大体积混凝土结构表面保温措施工程实例分析.pdf

3 4 雷艳 ， 赵 丽娟 ， 周 伟 大体积 混凝 土结构表 面保 温措 施 工程 实例分析 文章编号 ： 1 0 0 6 -2 6 1 0 ( 2 0 1 1 ) O 1 0 0 3 4 7 大体积混凝土结构表面保温措施工程实例 分析 雷 艳 ， 赵丽娟 ， 周 伟 ( 1 q - 国水电顾问集团西北勘测设计研究院 ， 西安7 1 0 0 6 5 ； 2 四川大渡河双江 口水电站开发有限公 司， 四川马尔康6 2 4 0 0 0) 摘要 ： 为了避免某水电站坝体在施 _T和蓄水运行过程 中因温度应力超过混凝土抗拉强 度而产生裂缝 ， 结合该大 坝 的实际丁程情况， 将大型商业有限元软件 A N S Y S与三维有限元温控主体程序 R C T S相结合， 对该水电站坝体在坝轴 线方向横缝之间的整个坝段施T期和运行期的温度场、 温度应力进行了仿真计算。计算结果表明： 坝体基础常态混 凝土垫层部位在外温变化及基岩约束双重作用下， 出现了较大的拉应力。混凝土表面铺设保温板后， 减小了外界温 度对混凝土的影响， 垫层部位的最大应力有所降低。可见， 混凝土表面铺设保温板是降低温度应力的有效措施。 关键词 ： 大体积混凝 土 ； 重力坝 ； 表 面保温 ； 温度 场 ； 温度应力 中图分类号 ： T V 4 3 1 ： T V 5 2 3 文献标识码 ： A Ca s e s t ud y o f i n s ul a t i o n me a s ur e s f o r t h e s ur f a c e o f m a s s c o nc r e t e s t r uc t u r e L E I Y a n ， Z HA 0 L i j u a n ， Z H O U We i ( 1 H y d r o c h i n a X i b e i E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， C H E C C ， X i t n 7 1 0 0 6 5 ，C h i n a ； 2 S i c h u a n D a d u h e S h u a n g j i a n g k o u H y d r o p o w e r P r o j e c t D e v e l o p m e n t C o mp a n y L t d ， Ma e r k a n g 6 2 4 0 0 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： T o p r e v e n t t h e d a m o f a h y d r o p o we r s t a t i o n f r o m c r a c k i n g d u e t o t e mp e r a t u r e s t r e s s l a r g e r t h a n c o n c r e t e t e n s i l e s t r e n g t h d u r i n g d a m c o ns t r u c t i o n a n d i mp o u n d me n t ，t h i s p a pe r ，b a s e d o n t he a c t ua l o p e r a t i o n c o n d i t i o ns o f t he da m a nd b y c o mbi n i n g t h e l a r g e c o mme r c i a l F EM s o f t ware ANS YS wi t h t h e 3 D F EM t e mp e r a t u r e c o nt r o l p r o g r a me RCTS，c a r r i e s o u t s i mul a t i on c a l c u l a t i o n o f t h e t e mp e r a t u r e fi e l d a n d s t r e s s o f t h e w h o l e d a m b l o c k b e t w e e n t h e l a t i t u d i n a l j o i n t s a l o n g t h e d a m a x i s d i r e c t i o n i n t h e c o n s t r u c t i