关于高寒地区基础约束区混凝土温控标准的讨论.pdf

水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第6期 关于高寒地区基础约束区混凝土 温控标准的讨论 汪 军 ，金毅勐 ，褚青来 ，黄达海 ( I ．河南省河 口村水库工程建设管理局 ，河南 济源4 5 9 0 1 0 ； 2 ．北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京1 0 0 1 9 1 ) 摘要：以高寒地区为研 究背景，通过仿真计算分析混凝土坝段温度应力包络线的发展规律。计算结 果表明：由于高寒地 区约束 区混凝土受到混凝土温差、基岩弹模、混凝土浇筑间歇期、基岩坑 洼表面 产生的应力集 中等多因素影响，该地 区的基础 约束区混凝 土温控措施标准可以在现有指标上适当放 宽。以此更好的满足 高寒环境 实际施-T - 4 ~ 求，为工程的设计施工提供有利参考。 关键词 ：高寒地 区；仿真计算；基础约束区；温控标准 中图分类号 ：T V 5 4 4 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 0 — 0 8 6 0 ( 2 0 1 3 ) 0 6 — 0 0 8 2 — 0 4 Di s c u s s i on o n c o nc r e t e t e mpe r a t ur e c o nt r ol s t a nda r d f o r f o und a t i o n r e s t r a i nt a r e a i n a l p i ne r e g i o n WA N G J u n ，J I N Y i m e n g ，C H U Q i n g l a i ，H U A N G D a h a i ( 1 ．H e k o u c u n R e s e r v o i r P r o j e c t C o n s t r u c t i o n A u t h o ri t y o f H e n a n P r o v i n c e ，J i y u a n 4 5 9 0 1 0 ，H e n a n ， C h i n a ； 2 ．S c h o o l o f T r a n s p o r t a t i o n S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，B e i j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ，B e i j i n g 1 0 0 1 9 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： B y t a k i n g a l p i n e r e g i o n a s t h e s t u d y b a c k g r o u n d ， t h e d e v e l o p me n t l a w o f t h e t h e r ma l s t r e s s e n v e l o p e o f t h e c o n c r e t e d a m s e c t i o n i s an a l y z e d t h r o u g h a s i mu l a t i o n c a l c u l a t i o n ．T h e r e s u l t s h o ws t h a t a s t h e c o n c r e t e o f t h e f o u n d a t i o n r e s t r a i n t a r e a i n a n a l p i n e r e g i o n i s a l wa y s i mp a c t e d b y S O ma n y f a c t o r s s u c h a s t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e o f c o n c r e t e，e l a s t i c mo d u l u s o f fou n d a t i o n r o c k，c o n c r e t e p l a c i n g i n t e rm i s s i o n ， s t r e s s c o n c e n t r a t i o n c a u s e d b y t h e b u mp y a n d r o u g h s u r f a c e o f f o u n d a t i o n r o c k，e t c ．