块浇筑中图分类号：TV315文献标识码：A文章编号：1000—0860(2011)11—0042—04Studyontemperaturecontrolmeasuresforconstructionofpowerhouse—damsectionofhydropowerstationinriverchannel一KONGLili，ZHANGJianhua(JiangxiProvincialWaterConservancyPlanningandDesigningInstitute，Nanchang330029，Jiangxi，China)～～一一一一一m～㈨～混凝土结构温度应力，防止和减少结构裂缝，对结构1引言长期运行安全是极其重要的。大体积混凝土在施]二运行过程中，由于水泥水化水电站厂房结构复杂，下部有大体积混凝土结热的作用，内部温度很快上升，达到最高温度后便开构，上部有框架式钢筋混凝土薄壁结构，施工中采用始下降，这种变化会产生一系列后果。首先，当混凝分块、分缝、跳仓浇筑，温度应力仿真分析异常复土内部温度与外界温度相差悬殊、温度梯度很陡时，杂，温控设计难度较大。目前，国内许多科技工作者就容易在混凝土表面引起巨大拉应力出现开裂现象；对水电站厂房温度应力进行了多方面的研究，但许多厂房仍出现了大量的裂缝，有些甚至发现了对结构安其次，温度下降时，体积随之收缩，当受到底部基岩全有影响的裂缝。引起裂缝的原因非常复杂，有的是或老混凝土约束时，可能产生裂缝。这种裂缝，不仅南于混凝土材料配合比没有很好优化，发热量大引起有碍混凝土的观瞻，而且会改变混凝土的受力条件，严重时会影响到结构的安全运行。对钢筋混凝土结构而言，如出现裂缝，会导致钢筋的锈蚀，缩短结构的收稿日期：201l一08—23使用寿命。因此，控制大体积混凝土结构特别是钢筋作者简介：孔俐丽(1961一)，女，江苏高淳人，教授级高级T程师。WaterRe5ourcesandHrdropowerEngineeringVol42No77 学兔兔www.xuetutu.com孔俐丽，等∥河床式水电站厂房坝段温控措施研究表1多年平均气温月份l234567891O11l2全年气温／oC57．5l1．917．922．125．729．528．724．61912．77．817．7表2混凝土及基岩热学参数材料名称导热系数／kJ·(m·h·℃)比热／kJ·(kg·℃)泊松比线膨胀系数／1O～·qC密度／kg·m。混凝土C9025W6F508．3l0．9210．16782400基岩8．60．960．28102650表3徐变拟合参数klk2k31A2Ot1BlB22DO．40．05O．024．5×10-6234×1O00．475．10×10一116×102．32．5×10—5．．混凝土内部最高温度超过允许值，有的是表面养护不歇、混凝土及基础弹模的变化、外界水温及气温的变当，混凝土干缩及内外温差引起表面裂缝，有的是结化、混凝土的自生体积变形及徐变影响等复杂因素，构分缝设计不合理，引起贯穿性裂缝等等。本文以某计算出厂房结构任意时刻的温度场和应力场。通过分水电站厂房坝段混凝土温控为例，为解决厂房坝段混析不同结构措施和温控措施下厂房的计算成果，确定凝土温控防裂问题提供一些思路，供类似工程温控设合理的结构措施和温控措施。计提供参考依据。由于中间7台机组结构尺寸完全相同，计算模型选定厂房5机组整个坝段，由于上部为框架式混2工程概况及基本资料凝土结构，下部为大体积混凝土结构，参考以往计某河床式水电站位于江西省吉安市境内，顺河算经验，计算模型中厂房范围取51．20m高程下大向长度为91．7m，横河向总长度208．8’m，共分为体积混凝土结构部分，坝基范围为：上下游方向取9台机组，中间7台机组横河向间距22．7m，坝底坝高的2．5倍，地基深度取2倍坝高。计算模型见高程6．5m，闸墩顶部高程51．20m。坝址处多年图1。平均气温17．7cI=，极端最高气温40．6℃，极端最低气温一9．