o n a n d o p e r a t i o n p e r i o d s T h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s h o ws t h a t t h e n o r ma l c o n c r e t e c u s h i o n o f d a m f o u n d a t i o n h a s g r e a t t e n s i l e s t r e s s u n d e r t h e d o u b l e a c t i o n o f e x t e r n a l t e mp e r a t u r e c h a n g e a nd b e d r o c k c o ns t r a i n t s Th e i ns u l a t i o n b o a r d s l a i d o v e r t h e c o n c r e t e s ur f a c e r e du c e t he i n flue nc e o f e x t e r n a l t e mpe r a t ur e on t h e c o n c r e t e a n d t h e ma x i mu m s t r e s s o f t h e c u s h i o n dr o ps i n s o l n e d e g r e e Th e r e f o r e，t h e e f f e c t i v e me a s u r e t o r e du c e t e m p e r a t u r e s t r e s s i s t o l a y i ns u l a t i o n bo a r d s o v e r t h e c o nc r e t e s u r f a c e Ke y wo r ds： ma s s c o n c r e t e；gra v i t y d a m ；s ur f a c e i ns u l a t i o n；t e mp e r a t ur e fie l d； t e mp e r a t ur e s t r e s s 工程实例证明 ， 大体积混凝土产生的裂缝大多 都是在浇筑过程中由于温度变化而引起的。气温骤 降引起混凝土内外温度梯度过大而产生很大的拉应 力， 这些温度应 力是产生表面裂缝 的主要原 因。因 此， 对大体积混凝土而言， 控制其温度应力， 防止和 收稿 日期 ： 2 0 1 0 9 2 6 作者简介 ： 雷艳( 1 9 8 2一 ) ， 女 ， 陕西省渭南 市人 ， 助理 工程师 ， 从 事水电站水工设计工作 减少结构的裂缝 ， 从而提高混凝土的抗渗、 抗裂 、 抗 侵蚀性能和耐久性是极其重要的 。实践经验证 明， 在大体积混凝土表面铺设保温板是一种有效的 温控防裂措施 ， 尤其是对于高寒地区以及受寒潮作 用 的大体积混凝土建筑物效果 十分明显 。本文结合 某严寒地区碾压混凝土重力坝工程 ， 用等效表面散 热系数法计算分析了无保温板 和有保温板条件下坝 体的温度场 、 温度应力场， 进一步证 明了大体积混凝 土表面铺设保温板对于防止表面裂缝的有效性 。 3 5 图 1挡水坝段横剖面 图 1 T程慨 况 某水利枢纽 工程 为 I等 大( 1 ) 型工程 ， 枢 纽 由 碾压混凝土重力坝 、 溢流表孑 L 、 泄洪中孔 、 放水底孔 、 发 电引水系统 、 电站厂房和副坝组 成。设计洪水标 准为 1 0 0 0年一遇 ( P= 0 1 、 洪峰流量 9=8 7 6 8 IT I s ) ， 校核洪水标准为 5 0 0 0年一遇( P= 0 0 2 、 洪峰流量 p=1 2 0 1 0 m s ) 。碾压混凝土重力 坝坝 顶高程为 7 4 5 5 0 IT I ， 最大坝高 1 2 1 5 0 m， 坝顶宽 1 0 m， 总长 1 5 7 0 0 0 1T I 。本文仿真计算以碾压混凝 土 重力坝段为例 ， 重力坝段上游面 6 7 2 0 0 1 3 1 高程以上 为铅垂面， 6 7 2 0 0 1 1 高程以下上游坝坡为 1 ：0 1 5 ， 下游坝坡 1 ：0 7 5 ， 见图 1 。 如图 1所示 ， 坝体由多种材料组成 ， 基础垫层厚 1 2 IT I ， 为 R 。 。 