袁 敏 王碗琴 李 敏 虞 鸿 强 晟

(1.河海大学 水利水电学院,南京 210098;2.浙江省水利水电技术咨询中心,杭州 310020;3.浙江省水利水电勘测设计院,杭州 310002)

浙江省地处我国东南沿海,属亚热带季风气候,受西北太平洋上副热带高压活动影响,夏季容易发生台风、暴雨等气象灾害.台风暴雨过后,早龄期混凝土容易产生裂缝.这些大体积混凝土所产生的裂缝,起初绝大多数是表面裂缝,其中一部分后来会发展为深层或贯穿性裂缝,影响结构的整体性和耐久性[1-2].显然,台风暴雨这样的极端气候是引起混凝土裂缝的重要原因,有必要研究怎样避免这类问题的产生.

近年来,研究人员对寒潮类极端气候条件下混凝土的温度和应力变化做了较多的研究.沈超明[3]等研究了寒潮突袭对混凝土薄板温度应力的影响.朱岳明[4]等针对坝体最不利长间歇期仓面和寒潮冷击进行了三维有限元仿真计算.杨平等[5-7]对寒冷地区混凝土坝的保温措施方面进行了研究,并提出了相关措施.常昊天等[8-9]对大坝混凝土表面越冬期的保温措施进行了分析模拟,达到了基本能保证坝体表面不产生温度裂缝的效果.乜树强等[10-12]针对高温季节施工期的大体积混凝土,采取了表面保温和水管冷却的措施,达到了良好的防裂效果.但目前对于施工期防裂措施多为寒潮(即气温骤降)条件下的研究,而台风暴雨不仅可以使环境气温骤降,还会导致混凝土表面热交换系数剧增,甚至在暴雨冷击下可能使第三类热学边界条件突变为第一类热学边界条件,对混凝土表面极为不利.因此,本文选择沿海地区某大(二)型水库工程混凝土重力坝典型的4号岸坡坝段进行有限元建模,考虑材料分区、浇筑分层等,采用三维有限元仿真计算程序[13-14]模拟该坝段在施工期多次遭遇典型台风暴雨时的温度场和应力场的发展过程.最后根据计算结果并结合工程经验,主要针对表面防雨和保温提出相应的温控防裂措施,确保大坝的安全性.

1 基本理论

在计算域R内任何一点处,不稳定温度场须满足热传导连续方程,可表示为[1]:

式中,T为混凝土温度(℃),a为导温系数(m2/h),θ为绝热温升(℃),τ为龄期(d),t为时间(d).

混凝土在复杂应力状态下的应变增量主要包括弹性应变增量、徐变应变增量、温度应变增量、干缩应变增量和自生体积应变增量,可表示为[1]:

式中,{Δεen}为混凝土弹性应变增量,{Δεcn}为徐变应变增量,{ΔεTn}为温度应变增量,{Δεsn}为干缩应变增量,{Δε0n}为自生体积应变增量.

混凝土与水接触时,表面温度等于已知的水温,属于第一类边界条件.混凝土表面温度T是时间t的已知函数,可表示为[1]:

式中,T为混凝土温度(℃),t为时间(d).

在第三类边界条件中,混凝土表面在空气中的放热系数β的数值与风速有关,粗糙表面和光滑表面的放热系数分别可表示为[1]:

粗糙表面:

光滑表面:

式中,β为表面放热系数[kJ/(m2·h·℃)],va为风速(m/s).当风速极大时,第三类边界条件产生的效果与第一类边界条件非常相似.

2 基本资料

2.1 工程概况

某大(二)型水库工程位于浙江省台州市境内,由拦河坝、泄水建筑物、放空建筑物、发电引水建筑物、发电厂房及升压站等建筑物组成,总库容1.26亿m3,水电装机容量5 000 k W,输水线路总长28.39 km.拦河坝为常态混凝土重力坝,最大坝高73 m,坝顶宽度7 m,最大底宽65.5 m,坝顶长度260 m,坝体设横缝,分14个坝段,其中非溢流坝段12个,溢流坝段2个.