， t h e c o n c r e t e t e m p e r a t u r e c o n t r o l s t a n d a r d f o r t h e f o u n d a t i o n r e s t r a i n t a r e a i n t h e r e gi o n C an b e a d a p t a b l y l o w e r e d t h a n t h a t o f t h e c u r — r e n t o n e ．I n t h i s w a y，t h e a c t u a l c o n s t r u c t i o n r e q u i r e me n t for t h e a l p i n e e n v i r o n me n t c a n b e me t s a t i s f a c t o ri l y ， a n d t h e n a f a v o r — a b l e r e f e r e n c e c a n b e p r o v i d e d fo r b o t h t h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f t h e p r o j e c t c o n c e r n e d a s w e l 1 ． Ke y wo r d s ： a l p i n e r e g i o n；s i mu l a t i o n c alc u l a t i o n；fou n d a t i o n r e s t r a i n t a r e a ；t e mp e r a t u r e c o n t r o l s t a n d a r d 高寒地区气温低 、辐射强 ，其特殊气候特 点给 当地水利水 电建设带来不小挑 战。特殊气 候地 区不 仅需要 采用仿 真计 算方 法分 析具 体 工程 ，更 需对 采用 的温 控标 准 与措施 进行 针对 性讨 论 ，优 化温 控指标 ] ，以便更好地满足高寒环境的实际操作 要求 。 我国现行混凝土重力坝与拱坝规范采用的温控标 准主要是依据早期的简单计算并参照美国垦务局的标 准制定 ] 。这些温控标准能否直接应用于高寒环境 施工值得商榷。在西藏藏木水电站的建设过程中就遇 到了强基础约束区混凝土温控标准过于严格而难以实 现的问题。本文通过仿真计算发现 ，在高寒环境下 ， 坝段 中心点的应力包络线发展规律与现行标准中规定 的约束区划分有一定出入。以此为研究对象 ，分别分 析混凝土温差、基岩弹模 、混凝土间歇期 、基岩坑洼 表面产生的应力集中对混凝土坝体应力包络线规律的 影响。同时对基础约束区的混凝土浇筑层厚度与温控 标准进行讨论 ，以期为特殊地区混凝土通仓浇筑提供 合理的温控指导方案 。 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 8 - 0 6 作者简 介：汪军 ( 1 9 7 7 一 ) ，男 ，河南济 源人 ，T程师。 Wa te r Re s o u rc e s a n d Hy d r o p o w e r En g i n e e r i n g V o 1 ． 4 4 No ． 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 仿真计算坝段温度 、应力包络线 1 ． 1 仿真计算模型及基本参数 计算模型设定混凝土最大容许拉应力为 3 M P a ，安 全系数为 1 ． 8 。通仓浇筑6 0 m，层厚 3 m，共浇筑 2 0层。 混凝土绝热温升 函数 Q= 2 5 ． 7 [ 1一e x p (一 0 ． 3 4 T O ． ) ] ( ℃) ，弹 模 E( )=3 6[ 1一e x p(一0 ． 