细骨料品种对混凝土大坝温度应力的影响.pdf

第 3 0卷第 1 期 V 0 I 3 0 No 1 水 利 水 电 科 技 进 展 Ad v a n c e s i n S c i e n c e a n d T e c h n o l O W o f Wa t e r R e s o u r c e s 2 0 1 0年 2月 F e b2 0l 0 D O 1 ： 1 0 3 8 8 o j i s s n 1 0 0 6 7 6 4 7 2 0 1 0 O 1 0 0 2 细骨料品种对混凝土大坝温度应力的影响 董福品， 丁 晓， 李赵宇 ( 华北 电力大学 可再生能源学院 ， 北 京 1 0 2 2 0 6 ) 摘要 ： 以某大型水 电站工程 的河床坝段为例 ， 仿真分析 了玄武岩砂混凝土、 石灰岩砂 混凝土和 白云 岩砂混凝土等3 种细骨料品种混凝土大坝的温度和温度应力， 分析结果表明， 混凝土细骨料品种对 大坝的温度应力及温控特性具有较大的影响， 并得到了温控措施与坝体抗裂安全系数的关系， 为细 骨料品种的优化选择提供依据。 关键词 ： 水工结构 ； 安全系数 ； 温控措施 ； 细骨料品种选择 中图分类号： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 6 7 6 4 7 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 1 卜O 3 I n f l u e n c e s o f f i n e a g g r e g a t e s o n t h e r m a l s t r e s s e s i n c o n c r e t e d a ms D O N G F u p i n ，D I N G X i a o ，L I Z h a o y u( &h o o o f R e n e w a b l e E n e r g y ，N o r t h C h i n a E le c t r i c P o u e U n i v e r s i t y ， ， lg 1 0 2 2 0 6 ，C h i na ) Ab s t r a c t ：T a k i n g a r i v e r b e d d a m r e a c h o f a l a r g e s c a l e h y d r o p o w e r s t a t i o n a s a n e x a mp l e ，t h e t e mp e r a t u r e s a n d the r mal s t r e s s e s of c o n c r e t e d a ms w i t h 3 k i n d s o f fi n e a g g r e g a t e s ， b a s a l t c o n c r e t e ，l i me s t o n e c o n c r e t e c o n c r e t e a n d d o l o s t o n e c o n c r e t e ，w e r e s i mu l a t e d a n d an a l y z e d T h e r e s u l t s s h o w tha t t h e fi n e a g g r e g a t e s i n c o n c r e t e h a v e i mp o r t ant i n fl u e n c e s o n t h e t h e r ma l s t r e s s e s a n d t e mp e r a t u r e c o n t r o l c h a r a c t e ris tic sTh e r e l a t i o n s hi p b e t we e n t h e t e mpe r a t u r e c o n t r o l me a s il r e s a nd the s a f e t y f a c t o r o f c r a c k r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e d a ms w e r e y i e l d e d，a n d i t w o uld he u s e f u l f o r t h e o p t i mi z a t i o n an d s e l e c t i o n of fi n e a g g r e g a t e s Ke y wo r d s ：h y d r a uli c s t r u c t ure ；s a f e t y f a c t o r ；t e mpe r a t u r e c o n t r o l me a s u r e ；s e l e c t i o n of fi n e a g g r e g a t e s 混凝土 中的骨料对混凝土的热学和力学性能具 有重要的影响。