1oC，多年平均降水量1450mm，多年平均风速1．8m／s，最大风速19．0m／s。坝址处多年平均气温见表1，混凝土热力学参数见表2，拟合参数见表3。混凝土绝热温升拟合公式，’‘一(a)整体有限元网格(丁)(℃)混凝土弹性模量拟合公式E()=32(1一e加。)(GPa)混凝土徐变度拟合公式C(t，)=(41+A2一)[1一e-kl(t-z)]+(Bl+(b)厂房坝段内部有限元网格曰2丁一)[1一e-k2(t-7)]+De-k3,r[1一e-k3(t一’](1／MPa)式中，r为龄期；t为时间。图1厂房5坝段计算模型3计算方法和计算模型温度场计算的边界条件为：地基底面、地基4个为真实反映水电站厂房复杂是施工过程中温度及侧面、坝段左右两侧面均为绝热边界条件，与水接触应力的变化过程，使用非线性有限元仿真分析方法，按第一类边界条件，与空气接触按第三类边界条件，模拟水电站厂房实际的施工运行过程，即考虑混凝土由于在厂房坝段前，水深仅有30余m深，因此水温分层跳仓浇筑方式、人仓温度、浇筑厚度、施工期间按河水温度计算。应力场计算边界条件：地基底面按水利水电技术第42卷2011年第11期 学兔兔www.xuetutu.com孔俐丽，等∥河床式水电站厂房坝段温控措施研究固定支座处理，地基上下游面按上下游方向简支处筑温度高，其最高温度值大；在低温季节浇筑的混理，其余面按自由边界处理。凝土，最高温度值小。同一季节浇筑的混凝土，距0图2边界越近，散热条件越好，最高温度值越小；距边4不同工程措施下厂房坝段计算分析界越远，最高温度值越大。厂房坝段中面最高温度为确定厂房坝段合理的温控措施和结构分缝措值超过45℃，其稳定温度约为17oC，按规范规施，首先模拟实际施工过程，混凝土采用自然浇筑方定，如厂房坝段不分缝，其基础约束区容许温差不式，仿真分析无结构分缝措施下厂房坝段的温度场和超过16℃，最高允许温度33，显然不能满足设应力场，根据计算成果并参照类似工程经验，选定不计规范温度控制标准。同的结构分缝措施和温控措施，通过分析不同措施下由图3可见，厂房坝段底板靠近基础附近较大仿真计算成果，结合工程实际情况，确定合理的温控范围内最大拉应力超过2．5MPa，局部小范围内超措施和结构分缝措施。过3．0MPa，尾水管上部混凝土局部范围内最大拉4．1厂房坝段自然浇筑无结构分缝措施下的仿真分析应力超过3．0MPa，部分区域内超过2．0MPa，均厂房坝段于2011年8月1日开始浇筑混凝土，超过混凝土允许拉应力，如不采取其他措施，会出计划于2014年3月完工。混凝土采用自然浇筑，现裂缝，对厂房坝段运行安全性产生不利影响，冈在每年5月～10月，仓面进行喷雾养护。16．O0m此采取工程措施是必须的。高程以下的混凝土浇筑层厚1．5m，间歇5d，平均4．2厂房坝段合理工程措施的确定每20d浇筑一层；16．O0m高程以上的混凝土浇筑通过对厂房坝段不同温控方案的仿真计算，采取层厚2．0～3．0m，间歇6d，平均每20d浇筑一控制混凝土浇筑温度、水管冷却方案及结构分缝措施层。图2和图3为厂房坝段仿真分析的温度包络图可解决厂房坝段的温控防裂问题，但是，如采用控制和最大拉应力包络图，所谓包络图中各点数值，是混凝土浇筑温度方案，在夏季必须具备混凝土骨料预指对各点通过全程搜索求出所经历的最大值，画出冷系统，并且需加水管冷却及保温措施，由于厂房混的包络图可以展示最大值及部位、超出标准的范围凝土为钢筋混凝土结构，配筋量大，如采用水管冷和分布。却，对施工进度和钢筋混凝土施工质量会产生不利影响，因此，工程现场希望采用结构分缝加简单温控措施来满足温控防裂要求。E厂房坝段分缝一般采用在拉应力超标的高程范围＼内预留宽槽措施来实现，此措施已应用于国内许多厂恒房坝段实际施工中，但宽槽措施有时也可能存在一些问题：首先是要求施工进度与预定的进度相差不大；020304O5O6O7O809Ol0O再者是如在流道周边预留宽槽，宽槽一般为几十厘米顺河向距离／m宽、十余米高的窄条结构，无止水措施，易发生漏水厂房坝段中面温度包络图(单位：℃)现象，因此如需在流道周边分块浇筑，采取预留宽槽措施时，宽槽宽度要大并且需加止水措施，或采取直接分缝加止水措施。