泄洪洞高性能衬砌混凝土自由体积应变监测.pdf

第 3 6卷第 1期 2 0 1 4年 1 月 人民黄河 YE L L OW RI V ER Vo 1 3 6 No 1 J a n 2 O1 4 【 水利水 电工程 】 泄洪洞高性能衬砌混凝土自由体积应变监测 魏晓斌 ， 周宜红 ， 黄耀英 ， 李金河2 ， 郑晓晖 ， 田开平 ( 1 三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌4 4 3 0 0 2 ； 2 中国长江三峡集团公司 溪洛渡工程建设部， 云南 永善 6 5 7 3 0 0 ) 摘要： 泄洪洞衬砌混凝土必须具有防冲耐磨等特性， 因此常采用掺硅粉高性能混凝土。在某特大型水电工程的泄洪洞 边墙衬砌混凝土中埋设无应力计进行掺硅粉高性能混凝土应 变监测试验， 分别采用常规最小二乘法以及无应力计测值 统计模型进行掺硅粉高性能混凝土热膨胀系数和 自生体积变形反演。分析表明： 两种方法反演的热膨胀 系数较接近， 在 7 51 0 C左右； 高性能衬砌混凝土自生体积变形呈收缩型， 单调递减， 后期基本稳定在 一2 01 0 一。 关键词 ： 泄洪洞；高性能混凝土；热膨胀 系数 ；自生体积变形；无应力计 中图分类 号：T V 5 5 4 文 献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 4 0 1 0 4 O Fi e l d M o n i t o r i n g Te s t a n d F e e d b a c k o n F r e e Vo l u me S t r a i n f o r Hi g h - P e r f o r ma n c e Co n c r e t e Li nin g o f S p i l l wa y Tu n n e l WE I Xi a o b i n ，Z HOU Yi h o n g ，HU ANG Ya o y i n g ，L I J i n h e ，Z HENG Xi a o h u i ，T I AN Ka i - p i n g ( 1 C o l l e g e o f H y d r a u l i cE n v i r o n me n t a l E n g i n e e ri n g ，C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v e r s it y ，Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2 ，C h i n a ； 2 C o n s t r u c t i o n D e p a r t m e n t o f X i l u odu Hy d r o e l e c t r i c P m j e c t ，C h i n a Thr e e Gor g e s C o r p o r a t i o n ，Y o n g s h a n 6 5 7 3 0 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ：C o n c r e t e l i n i n g o f s p i l l wa y t un n e l mu s t h a v e t h e c h a r a c t e ris t i c s s u c h a s e ros i o n p r e v e n t i o n， a b r a s i o n r e s i s t a n c e and S O o n S o h i g h p e r f o r m- o n c e c o n c r e t e wi t h g a n i s t e r s a n d i s c o mmo n l y u s e d I n t h i s p a p e r ，a s t r a i n mo n i t o rin g t e s t o f t h e h i g h p e rfo rm a n c e c o n c r e t e h a d b e e n d o n e o n a s o u t h w e s t e r n h y d r o e l e c t r i c p o w e r p r o j e c t ，i n w h i c h t h e r e W as a n o n - s t r e s s m e t e r i n t h e c o n c r e t e u s e d i n t h e s p i H w a y t u n n e 1 D u ri n g t h e te s t ， t w o me t