2 0 0 W8 F 1 0 0； 上游防渗体从高程6 2 5 2 0 1T I 到 高 程 6 7 5 0 0 i n ， 采 用 二 级 配 碾 压 混 凝 土 R 1 8 o 2 0 0 W1 0 F 1 0 0 ， 从 高程6 7 5 0 0 IT I 到坝顶 ， 采用 二 级配碾压混凝土 R1 8 0 2 0 0 W1 0 F 3 0 0； 下游表面 3 5 m 厚度范 围内在 高程6 5 0 0 0 I n以下为二级配碾 压混 凝 土 Rl 8 (】 2 0 0 W1 0 F 3 0 0 ， 以 上 为 二 级 配 碾 压 混 凝 土 单位 ： c m； 高程 ， In R 8 0 2 0 0 W6 F 2 0 0 ； 坝 体 内部 基 础 垫 层 以 上 ， 高 程 6 5 0 0 0 m 以 下 为R 8 0 2 0 0 W4 F 5 0 ，其 余 均 为 R1 8 o 1 5 0W 4F 5 0。 2 丛术资料 2 1 坝址 气温 和水 温 坝址多年 平均 气温 为 2 8； 极 端最 高气 温 4 0 1 ； 极端最低气温 一 4 9 8 ； 多年平均降水量 为 1 8 3 9 mm； 多年平均蒸发量为 1 9 1 5 1 m m； 最 大 积雪深 7 5 c m； 最大冻土深 1 7 5 c m。 本文在仿真计算 中， 气温按照每个月的旬气温 资料进行拟合 ， 水温随水深和旬气温变化。 2 2 碾 压 混凝土 热 力学 参数 基岩及坝体混凝土热力学参数见表 1 。 混凝土徐变度 c近似按下列公式计算 ： C ( t ， 丁 )=( A 1 +B 1 丁 一 ) 1一e x p 一Dl ( t ) + ( 2+ 2 r ) 1一e x p 一D 2 ( t r ) 单位 ： 1 0MP a ， 其 中 A 1 ， B 1 ， C l ， Dl ， A 2 ， B 2 ， C 2 ， D 材料特性参数采用值见表 2所示 。 2 3 施工 进度 及 蓄水 过程 该计算坝段 的混凝土开始浇筑 时间为 2 0 0 7年 3 6 四艳 ， 赵 丽 ， 心伟 大体 识 ：记凝 土 结构表 面保 温措 施工枉 实例 分析 4月 1日， 竣 ： 时 间 为 2 0 0 9年 9月 2 3 日， 冬 季 ( 1 l 一3月份 ) 停工 。碾压混 凝土浇筑 层厚 为 0 3 m， 总共浇筑高度为 1 2 1 5 I T I 。由于篇幅限制基础常 态混凝土及碾压混凝土的具体施工进度安 排未列 出， 水库蓄水过程如表 3所示 。 表 1 坝体混凝土及基岩热力学参数拟 定值 表 k 1 注： 为混凝土龄期 ， 以 d为单位。 表 2 混凝土徐变度材 料特性参数 采用值表 表 3 坝体挡水水位表 3 JII I 力 案 骑： 模 3 l温控 方案 为了研究保温板保温效果 ， 本文在计算 中采取 以下 2种方 案对 比分析 ： 方案 1 ， 混凝土浇筑采用 自然入仓方式 ， 即不采取 任何温控措施， 不埋设冷却水管， ? 昆 凝土表面不采取保 温措施， 自然人仓方式的浇筑温度为旬平均气温； 方案 2 ， 在方案 1的基础上， 在坝体上下游面铺 设 5 c m的泡沫苯板， 混凝土浇筑初凝后开始保温， 全 年保温， 并且对施丁期的 2个长间歇面( 高程 6 4 5 m 和 6 9 9 m)分 别 在 间 歇 期 冬 季 ( 2 0 0 7 1 1 0 1 2 0 0 8 0 3 3 1 和 2 0 0 8 1 1 0 1 2 0 0 9 0 3 3 1 ) 进行保 温， 保温材料同上下游面。保温材料热学性质见表 4 。 表 4 保温材料特性表 材 料 m 重 - 3 张 m h - 1 一 。 泡沫苯板( 5 c m )0 1 2 5 6 0 2 4 2 5 8 1 0 2 0 2 4 2 3 2计 算模 型 取坝体在坝轴线方 向横缝之间的整个坝段为计 算模型。由于温度应力是一个 自平衡力系 ， 其影响 主要发生在温度变化激烈部位 的周围， 而坝体对地 基温度的影响深度一般不超过 3 0 m， 同时考虑到计 算规模和时问上的限制 ， 取计算域坝基范围为： 在坝 踵上游和坝趾下游以及地基深度方 向均取约 1倍坝 高为 1 5 0 m。 整体坐标系的坐标原点在坝段左侧坝踵处。坝 轴线指向右岸为 轴正向， 沿水流方向为 Y轴正向， 铅直向上为 轴正向。坝体计算模型如图 2所示。 图 2计 算 模 型 图 温度场计算 中边界条件的选取 ： 地基底面 和 4 个侧面以及坝体横缝面均为绝热边界。坝体上下游 面在水位以上为固 一气边界， 水位以下为 固 一水边 界。固 一气边界按第 3类边界条件处理 ， 方案 1固 一 水边界按第 1 类边界条件处理 ， 方案 2固 一水边 界按第 3类边界条件处理。