3 5 f ”) ] ( G P a ) 。混凝土采用 8参 数公式计 算徐变 j 。环境 温度 2 0℃ ( 夏季 ) 。模 型尺寸 、网格划 分 以及 基本 计算参数如图 1所示。仿真计算先按 照基 岩气温 边 界计算 5 4 7 d ，第 5 4 8 d后 ( 即次年 7月 1 H) 开始 浇筑第 一层混凝土 ；混凝 土 自然人 仓 1 6℃ ；水 管 间距 1 ． 0 m3 ． 0 m；浇筑期间计算步长为 1 d ，直 至二期 冷却 通水 结 束 ，混 凝 土温 度 降至 稳定 温 度 场 。 图1 计算模型( 单位 ：m) 1 ． 2 仿真计算坝体温度、应力包络线 参考规范 建议 ，根据浇 筑仓长度将混凝 土分 为强约束 、弱约束和 自由 3 个 区域 ，其 中强基础约束 区的温控标 准与措施最为严格。如果简单地将 一个 6 0 m高的坝段视为一次性浇筑完成 ，计算得到的最 大应力包络线如图 2所示 ，其应力包络线发展规律验 证了强基础约束 区混凝 土温控 标准最为严格 的必要 性。但是 ，整体浇筑模型并不能真实反映坝体实际应 力发展状况。当充分考虑混凝土分层浇筑的现实施工 情况后 ，由仿真分析方法得到的温度 、应力包络线如 图 3和 图 4所示 。 对 比图 2 、图 3 、图 4 ，仿真计算模型得到的应力 包络线发展规律与整体浇筑模 型计算结果差异较大。 水利水电技术第 4 4卷2 0 1 3年第6期 量 ＼ 惶 吕 ＼ 幢 g ＼ 楗 汪军， 等∥关于高寒地区基础约束区混凝土温控标准的讨论 应力 ／MP a 图 2整体一次性浇筑模型中心点应 力包络线 图3 仿真计算模型中心点温度包络线 图4 仿真计算模型中心点应力包络线 图4中应力由高程 0 m起逐步增大，到高程 1 0 m后趋 于稳定 ，直至距顶层 1 0 m处应力开始减小。图 3中 温度包络线与应力包络线 发展规律相似 。本文 中的 仿真计算为了避免外界气温季节变化 的影 响将气温 设为恒定 ，因此 当混凝土经过二期冷却温度降至稳 定温度场时 ，温度包络线就可 以直接反应各浇筑仓 的混凝土最 大温差 。由于高寒地 区基岩温度 较低 ， 且基岩与混凝土 间放热系数大 、自身 导热 导温系数 均大于混凝土 。因此 ，靠近基岩的新浇混凝土( 前 3 仓 ) 散热更 快 ，其 最大温差 明显低 于 中间各仓 。温 差 的较大差异直接导致强基础约束区混凝土应力相 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汪军， 等∥关于高寒地区基础约束区混凝土温控标准的讨论 对 较小 。 1 ． 3 基岩弹模对基础约束区混凝土的影响 相 比于早期新浇混凝土 ，计算采用的基岩弹模一 般较高。一般认为约束 区混凝土浇筑仓会受到较大的 基础约束力。为了研究弹模对混凝土浇筑仓的影 响， 仅分别扩大和减小仿真模型中基岩的弹模参数 ，计算 选用基岩弹模为 2 0 G P a 、4 2 ． 6 G P a 、8 0 G P a 3种工 况 。 图 5为不同弹模对前 3仓浇筑块应力的影响 曲 线 。表 1为不 同工况下各仓 中心点 应力值。由图 5 和表 1 可 以看 出：增大基岩 弹模后混凝土 内部 的温 度应力随之加大 ，但增量较小 ，相邻工况间 同高程 的最大应力增量仅为 0 ． 1 MP a ；弹模改变 对应力 的 影响随着高程的增加逐步消失。就本文 中的浇筑计 划而言 ，其影响主要集 中在前两仓 ( 0 ． 1 L ) ，这就 说 明，相 比于混凝土最大温差 ，基岩对浇筑仓产生 的约束应力较小 ，而影响约束 区混凝土应力包络线 的主要因素是温差 。此外 ，当基岩作为一整块岩体 工作时 ，由于其 内部存在缺陷 ，使得实际情况 中的 基岩弹模要 比试验测量值小得多 。因此 ，对 于现实 工程 ，基岩对混凝土产生实际约束应力 比计算结果 小 曼 ＼ 惶 应力 ／ MP a 图 5不同弹模对前 3仓浇筑块应力的影响 曲线 表 1 不 同工况下各仓中心点应力值 M P a 弹模 高程／ m 2 0 GP a 4 2 ． 6 GP a 8 0 GP a 1 ． 5 O ． 9 5 1 ． O 3 1 ．1 4 4 ． 5 1 ． 4 0 1 ． 5 O 1 ． 6 0 7 ． 5 1 ． 5 7 1 ． 5 8 1 ． 