2.2 水文与气象资料

该水库工程流域地处亚热带湿润季风区,全年季节变化明显,气候温和,雨量充沛.降水量年内分配不均匀,多集中于梅雨和台风季节.据1961～2004年资料统计,多年平均气温17.3℃,极端最高气温41.3℃(2003年7月),极端最低气温-9.9℃(1980年2月5日).多年平均风速1.5 m/s,实测定时最大风速19 m/s,出现在1997年8月.夏秋季本地常受副高压脊控制,降水主要为台风暴雨和局部雷阵雨.受台风和热带风暴影响的时间大多集中在7月下旬至9月下旬.台风暴雨不仅降水量大,而且比较集中,强度较大.坝址区多年月平均气温见表1,拟合成余弦曲线公式为

式中,Ta为气温(℃);t为时间,以月计.

表1 坝址区多年月平均气温

2.3 主要热力学参数

根据工程资料,基岩为微风化或新鲜的流纹质含角砾凝灰岩,骨料亦是流纹质含角砾凝灰岩,混凝土和地基主要热力学参数见表2.

表2 混凝土和地基热力学参数

3 计算分析

3.1 计算模型

4号坝段为岸坡坝段,有限元网格模型如图1所示,有限元模型的单元总数为87 980个,节点总数为97 983个.

图1 有限元网格模型示意图

在温度场仿真计算时,假定坝基础底面及四周均为绝热边界,其它面为热量交换边界(第三类热学边界条件),坝体横缝面为绝热边界,廊道封顶后为绝热边界.在应力场仿真计算时,假定基础底面为铰支座,四周为链杆支撑,坝体结构的临空面均自由.

3.2 浇筑进度

根据施工计划,浇筑层共分为21层,第一块混凝土盖重层浇筑时间为2017年12月20日,高程为301.5 m,最后一块混凝土浇筑时间为2018年12月28日,高程为350.5 m.强约束区垫层混凝土间歇期30 d,夏季浇筑的第14层,间歇期90 d,秋季浇筑的第18层间歇期90 d,其它浇筑层间歇期均为10 d.强约束区浇筑层厚均为1.5 m,弱约束区和非约束区浇筑层厚均为3.0 m.

3.3 特征点和水管布置图

为了显示典型关键位置的温度和应力随龄期的发展历时过程,选取坝体高程为337.9 m,拉应力较大处的特征点1、2、3作为典型特征点进行分析,其中特征点1是坝体上游表面点,特征点2是坝体仓面点,特征点3是坝体下游表面点.冷却水管采用离散型水管,具体通水流量、通水时间、水管密度布置可参考结论与建议,水管布置图如图2所示.

图2 特征点和水管布置示意图

3.4 主要计算工况和结果分析

根据现有的环境、材料、结构、施工4个方面的信息,为研究台风暴雨气候下对不同龄期坝体应力的影响,在两个浇筑长间歇期一共模拟6次台风暴雨潮过境,分别在2次长间歇仓面的龄期3 d、14 d、60 d到来,模拟台风暴雨恶劣天气持续2～10 d不等.台风暴雨期间临空面按照第三类边界条件考虑,表面散热系数很大,与第一类边界条件的模拟效果类似.仿真计算期望达到的防裂安全系数为1.5.

台风暴雨工况1:由工程资料知该施工地区台风暴雨期间最大风速为19 m/s,台风暴雨期间坝体无防雨和保温措施,因混凝土拆模后表面为光滑,临空面散热系数按光滑表面取6 052 kJ/(m2·d·℃),日均气温骤降10℃.

台风暴雨工况2:在工况1基础上,台风暴雨期间尝试对坝体进行防雨和保温,散热系数为60 kJ/(m2·d·℃).

台风暴雨工况3:在工况2基础上对13层、17层上下游面冬季继续进行保温,散热系数为60 kJ/(m2·d·℃).

本文给出第2次长间歇面上(即特征点1～3所在的仓面,高程为337.9 m)遭遇台风暴雨时的结果.图3～4是特征点1、2、3各个工况的温度和第一主应力历时曲线对比图,图5～6是坝体高程为337.9 m处遭遇台风暴雨时第一主应力最大时刻3个工况对应的温度云图和应力云图.

