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閱讀 5666 次 弄令水電站碾壓混凝土重力壩溫控仿真研究

摘要:論文根據弄另水電站碾壓混凝土重力壩的特點,運用有限元軟件對其溫度場及溫度應力進行仿真分析,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.中國水利水電第三工程局有限公司弄另項目部  679200 云南  德宏)
2.中煤西安設計工程有限責任公司    710054 陜西  西安)
    溫度差是引起大體積混凝土產生裂縫的主要原因之一。水泥水化過程釋放能量,每克水泥可產生熱量500J左右,而混凝土導熱性能較差,當內外溫差產生的約束應力超過混凝土抗拉強度時,將導致裂縫。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鎮弄另村以東5km的干流上,是梯級開發規劃調整后的第12級電站。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、溫控仿真計算原理
    由熱傳導理論知,混凝土內部的三維非穩定溫度場 應滿足熱傳導方程及相應的初始條件和邊界條件。
熱傳導方程
(1)
 

在初始瞬時,T等于給定的溫度

時,                               (2)

在邊界上,滿足第一類邊界條件

  ,在上,                             (3)

 在邊界 上,滿足第三類邊界條件

 ,在上,           (4)

以上各式中: τ為混凝土溫度;α為導溫系數;θ為絕熱溫升;β為表面放熱系數;λ為導熱系數;為氣溫;為已知邊界溫度。

二、溫控仿真計算模型的確定
    根據大壩壩段分縫情況及各壩段結構布置、工作特性等因素,本次計算研究采用的軟件為三峽大學自主開發的軟件FZFX3D,選取⑥(溢流壩段)、⑦(非溢流壩段)壩段作為計算代表性壩段,采用8接點6面體單元離散結構,其中⑥(溢流壩段)號壩段共劃分17873個單元、20958個節點,壩體層厚為1m。壩基、上、下游方向計算深度取1.5倍的壩高(114m)。⑦(非溢流壩段)壩段共劃分有15757個單元,18256個節點,壩體層厚為1m,壩基、上、下游方向計算范圍取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                     2  非溢流壩段模型
 
三、溫控仿真計算邊界條件及初始條件的確定
    大壩壩型為重力壩,且長度方向遠大于寬度方向,應力計算時,重點考慮順河向的水平約束應力;溫度計算時,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,當澆筑面與空氣接觸時用第三類邊界條件,當澆筑面被上一層混凝土覆蓋時,該面層又變為內部邊界。壩體澆筑過程中,壩體水位是變化的,當與空氣接觸時為第三類邊界條件,當與水接觸時為第一類邊界條件。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
    根據弄另水電站設計單位任務書的要求,在4月下旬至10月中旬基礎約束區混凝土澆筑溫度控制在18~20℃,非約束區允許澆筑溫度可提高1~2℃;其它時間可在自然氣溫下澆筑。對上下游表面采用導熱系數λs=0.16KJ/(m·h·℃),厚度h=2㎝的聚苯乙烯泡沫塑料板,表面放熱系數取β=7.26 KJ/(m2·h·℃)進行保溫。由于4月下旬至五月底壩址區氣溫比較高,應對入倉溫度降低到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,其它時間采用自然入倉(但壩體表面溫度不應當超過20℃)。從氣溫的日變化可以看到,壩址區氣溫在晚上1點到4點中是最低的,可以滿足混凝土澆筑對氣溫的要求,所以在4月下旬至10月中旬混凝土在晚上12點到早上5點進行入倉碾壓,其他月份可控制在晚上10點到早上6點中碾壓。等碾壓完成后對整個大壩上、下游面新澆的混凝土用聚苯乙烯泡沫塑料板保溫,對倉面要用遮陽網進行遮陽、噴霧、流水養護,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力云圖見 圖3~圖5。
          圖3  2007年3月15日第一主應力                              圖4  2007年11月15日第一主應力云圖
 5  2008年5月15第一主應力云圖
    上述結果中,應力取第一主應力,單位為(102㎏/m2),從上面應力結果可以看到在這個施工過程中,混凝土內部和表面的應力最大發生在澆筑快結束階段,其值約為1.015 MPa,均滿足混凝土應力標準。
  
    非溢流壩段的部分溫度第一主應力云圖見 圖7~圖9所示。
            
                       圖7  2007年3月15日第一主應力云圖圖                                                          圖 8  2007年11月15日第一主應力云
           圖9  2008年7月15日第一主應力云圖
    上述結果中,應力取第一主應力,單位為(102㎏/m2),從應力結果可以看到在這個施工過程中,混凝土內部和表面的應力最大發生在剛開始澆筑階段,其值約為0.9 MPa,滿足混凝土應力標準。
 
五、弄另碾壓混凝土壩的仿真分析結論
    (1)在澆筑初期,非基礎約束區與地基交界處壓應力較大,拉應力主要出現在壩體表面下游側。
    (2)隨著澆筑高程的增加,壓應力逐漸從壩址轉移至壩踵,這是因為此時自重產生的應力逐漸顯著。
    (3)對照應力場分布,可發現高溫區對應較大壓應力。
    (4)閘墩與溢流壩交界處拉應力較大,這是由于閘墩采用混凝土標號高,水化熱大,且閘墩比壩體薄,外界氣溫影響較大,另外交界處應力集中。
 
六、弄另碾壓混凝土壩施工溫控措施
    根據仿真分析的結果,對弄另碾壓混凝土壩的施工提出了科學的的溫控方案,以最大限度地降低混凝土的澆筑溫度,減小溫度應力。
 
    (1)弄另碾壓混凝土壩工程地處西南地區,年平均氣溫較高,所以必須做好混凝土運輸過程中以及施工過程中的遮陽和降溫措施。實施倉面覆蓋隔熱被和倉面噴霧。另外根據碾壓混凝土的自身特點,建議采用斜層平推法施工,減少層間碾壓時間,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月中旬基礎約束區混凝土澆筑溫度控制在18~20℃,非約束區允許澆筑溫度可提高1~2℃;其它時間可在自然氣溫下澆筑。
   
    (3)另外,在氣溫驟降期間,對短齡期內的結構部位的混凝土表面進行保溫,以降低內外溫差。
 
參考文獻
1.張海峰,苗春. 《粉煤灰和礦粉雙摻技術在大體積混凝土工程中的應用》[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.《筒倉基礎大體積混凝土溫度場及溫度應力仿真研究》[J].煤炭工程,2009.7:95~25. [M].武漢:武漢大學出版社,2004.2.
4.方坤河,《碾壓混凝土材料、結構與性能》[M].武漢:武漢大學出版社,2004.2.
5.水利水電科學研究院結構材料研究所,《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力與溫度控制》[M].北京:中國電力出版社,1999.3.該成果獲2009年中國水電集團公司科技進步二等獎。
 
 
(本文來源:陜西省土木建筑學會  文徑網絡:文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)
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