5 8 1 ． 4浇筑 间歇期对应力包络线的影响 仿真计算充分考虑混凝 土浇筑仓的层间相互作 用。混凝 土 浇筑 仓 间存 在着 时 间、空 间 的作 用叠 加 ，其复杂的作 用结果导致仿真计算模型得到 的 应力包络线与整体浇筑模型包络线的巨大差异。本文 通过调整仓面间歇期 ，分别计算间歇期 5 d与间歇期 1 0 d两种工况 ，得到不 同间歇期下混凝 土中心点包 络线如图 6所示 。 应力 ／ MP a 图 6 不 同间歇期下混凝土中心点应力包络线 由图 6可知 ，两种工况 的包络线发展规律基本 相同，间隔期 1 0 d的混凝 土应力较间隔期 5 d混凝 土应力大 0 ． 1～ 0 ． 2 MP a 。该计算结果体现 了规 范中 强调短间歇 、稳增长 的必要性 。同时文 献 [ 6 ] 通过 计算证明 ：在有 固结灌浆部位 ，由于受到长 间歇期 的影响 ，该处混凝土的应力要 比其他仓高 0 ． 2 MP a 。 结合前文所述 ，说 明基岩附近区域的混凝土浇筑块 温差小 、应力低 ，其温控指标可以适当放宽 ；另一 方面，混凝土受间歇期影响 ，即使距离基岩位 置较 远( 固结灌浆区域 ) ，其温控标准反 而应该针对 具体 情况相应提高 。 2 对温控标准与措施的讨论 2 ． 1 危险区域的制定划分 通过分析仿真计算得到的应力包络线结果 ，可 知在相 同的施工条件 下 ，传统意义上约束 区的混凝 土温度 、应力均低 于中间各仓 。换言之 ，靠近 基岩 部分浇筑块 的温控指标 可以在现行要求 的基础上适 当放宽 。同时，温控标准亦不能仅凭高程增加进 入 自由区而降低，具体温控方案需要依据混凝土的浇 筑计划 ，分由夏入冬 或由冬入夏不 同情况讨论。另 外 ，由于坝体实际建设 中会遇到 固结灌浆 、冬 歇停 工等超长间歇 的情况 ，该 区域混凝土新老结合 问题 不容忽视 ，可以说 ，超长 间歇 区域才是温控 中最值 得关注的最危险区。 2 ． 2强基础约束区的浇筑仓厚度 通常 ，为防止强基础约束区混凝土受到较大基 础约束应力 ，除了严格控制其基础容许温差等温控 水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第 6期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 指标外 ，还要在 该 区域 采用薄 层浇筑 的施工方 法 。 根据前文的分析 ，基岩 附近 区域混凝 土温控标 注可 以放宽 ，施工措施也要 随之改变。事 实上 ，工地 现 场的基岩表面通 常坑洼 不平 ，薄层浇 筑的混凝 土易 受到基岩坑洼表面的影响而产生应力集 中现象 。本 文通过建立坑洼基岩模型 ( 见图 7 ) ，分别计算 了首 层浇筑块为 1 n l 、1 ． 5 I T I 、2 IT I 、3 i n 、4 m、5 I n不 同厚度 的工况。得到应力 随浇筑仓厚 度改变的发展 曲线如图 8所示 。 g ＼ 框 图 7 基 岩表面坑 洼模 型 应力 ／ MP a 图 8 首层浇筑仓应力随厚度变化的应力曲线 由图 8可 知 ，对 于 表 面坑 洼 地基 ，浇 筑 块厚 度越薄其 应 力 集 中现象 越 明显 。这 就说 明 ，当基 岩表面不平 整 时 ，薄 层浇 筑 的施 工方 法反 而会 使 混凝土浇筑 块趋 于危 险 。如果 将 1 In厚 的首 层浇 筑厚度 提 高 至 3 In，其 应 力 会 减 少 5 0 ％ 。因此 ， 在实际的施 工过 程 中 ，底 层混 凝 土浇 筑仓 的厚度 可以加 大 ，这样 不 论 是 对 于 施 工 的便 利性 而 言 ， 还是对于混凝 土 内部 应力 的安 全性 来 说都 是 有利 的。 水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第6期 3结论 汪军， 等∥关于高寒地区基础约束区混凝土温控标准的讨论 ( 1 ) 由于高寒地区年均气温低 ，靠近基岩部分混 凝土浇筑仓散热快 ，温差小。相 比基岩较大弹模 的约 束效果 ，约束 区混凝土受温差影响更为明显 ，其混凝 土内部应力反而较低。因此 ，对于坝段的危险区，应 该更多关注固结灌浆等超长间歇期区域。 ( 2 ) 根据计算结果 ，坝底约束区的温控标准与措 施可以放宽 。