图3 特征点温度历时曲线对比图

图4 特征点第一主应力历时曲线对比图

图5 各工况中表面拉应力最大时刻的温度云图

图6 各工况中表面拉应力最大时刻的第一主应力云图

对台风暴雨3种工况进行结果分析.

工况1:由历时曲线图和云图可以看出,当龄期3 d出现台风暴雨,对新浇筑混凝土各表面点影响巨大,所有特征点均因温度下降应力陡增.主要是因为混凝土前3 d水化产热剧烈,温度较高,与外界气温存在较大的温差.当台风暴雨到来时,除了环境气温骤降外,台风和暴雨还导致混凝土表面散热系数很大,所以导致混凝土表面温度降幅很大,使得内外温差进一步剧增,特征点1、2、3最大内外温差分别为38.2℃、35.1℃、37.4℃,最大拉应力分别为3.4 MPa、3.3 MPa、2.8 MPa(龄期60 d以内),最大拉应力均超过当时的C25、C15、C20混凝土的抗拉强度.龄期14d的台风暴雨对上游(C25混凝土)和下游(C20混凝土)第一主应力影响已经较小,但是从特征点2(C15混凝土)第一主应力历时曲线对比图来看,在龄期14 d出现台风暴雨时应力均超标;龄期60 d以后遇到台风暴雨时,C25可以抵御不超过15℃的温降,C15和C20可以抵御不超过10℃的温降.

工况2:由历时曲线图和云图可以看出,采取防雨和保温措施后,混凝土内外温差减小,台风暴雨期间特征点1、2、3最大内外温差分别为25.4℃、18.9℃、23.3℃,最大拉应力分别为1.7 MPa、1.2 MPa、1.9 MPa(龄期60 d以内),最大拉应力均低于当时的C25、C15、C20混凝土的抗拉强度.但是工况2的计算结果显示由于早龄期保温过厚,混凝土温度峰值很高,导致后期温降幅度过大,后期特征点1、2、3最大温度降幅分别为37.5℃、23.2℃、36.9℃,最大拉应力分别为3.4 MPa、1.0 MPa、3.7 MPa(龄期60 d以后),在冬季时上下游表面点拉应力明显超标.

工况3:在上游面、下游面冬季继续采取保温措施后,混凝土后期温度降幅减小,后期特征点1、2、3最大温度降幅分别为27.8℃、22.8℃、27.3℃,最大拉应力分别为1.1 MPa、0.9 MPa、1.4 MPa(龄期60 d以后),虽然防裂安全系数仍较小,但下游各区域的拉应力均已低于抗拉强度.

4 结论和建议

从计算结果来看,台风暴雨对早龄期混凝土表面影响很大,采取防雨和保温措施可以减小内外温差,从而减小拉应力,防止表面裂缝产生.台风暴雨季节具体温控防裂措施建议如下:

1)夏季浇筑的上游混凝土(C25)和下游混凝土(C20)内部水管布置密度为0.8 m×0.8 m,C15混凝土中水管布置密度为1.2 m×1.2 m.混凝土温度峰值前冷却水流量不低于3.0 m3/h,温度峰值后减小流量,通水30 d,控制混凝土内温降速率不高于1.0℃/d.

2)台风暴雨导致气温骤降期间,不同的降温幅度与不同的混凝土标号、龄期所对应的保温材料厚度不同.为了防雨,建议保温被外覆盖一层塑料薄膜.为了保温措施的简单易行,在计算结果基础上结合工程经验,如遇气温降幅为10℃左右的台风暴雨情况,对于龄期30 d内的混凝土建议覆盖1层(3 cm厚)的保温被;如遇气温降幅为15℃以上的台风暴雨情况,对于龄期60 d内的混凝土建议覆盖2层(3 cm厚)的保温被.如果天气预报7 d内会有气温骤降超过10℃的天气出现,建议不浇筑新混凝土.

3)为了避免保温材料被台风吹走,EPE大坝保温被可以木条和钢钉固定于坝面上,注意相邻卷材之间至少有20 cm的搭接长度,如果横缝面为临空面,也采用与上下游面相同的保温措施.

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