混凝土性能的改变不仅对混凝土 坝的温度应力状态和抗裂能力有影 响 ， 而且对温控 措施及温控费用带来相当大的影响。同一种骨料可 能对混凝土有些性能的影响是有利 于温控 的， 而对 另一些性能的影响是不利于温控的 ， 因此 ， 无法直接 判断骨料对温控总体影响的好与坏。当有几种骨料 品种可供选用时 ， 需要通过温度应力仿真分析和坝 体抗裂安全系数的研究来判断和选择 。 过去 ， 人们研究骨料品种对混凝土性能的影响 时， 细骨料品种通常选择岩性一致 的同一种岩石。在 工程 中， 根据现场的实际情况 ， 混凝土 中的细骨料品 种有可能选择不同岩性的岩石。因此 ， 细骨料品种的 选择对大坝温控挣 I生的影响是一个值得探讨 的问题。 本文结合某大型水 电站工程中细骨料 品种对混凝土 性能影响的试验结果 ， 仿真分析 了 3 种细骨料品种混 凝土大坝的温度和温度应力 ， 综合研究了在混凝土组 成材料中只改变细骨料品种的情况下， 细骨料品种对 大坝混凝土温控特性的影响和在温度控制方 面的优 劣， 得到了温控措施与坝体抗裂安全系数的关系， 为 细骨料品种的优化选择提供依据。 1 研究方案和主要参数分析 选取某大型水电站工程的河床坝段进行分析研 究。用 2 0 结点等参数单元对坝体和地基进行 网格 剖分 ， 用大体积混凝 土结 构温度场和温度徐变应力 仿真分析软件 D T S S A进行 三维温度和应力仿真分 析 2。计算从浇筑第 1层混凝 土开始 ， 一 直算 到坝 体温度场达到准稳定温度为止。计算 中模拟了混凝 土施工过程 、 材料性能的变化过程 、 外界条件( 气温 、 水温、 保温、 水管冷却) 的变化过程。研究从 3 方面 进行 ： 无温控措施条件下三维温度应力仿真分析 ； 浇筑温度对抗裂安全系数的影响研究 ； 在预冷 和水管冷却措施下浇筑温度对抗裂安全系数的影响 研究。 选择 3 种细骨料品种的混凝 土， 分别为玄武 岩 砂混凝土、 石灰岩砂混凝土和 白云岩砂混凝土。其 主要热学和力学性能参数试验结果见表 l 和表 2 。 作者简介 ： 董福品( 1 9 5 9 一 ) ， 男 ， 山西应 县人 ， 教授 ， 博 士， 从 事水 工结构研 究。E - m a i l ： d o n g f p n c e p u e d u C 13 水利水电科技 进展 ， 2 0 1 0 ， 3 0 0) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l ： h h u c “h t tp： k k b Mu e d u m 。 l I 表 1 混凝土的热学参数 表 2 混凝土的弹 性模量和极 限拉伸值 混凝土 弹性模量 G P a 极限拉伸值 1 0 “ 类 型 7 d 2 8 d 9 0 d 1 8 0 d 7 d 2 8 d 9 0 d 1 8 0d 试验结果表明， 在满足设计要求的条件下 ， 不同 细骨料 品种配制的混凝土的弹性模量、 线胀系数 、 极 限拉伸值 、 绝热温升等指标存在一定的差别。混凝 土热膨胀系数 、 绝热温升等对混凝土大坝的温度应 力影响 比较大 ， 弹性模量 的变化既影响温度应力的 量值 ， 又影响混凝土的抗裂能力 ， 极限拉伸值的变化 也影响混凝土的抗裂能力。在热膨胀系数和绝热温 升方面 ， 石灰岩砂混凝土优于其他 2种混凝土。在 弹性模量方面， 对温度应力来讲 ， 玄武岩砂混凝土优 于其他 2种混凝土 ； 对混凝土抗裂能力来讲 ， 白云岩 砂混凝土优于其他 2种混凝土。在极 限拉伸值方 面， 玄武岩砂混凝 土优于其他 2种混凝土。因此 ， 3种细骨料品种混凝土的性能变化对温度应力和混 凝土抗裂能力的影响是不一致的。 2 混凝土温度应 力计算原理和方法 2 1 混凝土温度场和温度徐变应力有限元法计算 原理 根据热量平衡 ， 混凝土温度场的导热方程为 I硼0 T = n ( + 雾+ ) + 3 0 ( 1 ) I硼 I + 十 J + ( 1 式中： 0为导温系数 ； T为温度； 0为混凝土绝 热温 升 ； r为时问。 