h o d s we r e a d o p t e d，w h i c h we r e t h e c o ml n o n me t h od o f t h e l e ast s q u a r e t e c h n i q u e an d t h e me t h o d o f b u i l d in g a mo d e l b a s e d o n t h e s t a t i s t i c al d a t a f r o m the n o n s t r e s s me t e r ，t o g e t f e e d b a c k o f t h e t h e rm a l e x p an s i o n c o e f fi c i e n t a n d t h e a u t o g e n o u s v o l u me d e f o rm a t i o nTh e an aly s i s s h o ws t h a t t h e t h e r mal e x - p ans i o n c o e f fi c i e n t s a r e v e r y c l o s e t o e a c h o t h e r g e t t i n g f r o m t h e t wo me t h o d s w h i c h are a b o u t 7 51 0 T h e a u t o g e n o u s v o l u me d e f o r ma t i o n o f t h e h i g h pe rfo r ma n c e c o n c ret e h as a s h r i n k a g e an d mo n o t o n i c all y d e c r e asi n g an d t e n d s t o be s t e a d y a r o u n d 一2 01 0_ 。 。 i n t h e l a t e r p e rio d Ke y wo r d s：s p i l l wa y t u n n e l ；h i g h p e r f o rm a n c e c o n c r e t e；t h e r mal e x p an s i o n c oe ffic i e n t ；a u t o g e n o u s v o l u me d e f o rm a t i o n；n o n s t r e s s me t e r 目前 ， 随着我国水 电事业进入高坝建设高峰期 ， 一些具有 高水头、 大流量特点的高坝相继建成。泄洪洞作为水利枢纽中 永久性泄水建筑物， 其衬砌混凝土表面在运行期经常受到高速 水流的冲刷 ， 容易产生空蚀破坏 ， 影响结构稳定， 不利于整个水 利枢纽正常运行 ， 因此泄洪洞衬砌混凝土往往要求具有抗冲耐 磨的性能 ， 经常采用掺硅粉高标号混凝土。国内外关于混凝土 温控防裂的研究大都集中在大体积混凝土上， 有关衬砌混凝土 的温控防裂研究很少， 然而大量工程实践证明， 衬砌混凝土施 工期内几乎都出现了不同程度的裂缝， 一般认为温度应力过大 是重要因素之一 。郭杰等 对溪洛渡水电站导流洞不 同 厚度衬砌混凝土通水冷却效果进行了研究 ， 段云岭等 对小浪 底工程泄洪洞衬砌混凝土施工期温变效应进行了仿真分析， 冯 金根等 研究了混凝土热学特性对泄洪洞衬砌温度和温度应 力的影响， 陈勤等 研究了洞室和围岩温度对泄洪洞衬砌混凝 土温度和温度应力的影响， 但这些研究未分析泄洪洞高性能混 凝土 自由体积变形规律。在温度场和温度应力仿真计算时， 热 力学参数的选取一般参考以往工程经验和 水工混凝土结构设 计规范 ( S L 1 9 1 -2 0 0 8 ) ， 仿真计算结果的可靠性还有待提高。 高性能衬砌混凝土热膨胀系数和 自生体积变形的研究对于仿 真计算和温控防裂显得尤为重要。 为了对衬砌混凝土施工期开裂进行定量研究 ， 需要解决的 关键问题之一是材料热膨胀系数的确定。对于混凝土材料来 说， 温度变形 、 湿度变形和 自生体积变形等都属于 自由体积变 形 。温度变形是材料热胀冷缩引起的变形； 湿度应变是混凝 土因湿度变化而引起的变形； 自生体积应变是水泥水化热和其 他一些未知的物理化学变化引起 的， 其变化规律 比较复杂， 有 单调变化的( 膨胀型的、 收缩型的) ， 也有非单调变化的， 甚至还 有周期性变化的。在实际工程中， 一般采用无应力计来监测混 凝土的自由体积变形。笔者结合西南某水电站泄洪洞龙落尾 收稿 日期 ： 2 0 1 3 _ o l 一 0 5 基金项目： 国家自然科学基金资助项目( 5 1 0 7 9 0 7 9 ， 5 1 2 0 9 1 2 4 ) ； 三峡大学硕士学 位论文培优基金资助项 目( 2 0 1 3 P Y O 0 9 ) 。 