应力场计算边界条件的 选取 ： 地 基底 面按 固定 支座处 理 ， 地 基在 上下 游方 向 按 Y向简支处理 ， 地基在沿坝轴线方 向按 向简支 处理 ， 其余为 自由边界。 4 温度场 汁算结果 分析 根据相关 的资料和施工进度安排 ， 进行 了施工 期和运行期全过程温度场仿真计算 。施工期按每 0 2 5 d ( 浇筑碾压混凝土 1 薄层的时问) 计算 1次坝 体温度场 ， 运行期计算了 1 8 a ， 时间步长为 0 5 3 0 西北 水 电 2 0 1 1年 第 1 期 3 7 d的变步长。由于计算成果数据量很大 ， 限于篇 幅， 仅 以施工期为例说明温度场变化规律 。分析施工期 及运行期温度仿真场计算结果可以看 出： 图 3 方案 1 温 度等值 线图 图 4方案 2温度等值 线图 ( 1 )方案 1和方案 2的温度等值线图( 图 3 ， 4 ) 相比较可以看 出， 冬季外界环境温度较低 时， 由于保 温板的保温效果 ， 方案 2混凝土表 面温度受环境温 度影响小 ， 比方案 1同时期混凝土表 面温度高 出许 多， 可见采用保温板进行保护之后 ， 可以提高坝体表 面的最低温度值 ， 从 而大大减小低温季节坝体表面 温 差 。 ( 2 )从典 型点 的温 度历 时 曲线 ( 以长 间歇 面 6 4 5 m高程典型点 ， 图 5 7 ) 可 以看 出， 坝体表面典 型点( 上游面点和下游面点 ) ， 其温度受外界环境 温 度影响较大 ， 在混凝土浇筑之后 ， 其 温度首先升高 ， 然后开始下降 ， 并且随外界环境温度呈简谐变化 ， 当 水库蓄水后 ， 典型点温度为水温 ， 水深小于 6 0 IT I 时， 水温随时间呈简谐变化 ， 水深大于 6 0 I l l 时， 典型点 温度为水温 5 q C； 坝体 内部点( 中心点 ) ， 其温度受 外界环境温度影 响较小 ， 温度随时问下降较为缓慢 。 通过典型点历时对 比曲线可知 ， 保温板具有保温隔 热作用 ， 能有效地降低 混凝土表 面温差 ， 如 图 4所 示 ， 5 e m的保温板可 以将混凝 土表面 一2 2 2 2 的温 差 ， 减小至 一8 c c 2 0 o ( = 。保 温后 ， 坝体 中 心混凝土温度升高。 ( 3 )通过计算可知 ， 采用 自然人仓的方式浇筑 ， 浇筑温度为旬平均气温 ， 不采取任何温控措施 ， 坝体 各部位最高温度均超过规范允许最高温度。方案 2 对坝体上下游表面保温 ， 仅降低了坝体表面温差 ， 各 部位最高温度仍然很 高。因此 ， 还要采用 通水冷却 措施 ， 降低坝体中心温度。 5 应力场计 f 算结果分析 根据所给力学参数 、 施工进度安排以及温度场 计算结果 ， 对此工程进行了施工期 和运行期全过程 温度徐变应力场仿真计算。为了既能反映坝体温度 应力随时间的变化情况 ， 同时又能分析研究设置保 温板对坝体温度应力 的影响 ， 分别整理 了方案 1和 方案 2中横剖面典型点 ， Y ， 个方 向的最大温度 应力包络线图( 图8 ) ； 方案 1和方案 2长间歇面 6 4 5 m高程最大温度应力分布 图( 图 91 1 ) ； 方案 1和 方案 2长间歇面 6 9 9 m高程典型点 ( 中心点) 温度 应力历时对 比曲线。( 所有应力图中拉应 力为正) 。 限于篇幅 ， 仅 以施工期为例说 明温度场变化规律。 温度应力计算成果 可以看 出： ( 1 )坝体因为在冬季( 2 0 0 7 1 1 0 1 0 0 8 0 3 3 1 和 2 0 0 8 1 1 0 1 _2 0 0 9 0 3 3 1 ) 无法施工 ， 长时间停歇 而造成越冬层面( 高程 6 4 5 13 3 和 6 9 9 m) 。由于该 坝 址地处高寒地区， 在方案 i中越冬层面裸露 ， 受外界 环境影响温度偏低 ， 尤其是上下游棱角部位处于双向 散热状态 ， 致使上下游棱角部位超冷 。由于内表温差 较大， 在越冬层面 出现较 大的拉应力。方案 1 ， 在高 程 6 4 5 m处， 为 1 9 6 MP a ， 为4 3 5 M P a ， 为 3 6 9 M P a ； 在高程 6 9 9 m处 ， 为1 4 4 MP a ， o r 为2 1 7 MP a ， 为 1 9 1 MP a 。方案 2在冬季停工期 间对越冬层面铺设保温板， 减小外界环境对层面的影 响， 提高了越冬层面的温度 ， 越冬层 面最大应力有所 降低。