根据变分原理 ， 热传导 问题可以等价地转化为 泛函的极值问题， 把求解区域 划分为有限个单 元， 所有单元集合后得到方程组： ( H + R ) 血一 + 心= 0( 2 ) 求解此方程即可由 r时刻的温度值 得到各结点 在 r+ r时刻的温度值 + 。 由有限元法中的平衡方程可得混凝土温度徐变 1 2 水利水电科技进展 ， 2 O l O ， 3 0 ( 1 )T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 应力有限元法基本方程： KA 6 = P + P +P +A e o ( 3 ) 式 中： 为结 构的刚度 矩阵 ； P 为外荷载 增量 ； P ： 为徐变变形产生 的当量荷载增量 ； 为温度 荷载增量 ； Ae o 为 自生体积变形荷载增量。 由式( 3 ) 求得位移增量 后， 应力增量由式 ( 4 ) 计算l 3 J 。 =D ( BA 6 叩 一 一A o ) ( 4 ) 2 2 混凝土结构水管冷却等效分析 水管冷却效果受混凝土温度与水管中水温之间 差值的控制， 差值越大， 冷却效果越好； 反之， 差值 小， 冷却效果差。因此， 影响水管冷却效果的因素除 了开始冷却时混凝土温度 与水管水温 的差 值( 7 1 0 一 ) 和水泥水化热外 ， 还有一个很重要 的因 素， 即混凝土表面散热。文献 4 中提出了考虑混凝 土表面散热对水管冷却效果影响的计算方法。 2 2 1 第1 种计算方法 设在 r内由于混凝土表面散热引起的混凝土 平均温度降低为 并且假设 AT 只发生在时段 末 ， 从 z 1 0 到 r 时间混凝土表面散热对水管冷却效 果的影响为 f n = 7 1 ， 1 一 ( r 一 ) ( 5 ) i = 1 2 2 2 第2 种计算方法 设由混凝土表面散热引起的混凝土平均温度降 低值 r， ( r ) 在 r内是线性变化 的。经过推导 ， 得 从 r 。 到 时问混凝土表面散热使水管冷却效果降 低的温度值为 T 2 A T u f l l 一 l ( 6 ) 一1 3 细骨料品种对大坝温度应力和温控特性 的影响 首先研究了无温控措施条件下坝体的温度应力 和抗裂安全系数 。仿 真计算了坝体 的温度场 ， 玄武 岩砂混凝土坝体的最高温度为 4 8 8， 石灰岩砂混 凝土坝体的最高温度为 4 6 0， 白云岩砂混凝土坝 体的最高温度为 4 7 2 c c 。计算结果表明， 玄武岩砂 混凝土坝的温度最高 ， 石灰岩砂混凝 土坝的温度最 低。对比表 1 中 3 种混凝土材料的绝热温升值， 坝 体温度的高低与混凝土绝热温升的高低相对应。 由温度徐变应力仿真计算结果可知， 坝体温度 应力突出的部位是基础强约束区。3种细骨料品种 混凝土中玄武岩砂混凝土的温度徐变应力最大 ， 最 大拉应力为 2 3 M P a ； 白云岩砂混凝土次之 ， 最大拉 应力为 2 2M P a ； 石灰岩砂混凝土最小 ， 最大拉应力 E - m ai l ： M u e d u m t t t p： k k b h h u e d u C n 为 1 9M P a 。 单从温度应力的大小不能完全判别各种混凝土 材料的优劣 ， 必须从综合反映混凝 土材料各种性能 的抗裂安全系数方面进行判别。玄武岩砂混凝土坝 体的抗裂安全系数 为 1 5 4 ， 石灰岩砂混凝土坝体 的 抗裂安全系数为 1 9 1 ， 白云岩砂混凝土坝体 的抗裂 安全系数为 1 6 6 。研究结果表 明， 石灰岩砂混凝土 坝体的抗裂安全 系数优 于其他 2种混凝土坝体 ， 白 云岩砂混凝土坝体的抗裂安全系数又优于玄武岩砂 混凝土坝体 。因此 ， 细骨料 品种对混凝土坝体 的抗 裂安全性具有 比较大的影响。 4 混凝 土预 冷与坝体抗裂安全 系数的关 系 把混凝土进行预冷， 混凝土浇筑温度分别为l 0 ， 1 4和 1 8 。温度应力仿真计算结果如表 3所示。图 1 给出了 3 种细骨料品种混凝土材料坝的混凝土浇筑 温度与坝体抗裂安全系数的关系曲线5 -6 1 。 表 3 混凝土预冷情 况下坝体最大温度拉应 力 图 1 混凝 土 浇 筑 温 度 与 坝 体 抗 裂 安全系数的关系( 无冷却水管) 研究结果表明， 在混凝土预冷情况下 ， 混凝土的 浇筑温度越低， 坝体的抗裂安全系数越大 ， 随着混凝 土浇筑温度 的降低， 3种细骨料 品种混凝 土坝 的抗 裂安全 系数之问的差别逐渐增加 ； 要达到相 同的抗 裂安全系数 ， 石灰岩砂混凝土需要的温控费用较低 ， 玄武岩砂混凝土需要 的温控费用较高 ， 白云岩砂混 凝土需要的温控费用介于石灰岩砂混凝土和玄武岩 砂混凝土之间。 