作者简介： 魏晓斌( 1 9 8 8 一) ， 男， 甘肃平凉人 ， 硕士研究生， 研究方向为大体积 混凝土温控防裂。 E ma i l ：s u e s o n g O 8 1 8 s in a c n 1 2l 人 民 黄 河2 0 1 4年第 1 期 段衬砌混凝土施工， 通过其埋设的无应力计监测衬砌混凝土温 度和应变， 获取混凝土热膨胀系数， 分离自生体积变形分量 ， 为 泄洪洞高性能混凝土温控仿真计算提供可靠的参数 ， 为现场混 凝土温控措施的制定和改进提供参考。 1 基本原理 1 1 常规最d x - 乘法反演热膨胀系数 由无应力计实测的混凝土自由 体积变形可表示为 0= G ( t )+ +占 ( 1 ) 式中： c ( t ) 为混凝土自生体积变形； a Ar o为混凝土的温度变 形； 0 f 为温度热膨胀系数； 8 为湿度变形。 混凝土浇筑初期 ， 自生体积变形和温度变形都比较大。一 般情况下， 混凝土自生体积变形发生在早龄期 ， 经过一段时间 后其变形将趋于平缓。同时， 大体积混凝土内部湿度变化一般 不大， s 可以忽略。在混凝土温度梯度很大的降温阶段 ， 可 以忽略其 自生体积变形的变化， 认为在该时段 G ( t )+ 一 0， 即 一 r o 。在此条件和假定下， 选取降温阶段若干组无 应力计温度和应变测值 ， 采用最小二乘法来求得混凝土热膨胀 系数 。在获得热膨胀系数之后 ， 从无应力计测值 8 。中减去 温度变形分量 ， 即可得到 自生体积变形分量。 1 2 统计模型反演热膨胀 系数 根据过去混凝土自生体积变形的试验资料， 一般认为早龄 期混凝土 自生体积变形较大且呈单调递减趋势， 最后趋于稳 定。唐腾飞、 黄耀英等 采用三个指数公式累加来描述自生 体积变形变化规律 ， 无应力计温度测值作为温度因子， 湿度分 量忽略不计， 不另选因子， 由此建立 了基于无应力计测值的统 计模型。笔者采用该统计模型反演衬砌混凝热膨胀系数： s 0=， ( T )+G ( ) ( 2 ) ， ( )=b 0+b l T ( 3 ) G ( t )=b 2 e H 一 e - C + b 3 e 一 一e - C 2 + b e c 3 ( 川)一e C 3 ( 4 ) 式中以 ) 为温度分量； G ( t ) 为 自生体积变形分量； C C ， 、 b ， b 4 为回归系数， 根据 回归经验， C l ：0 3 ， c 2=0 0 5 ， C 3= 0 0 0 5。 在实际计算分析时， 通常采用逐步回归 的方法获得该统 计模型回归系数 ， 然后 自动分离出温度变形分量和自生体积变 形分量， 可以看出， 系数 b 即为混凝土热膨胀系数 。同样地 ， 在获得热膨胀系数之后 ， 从无应力计测值 。中减去温度变形 分量， 即可得到自生体积变形分量。 2 现场监测试验方案 2 1 现场试验条件 中国西南某在建水电站大坝为特高双曲拱坝 ， 其泄洪洞首 次采用有压接无压洞内龙落尾的型式， 将 8 5 的水头集中在全 洞2 0 的洞段内， 单洞泄量达到 4 0 0 0 m s ， 龙落尾段最大流 速高达 5 0 m s 。泄洪洞衬砌混凝土须满足防冲耐磨等要求 ， 因 此泄洪洞龙落尾段衬砌混凝土的底板和边墙采用C 6 0抗冲磨 硅粉混凝土， 试验仓衬砌混凝土配合比见表 1 。 表 1 衬砌混凝土现场施工配合比 该试验在 1 泄洪洞龙落尾 K l+ 5 2 9 8 9 4 一Kl+5 3 8 0 7 0 ( 以下简称浇筑仓 ) 衬砌混凝土浇筑现场进行， 衬砌后断面为 l 4 0 m x1 9 0 m( 宽 高) ， 边墙衬砌混凝土厚度均为 1 0 l I 1 ， 每仓衬砌混凝土长9 m， 浇筑仓断面见图 1 。 图 1 衬砌混凝土浇筑仓断面( 单位 ： c m) 2 2 现场试验设备及试验步骤 现场监测设备无应力计由无应力计筒和应变计构成( 见图 2 ) ， 无应力计筒是由薄铁皮做成的双层有底无盖的锥形筒， 确 保筒 中应变计所测得的混凝土 自由应变中不含外荷载引起的 应力应变， 应变计同时可获得埋设点的混凝土温度。 在边墙衬砌混凝土内部靠近围岩 1 0 c m竖向平面以及距 1 2 2 离边墙外表面 1 0 c m竖向平面布置两层钢筋 网。为了达到降 低衬砌混凝土最高温度的目的， 在内侧钢筋网竖向平面上按 1 0 m的垂直间距蛇形布置塑料冷却水管。准备 1 支应变计和 1 个无应力计筒 ( 标记为无应力计 N) ， 确保其完好后， 将应变 计用筒上附带的铁丝绑扎固定于筒 内。待混凝士浇筑至试验 预定位置时， 向安装好应变计的无应力计筒内装入埋设点的混 凝土， 然后将整个无应力计固定于两层钢筋网中间位置处， 直 至混凝土将无应力计整体覆盖， 无应力计埋没完成。 