方 案 2 ： 在高程 6 4 5 m 处， 为0 9 9 M P a ， 一 为1 7 4 MP a ， 为 1 9 1 M P a ； 在高程 6 9 9 1T I 处， 踯 如 柏 如 O 加 勋 加 抑 O 图 7长间歇面 6 4 5 m高程典型点 【 下游面点 ) 温度历时 曲线图 越 赠 西北 水 电 2 0 1 1 年 第 1 期 3 9 图 8 中横剖面上游面温度应 力 包络线 图 倒 ( 1 )坝体基础常态混凝土垫层部位由于要进行 坝基固结灌浆 ， 造成垫层混凝土长间歇 ， 在外温变化 及基岩约束双重作用下 ， 出现了较大 的拉应力。混 凝土表面铺设保温板 后 ， 减小 了外界温度对混凝土 的影响 ， 垫层部位的最 大应力有所降低。为避免产 生基础贯穿性裂缝 ， 对基础灌浆区域应在低温季节 施工 ， 并加强养护 和防裂措施 ， 如预冷混凝土骨料 、 通冷却水管降温 、 表面保温等 ， 以减小混凝土内外温 差 。 ( 2 )坝体上下游 面铺设 5 c m 泡沫苯板进行表 面保温后 ， 减弱了混凝土与外界 的热交换 ， 降低了外 界环境对混凝土表 面的影 响， 提 高了低温季节坝体 表面的温度值 ( 如不铺设保温板混凝土表面温度为 一 2 2 ， 铺设保温板后温度为 一8 o C) ， 减小 了高温 季节坝体表面的温度值 ( 如不铺设 保温板混凝土表 面温度为 2 2 ， 铺设保温板后温度为 2 0) ， 减小 了混凝土表面温度变幅， 降低 内外温差 ， 从而有效降 低了混凝土的温度应力 ( 坝体 向最大应力 由 5 5 8 MP a 减 小 至 4 1 3 MP a ) 。 ( 3 )坝体因为冬季无法施工 ， 长时间停歇而造 成越冬面， 越冬层面受外界环境影响温度偏低 ， 尤其 是上下游棱角部位处于双向散热状态 ， 致使上下游 棱角部位超冷 。由于内表温差较大 ， 在越冬层面 出 图 9 方 案 l 长 间歇 面 6 4 5 m高程 向最大温度应力分布 图 现较大的拉应力。在越冬期对越冬层 面铺 设 5 c m 泡沫苯板进行表面保温后 ， 越冬层面 的最大应力降 低幅度达到 1 5 7 6 0 。 ( 4 )由于坝址所在地 区位于高寒地区 ， 环境温 差大 ， 因此计算坝体温度高 ， 各部位均超过规范允许 温差要求 ； 铺设保温板后坝体 计算所得 的拉应力有 所改善 ， 但仍然偏 大 ， 所 以有必要采 取其他 温控 措 施 ， 如预冷骨料 、 通水冷却等措施 。综合考虑其它温 控措施 ， 使坝体最高温度和应力降低到允许范 围内。 日 星 图 1 0 方案 1 长 间歇面 6 4 5 m高程 Y向最大温度应 力分 布图 参 考文献 ： 潘 1 9 9 家 0 铮 水1 ： 建筑物的温度控制 M 北京 ： 水利 电 H版社 ， 奎 积 混 凝 土 温 一 旧 与 蝴敝集 版 , 1 9 9 9 一 ， 6 毒 力 场 仿 真 分 析 M 西 安 ： 西 翼 笮 水 利 枢 纽 混 凝 土 一 程 温 度 控 制 研 究 M 北 京 ： 芸 挲 2“0 0 3 一 。 ， 干 H N , 2 0 0 1 ， 7 ， 蓓 兰 期 工 程 主 坝 大 体 积 混 凝 土 内 部 温 度 控 制 l 3 吕 沈 义 犬f 本 昆 凝土施 Tl M_ 北 中国建 T = 业 ； 一 o g, 2 一 o o 6 ,( 3 一 ： 51 - 5 6 一一” 版 社 1 9 8 7 。 。 。 西北水 电 征文启 事 西北水电 杂志系中国水电顾问集团西北勘测设计研究院主办的技术性期刊。1 9 8 2年创刊， 国内外公 开发行。 西北水电 杂志为陕西省优秀科技期刊； 中国科技论文统计源期刊 ； 中国学术期刊 光盘版 人编 期刊； 北极星 网站入网期刊 ； 中国水利水 电文摘人编期刊。 西北水电 杂志以推动西北地区水利水电科 技进步为宗 旨， 主要刊登有关大、 中型水利水 电工程的科技论文， 设置有水文与水资源、 地质与勘测、 水工与 施工、 机电与金属结构 、 科研与试验 、 专题研究、 工程监理、 经营与管理 、 国内外学术活动简讯等栏 目。本刊为 双月刊， 全年 6期 ， 每期在 2、 4、 6 、 8 、 1 0 、 1 2月末出版， 刊号 G N 6 1 1 2 6 0 T V。 西北水电 期刊以推动我国水利水 电科技进步为办刊宗 旨， 主要刊登水利水电规划 ， 勘测设计科研 和 施工及 国外运行等方面的经验总结 、 专题报告 、 重要技术革新成果 、 学术论文报告 、 工程监理 ， 以及 国外研究 成果综述、 有参考价值的国外译文 、 国内外学术活动简讯等方面的文章。欢迎大家踊跃投稿 。