5 在预冷和水管冷却措施作用下坝体抗裂 安全 系数 的敏 感性 分析 当有预冷和水管冷却共 同作用时 ， 为 了比较不 水利 水电科技进展 ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 】 )T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 同细骨 料 品种混 凝土 坝 的温控 特性 ， 分别 计算 了 3 种 细骨料 品种混凝土材料坝在冷却水管作用下不 同浇筑温度时的温度应力和安全系数 。冷却水管采 用高强聚 乙烯 ( H D P E) 管 ， 外径 3 2 i Y ii n ， 壁 厚 2 n q l n 。 混凝土一期冷却水温 l 2 ， 浇筑后开始通水， 持续 通水 1 5 d 。混凝土二期冷却水温 8 ， 浇筑后 9 0 d开 始通水 ， 持续通水冷却到混凝土温度达到灌浆温度。 混凝土进行 预冷 ， 浇筑温 度分别 为 1 0， l 4和 1 8 。 温度应力计算结果见表 4 。图 2给出了有水管 冷却条件下 3种细骨料品种混凝土材料坝的浇筑温 度与抗裂安全系数的关系曲线。在有水管冷却 的情 况下 ， 混凝土浇筑 温度与坝体抗裂安全系数的变化 关系和没有水管 冷却时一致 。比较图 2和 图 1 ， 增 加冷却水管后 ， 混凝土坝体抗裂安全系数有所降低 ， 随着混凝土浇筑温度的提高， 安全系数的降低幅度 逐渐减小 ， 在浇筑温度约 1 8 c C， 有无 冷却水管 时混 凝土坝体抗裂安全系数差别很小 。混凝土坝体抗裂 安全系数 降低的原因是二期冷却使混凝土降温速度 比较快 ， 在短期内徐变的作用不能充分发挥 ， 导致温 度应力松弛小 ， 温度应力大。对于浇筑温度提 高时 安全系数的降低逐渐减小的问题， 分析其原因， 是由 于浇筑温度高时一期水管冷却降温幅度大， 可以更 多地抵消二期冷却带来的应力增加 ， 所以随着混凝 土浇筑温度的提高 ， 有冷却水管时的安全系数 比无 冷却水管时的安全系数的降低幅度逐渐减小。 表4 在预冷和水管冷却措施作用下坝体最大温度拉应力 悄 图 2 混凝土浇筑温度与坝体抗裂 安全系数的关系( 有水管冷却) 6 结语 通过仿真分析研究表 明， 石灰岩砂混凝土优于 白云岩和玄武岩砂混凝土 ， 白云岩砂 ( 下转第 5 5页) E - m a i l ： i z h h u e d u c n h t t p ： k k b J 访H e d u c n 1 3 根据以上原因 ， 具体解决方法 ： 灌浆花孔应呈梅花 形布置， 避免集 中在同一条直线上 ， 在满足施工需要 的基础 上尽量 少布 置灌 浆花 孔且 孔径 不宜 过大 ； 开钻时要轻 压 、 慢钻， 钻进过程应尽量保持匀速 ， 保持冲击回转钻进 ， 避免进行纯冲击钻进 ； 可适当 调整锚杆位置 ， 并根据需要加密。 4 3 注浆泵位置调整 考虑到井下施工空间狭小及多工序 、 多工种交 叉作业 ， 施工初期注浆泵布置在井 口， 浆液 由注浆泵 通过输浆管路直接压人锚杆体 内。随着开挖深度 的 增加 ， 浆液 自重产生的压力越来越大 ， 造成实际灌浆 压力远远大于设计压力 ， 吃浆量明显增 大而锚杆孔 洞内见不到浆液， 大部分浆液扩散 到距井壁较远的 部位 ， 起不到超前固结 、 保证井壁稳定的作用 。根据 现场情况 ， 施工 中做 出相应调整 ： 将储浆器和注浆 泵固定在同一个支架 上； 进行锚杆注浆施工时 ， 将 支架通过门机吊至井底 ， 浆液在井 口拌制后输送到 储浆器 ， 吸人注浆泵 ； 注浆泵加压将浆液压人锚杆 体内， 压强控制在0 1 0 2 M P a 。通过以上措施 ， 有 效地解决了灌浆压力过大从而导致井壁固结效果不 好 的问题。 4 4 锚杆施工中孔洞、 裂隙的处理 溪洛渡水电站左岸竖井穿越约 5 0 m冰川 、 冰水 堆积体( f g l +g l Q 2 1 ) ， 该地层主要 由玄武岩块碎石夹 杂角砾砂层组成 ， 部分为钙质接触式胶结 ， 施工过程 中存在锚杆穿过孑 L 洞 、 裂隙等问题 。处理措施 ： 尽 可能探明空洞范 围、 裂 隙宽度及走 向。通过锚杆 注浆， 浆液初始水灰比定为 0 5 ： 1 。