图 2 无应力计示意 2 3 基准时刻选取及监测成果 无应力计埋设完成后， 正确获取监测基准( 典型) 时刻也是 试验的重要环节， 衬砌混凝土浇筑仓试验监测阶段典型时刻见 表2 。元应力计 N测得的混凝土温度一应变监测值过程线见 图 3 ， 可以看出温度和应变变化过程符合高性能衬砌混凝土特 点， 监测数据规律性较好。 人 民 黄 河2 0 1 4年第 1期 表 2 典型 时刻 典型时刻 龄期 d 开仓时 间 浇筑至仪器埋设位置 冷却水管通水开始 收仓时间 拆模时 间 O o o 1 O O 2 4 6 2 3 8 4 6 O 龄期， d 图 3 无应力计 N的温度一 应变测值过 程线 2 4 热膨胀 系数和 自生体积变形反演分析 根据前述基本原理 ， 分别采用常规方法和基于无应力计测 值的统计模型反演衬砌混凝土热膨胀系数。对于常规方法， 选 取无应力计 N测值中混凝土温度梯度很大的降温阶段 ， 采用最 小二乘法反演获得的热膨胀系数为 7 7 0 3 x 1 0 C， 见图 4 。 基于无应力计 N的温度和应变实测值， 采用统计模型反演的混 凝土热膨胀系数为7 3 7 5 x 1 0 。常规方法和统计模型中 回归系数以及复相关系数见表 3 。实测应变、 拟合应变以及分 离出来的自生体积变形对比见图5 。 呷 2 倒 图 4 混凝土降温阶段 常规方法反演 的混凝土热膨胀 系数 表 3 常规方法和统计模型 回归 系数及复相关 系数 4 0 2 0 0 2 0 一4 0 謇_8o-60 一l 0 o t 2 o l 4 O I 6 0 龄期 d 图5 实测应变、 拟合应变以及 分离出来 的自生体积变形对 比 分析可见： 三个指数函数组合描述混凝土 自生体积变 形、 基于无应 力计测值 统计模 型的逐步回归复相 关系数 为 0 9 8 8 ， 这说明所建立的基于无应力计测值的统计模型是合理 的； 基于无应 力计 测值 的统计模 型反演的热膨 胀系数为 7 3 7 51 0 ， 小 于常规最小二乘 法反演 的热 膨胀系数 7 7 0 3 1 0 C； 由分离出来 的自生体积变形可以看出， 泄 洪洞边墙 c 6 0高性能衬砌混凝土 自生体积变形呈收缩型， 在 混凝土龄期达到 5 1 7 3 d时， 基本稳定在 一2 01 0 左右。 3 结语 结合某在建特大型水电站泄洪洞边墙衬砌混凝土施工 ， 通 过现场埋设无应力计监测掺硅粉高性能衬砌混凝土 自由体积 变形， 得到如下结论。 ( 1 ) 在边墙混凝土中埋设无应力计 ， 用以监测衬砌混凝土 自由体积变形， 从监测的数据来看， 规律性较好。 ( 2 ) 基于无应力计测值， 分别采用常规最小二乘法和统计 模型反演得到的衬砌混凝土热膨胀系数分别为 7 7 0 31 0 一、 7 3 7 51 0 C， 两种方法反演 的热膨胀系数比较接近， 均小 于 水工混凝土结构设计规范( S L 1 9 1 m2 0 0 8 )中l 的参考值 8 5 1 0 C。泄洪洞边墙 c 6 0 高性能衬砌混凝土 自生体积 变形呈收缩型， 单调递减 ， 后期基本稳定在 一 2 01 0 左右。 参考文献 ： 、 1 廖波 小浪底泄洪工程高标号混凝土裂缝产生的原因及防治 J 水利学 报 ， 2 o 0 1 ( 7 ) ： 4 7 5 0 2 司政， 李守义， 陈尧隆， 等 泄洪洞混凝土衬砌温变效应及温控防裂措施研 究 J 西北农林科技大学学报： 自然科学版， 2 0 1 1 ， 3 9 ( 3 ) ： 2 1 1 2 1 8 3 郭杰， 段亚辉 溪洛渡水电站导流洞不同厚度衬砌混凝土通水冷却效果研 究 J 中国农村水利水电， 2 O O 8 ( 1 2 ) ： 1 1 9 1 l 2 4 段云岭， 周睿 小浪底工程泄洪洞衬砌混凝土施工期温变效应的仿真分析 J 水力发电学报， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 5 ) ： 4 9 5 4 5 冯金根， 段亚辉， 向国兴 混凝土热学特性对泄洪洞衬砌温度和温度应力影 响研究 J 水电能源科学， 2 0 1 0 ， 2 8 ( 5 ) ： 8 2 8 5 6 陈勤， 段亚辉 洞室和围岩温度对泄洪洞衬砌混凝土温度和温度应力影响 研究 J 岩土力学 ， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 3 ) ： 9 8 6 - 9 9 2 7 吴中如 水工建筑物安全监控理论及其应用 M 北京： 高等教育出版社， 2 0 0 3 8 】 唐腾飞， 黄耀英， 周宜红， 等 基于混凝土无应力计测值统计模型反演热膨 胀系数 J 水力发电， 2 0 1 2 ( 1 0 ) ： 3 3 3 6 9 黄耀英， 郑宏， 周宜红 基于实测应变反演大坝混凝土实际徐变度 J 水利 水运工程学报， 2 0 1 2 ( 1 2 ) ： 4 4- 5 0 【 责任编辑张华岩】 l 23 、 啊