根据现场实际情况，考虑到水轮机安装等多种因g＼素，采用图4所示分缝方案，即：将厂房坝段分成驰惶I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4块，先浇筑I、Ⅲ、Ⅳ块，后浇筑Ⅱ块。由于Ⅱ块部位在实际施工中需进行水轮机安．100l02O304O5O6O708O装的有关工作，此种浇筑方案对总体进度影响不大。顺河向距离／m通过对分块浇筑方案多种可能施工进度的仿真分图3厂房坝段中面最大拉应力包络图(单位：析表明，后浇筑块必须在11月～2月低温季节问进行，如在其他季节进行，后浇筑块内会产生超标拉应由图2可见，厂房坝段中面最高温度值与混凝土力，可能会出现裂缝。浇筑时间密切相关，高温季节浇筑的混凝土，由于浇图5～图7表示分块浇筑方案推荐施工进度的仿水利水电技术第42卷2011年第ll期 学兔兔www.xuetutu.com孔俐丽，等∥河床式水电站厂房坝段温控措施研究基础约束区最高温度40℃，自由区最高温度45℃，坝段分块浇筑后，浇筑块长边超过30m，基础容许g温差强约束区18℃，弱约束区21℃，稳定温度约为＼17℃，最高允许温度强约束区35cI=，弱约束区39℃。挺I、Ⅱ、Ⅳ浇筑块基础约束区最高温度满足规范要求，Ⅲ浇筑块基础约束区最高温度超标，但超标范围较小。．100102O304O506O70809O10O顺河向距离／m由图6和图7可见，采用图4所示分块浇筑方案后，最大拉应力值明显下降，无论是厂房坝段中面图4厂房坝段分块浇筑示意还是厂房坝段侧面，其最大拉应力值不超过2．0MPa，未超过允许应力值，满足温控防裂要求。需要说明的是，尽管Ⅲ浇筑块基础约束区最高温度超过规范允许值，但由于规范的规定是针对基岩变模与混凝g＼土变模相差不大的情况而言的，此厂房坝段基岩变惶模仅5GPa，远小于混凝土变模，因此最高温度小范围小幅度地超标其最大拉应力仍未超过允许应力．100l02O304050607O8090l0O值。顺河向距离／m5结语图5厂房坝段中面温度包络图(单位：℃)采用非线性有限元仿真分析方法，模拟了水电站厂房坝段混凝土真实的浇筑过程，实现了厂房坝段施工期及运行期温度场和应力场全过程仿真，通过多种窭方案的仿真计算，推荐出合理的分块浇筑措施及温控＼氍措施。碹(1)河床式水电站厂房坝段温度控制标准一般情况下要严格按照规范规定执行，当基岩变形模量远小．100102O304O506O70809O1O0于混凝土变形模量时，标准可适当放宽，标准值放宽顺河向距离／m幅度须依据厂房坝段温度场应力场全过程仿真分析成图6厂房坝段中面最大拉应力包络图(单位：MPa)果确定。(2)厂房坝段顺河向长度值远大于宽度值，大部分情况下不采取工程措施难于满足温控防裂要求。采用顺河向分块浇筑辅之以简单温控措施是行之有效的方法，各浇筑块长度须依据厂房坝段温度场应力场全过程仿真分析成果并结合现场实际情况确定。一10010203O405O6O70809010O(3)厂房坝段不同浇筑块有先后次序时，后浇顺河向距离／m筑块要安排在低温季节浇筑。如在其他季节浇筑，图7厂房坝段侧面最大拉应力包络图(单位：MPa)必须采取非常严格的温控措施才能满足温控防裂要求。(4)厂房坝段流道周边采用预留宽槽方法进行分真分析成果，于2011年8月1日开始浇筑I、Ⅲ、块浇筑时，宽槽两侧须有止水措施。如仅仅采用微膨Ⅳ块混凝土，2012年11月开始浇筑Ⅱ块混凝土，胀混凝土在低温季节填筑预留宽槽措施，在长期的实2014年3月完工。混凝土浇筑温度控制在26℃以下际运行中宽槽两侧可能会发生漏水现象。(夏季白天停工)，基础强约束区混凝土浇筑层厚由1．5m减为1．0m，其余同上。由图5可见，坝段中面(责任编辑陈小敏)水利水电技术第42卷2011年第11期45'