单根锚杆灌浆 总量超过 1 0 O O 、 流量仍较大且压力没有明显变化 时， 该锚杆待浆 2 h 。2 h 后继续注浆， 如果流量仍 很大， 采用砂浆灌注； 如果流量减小或压力升高， 则 继续采用纯水 泥浆灌注。将孔洞 、 裂 隙周 围每根 锚杆灌注至结束标准 。 5 结 语 结合工程 自身特点 ， 选择合适 的施工器具及合 理的施工参数对工程建设具有重要的指导意义。溪 洛渡水电站左岸竖井 自钻式锚杆施工 ， 通过试验最 终确定了灌浆压力 、 浆液胶凝速度等参数 ， 比较符合 该工程的特点 ， 较大程度地发挥 了自钻式锚杆施T 的作用 ， 取得了 良好的工程效益， 为以后类似地质条 件的竖井施工提供 了很好的借鉴。 自钻式锚杆在成本上 比砂浆锚杆高， 其抗 弯能 力 比砂浆锚杆低 ， 杆体在施工时易在尾部弯曲断裂 ， 这 2点需加以改进 、 提高， 使 自钻式锚杆在支护工程 中得到更广泛的应用。 参考文献 ： 1郑黎明， 赵中伟， 包叔平 自钻式锚杆在水 电站高边坡 支护中的应用 J 人民长江， 2 0 0 7 ， 3 8 ( 5 ) ： 2 7 2 8 2杨永涛 自钻式锚杆在小湾水电站坝肩堆积体 的成 用 J 西北水电， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 1 ) ： 3 5 3 7 3张光亮， 刘雪松 中空白钻式锚杆在小湾导流洞施 中 的应用 J 云南水力发电， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 3 ) ： 4 2 4 3 4 D IMT 5 1 8 1 -2 0 0 3 ， 水利水电工程锚喷支护施工规范 s 5邓人清 高压富水隧道注浆堵水施工技术及应川 J 地 下空 间与工程学报 ， 2 0 0 6 ， 2 ( 2 ) ： 2 6 3 2 6 7 ( 收稿 日期 ： 2 0 0 9 一 O l 一 0 5 编辑 ： 方 ： 彤 ) +一 + +“ + + +”+ + + + + + +” +“ +” + +“ +” +” +“ +” +” +” +“ +“ + +” +“ +“ +“ +” +” +” +“ + +“ +“ +“ +“+“ +” + +” +” ” +” + ( 上接第 1 3页) 混凝土又优于玄武岩砂混凝土。3种细骨料品种混 凝土坝的抗裂安全系数差别比较大， 因此 ， 细骨料品 种对混凝土坝的抗裂安全性具有 比较重要的影响。 无论有无水管冷却措施 ， 预冷降温幅度越大， 坝 体的抗裂安全系数越 大 ， 随着混凝 土浇筑 温度 的降 低 ， 3 种细骨料 品种混凝 土坝的抗裂安全系数之 间 的差别逐渐增加。 为了达到 同样的抗裂安全系数 ， 不 同细骨料 品 种混凝 土所需要 的温控措施 的强度也不相 同。因 此 ， 当有几种细骨料品种可供选择时 ， 必须考虑细骨 料品种对大坝 温控 特性 的影 响和对温控措施 的要 求。本文的研究成果可为细骨料品种的优化选择提 供依据。 参考文献 ： 1中国水利水电科学研究院结构材料研究所 大体积混 凝土 M 北京： 水利电力出版社， 1 9 9 0 ： 1 4 0 1 6 9 2董福品 混凝土温度应力分析的样条函数法与破开算 子法及碾压混 凝土坝温 度徐 变应 力研 究 D 北 京 ： I 国水利水电科学研究院， 1 9 8 7 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 9 ： 402 4 0 5 4董福品 考虑表面散热对冷却效果影响的混凝土结构 水管冷却等效分析 J 水利水电技术， 2 0 0 1 ， 3 2 ( 6 ) ： 1 6 1 9 5D L 5 1 0 8 -1 9 9 9 ， 混凝土重力坝设计规范 s 6D I MT 5 3 4 6 -2 0 0 6 ， 混凝土拱坝设计规范 s ( 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 4 2 1 编辑 ： 疗宁彤) 水利水电科技进展 ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 1 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - n u t i l ： j z h h u e d u 。 胁 ： k k b h h u e d u c n 5 5