不仅可以适当提高基础容许温差 ，同时 亦可提高底层混凝土的浇筑厚度 。 总之 ，对于特殊气候地 区，不同高程的温控标准 与措施不能简单地依据传统的强 、弱 、自由划分方式 制定 ，而是要针对具体情况仿真计算 ，才能为工程的 设计施工提供有利参考 。 参考文献 ： [ 1 ] 刘德富 ，黄达海 ，田斌 ．拱坝封拱温度场及 温控优化 [ M] ．北 京 ：中国水利水电出版社 ，2 0 0 8 ． [ 2 ] 朱伯芳 ，李珥 ，吴龙坤 ，等 ．关于混凝 土坝基础混凝 土允许温 差的两个原理[ J ] ．水利水电技术 ，2 0 0 8 ，3 9 ( 7) ：2 1 - 2 6 ． [ 3 ] 朱伯芳 ．大体 积混凝土温度应 力与温度控制 [ M] ．北京 ：中国 电力 出版社 ，1 9 9 8 ． [ 4 ] S L 3 1 9 --2 0 0 5 ，混凝土重力坝设计规范 [ s ] ． [ 5 ] 黄达海 ，万福磊 ，黄玮，等 ．再论混凝土浇筑块长度 与其水平 约束应力 [ J ] ．水力发 电，2 0 0 7 ，3 3 ( 1 O ) ：3 8 4 0 ． [ 6 ] 李松辉 ，张 国新 ，唐忠敏，等 ．高拱坝有盖重固结 灌浆对基础 区混凝土温度应力 的影 响[ J ] ．水利水 电技术 ，2 0 1 1 ，4 2( 1 ) ： 6 2 — 6 5． ( 责任编辑郭利娜) ( 上接第 8 1页) [ 3 ] 高永 涛 ，张友葩 ，吴j r~ , j i I ．土质边坡抗 滑桩机理分 析 [ J ] ．北 京 ：北京科技大学学报 ，2 0 0 3 ，2 5 ( 2 ) ：1 1 7 — 1 2 3 ． [ 4]D I N G X i u - l i ，S HE N G Q i a n ，HA N J u n ，e t a 1 ．N u me ri c a l s i m u l a — t i o n t e s t i n g s t u d y o f r e i n f o r c e me n t me c h a n i s m o f p r e s t r e s s e d a n c h o r - a g e c a b l e [ J ] ．C h i n e s e J o u rnal o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 2 ，2 1 ( 7 ) ：9 8 0 — 9 8 8 ． [ 5] G a o Y o n g t a o ，Z h a n g Y o u p a ，Wu S h u n c h u a n ．Me c h a n i s m a n a l y s i s o f a n t i — s l i d i n g p i l e s i n s o i l s l o p e [ J ] ．J o u r n a l o f U n i v e r s i t y of S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g ，2 0 0 3，2 5 ( 2 ) ：1 1 7 — 1 2 3 ． [ 6 ] 李炳奇 ．固定锚杆或锚索头部 的构件及其用于边坡 稳定 的方法 [ P ] ．中国发明专利 ，Z L 2 0 0 4 1 0 1 0 2 9 5 0 ． 1 ，2 0 0 6 — 1 2 - 6 ． [ 7 ]L i B i n g q i ．X— F EM A n a l y s i s o f s t r e s s fi e l d s n e a r a c r a c k t i p u n d e r c o mp r e s s i v e l o a d s u s i n g t h e i mp l i c i t r e t u r n ma p p i n g a l g o r it h m i n a n e l a s t i c — p l a s t i c ma t e ri a l [ J ]．A p p l ie d m e c h a n i c s ，2 0 0 5 ，v o 1 ． 8 ， 4 6 1 — 4 7 0 ． ( 责任编辑欧阳越) 8 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m