摘要:碾壓混凝土壩的非穩(wěn)定溫度場是進(jìn)行仿真應(yīng)力計算和設(shè)計的基礎(chǔ)。根據(jù)理論分析和數(shù)值計算,分析各熱學(xué)參數(shù)和非熱學(xué)參數(shù)對非穩(wěn)定溫度場的影響。通過對石門子工程(在建)進(jìn)行工程實際監(jiān)測,取得了一些高程測點實測溫度變化過程,并與仿真計算結(jié)果相比較。為模擬混凝土中粉煤灰后期放熱,提出雙e 曲線模型,使仿真計算結(jié)果更符合實際。按所提出的方法進(jìn)行非穩(wěn)定溫度場的計算預(yù)測,從而對大壩后期澆筑作指導(dǎo),具有較好的工程應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞:碾壓混凝土壩;非穩(wěn)定溫度場;工程實測;
塔西河水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉州瑪納斯縣西南塔西河中游“石門”峽谷段,峽谷長約350 m ,河谷呈“U ”型,谷底寬80 m,布置109m 高的碾壓混凝土拱壩。
壩址地區(qū)冬季寒冷,月平均氣溫在0 ℃ 以下長達(dá)5 個月,夏季氣溫最高達(dá)38 ℃ ;工地日變幅常達(dá)
15～ 19 ℃ 。這不僅縮短了砼的良好澆筑時間,而且還給混凝土溫控帶來較大困難。
面對惡劣的自然條件,在快速施工方面,用低熱混凝土連續(xù)大倉面澆筑兼用保溫與降溫措施;在結(jié)
構(gòu)方面,在壩肩設(shè)人工短縫、拱冠設(shè)中縫以釋放拱壩溫度應(yīng)力,并在拱壩上游早期降溫區(qū)設(shè)“鉸點”,使拱壩在拱向溫度收縮的同時能保證平面拱向整體作用[1,2]。為提前蓄水提供安全保障。
1 參數(shù)分析
影響壩體溫度場的因素有很多,其中主要有:混凝土澆筑層厚度、邊界氣溫及澆筑間隙期內(nèi)部溫控措施、混凝土入倉溫度、混凝土絕熱溫升θ0 及混凝土放熱系數(shù)m 等,見表1[3 ]。各部分參數(shù)作用耦合在一起。
1. 1 混凝土厚度的影響
溫度實測表明,邊界的影響在1m 范圍之內(nèi)較顯著。如果澆筑間歇期小于6～ 10 d,超過2 m 深度處的混凝土溫度受外界影響很小,所以單從溫度場來看,在澆筑過程中,將每次累積層厚度定為小于2m,對散熱有利。為了減少層間間隔,加快施工進(jìn)度及考慮到模板工藝,石門子工程采用3m 澆筑層。
1. 2 邊界條件
邊界條件變化有兩種,散熱系數(shù)的變化以及邊界氣溫值的變化。第1 種變化影響較大,可以說是改 變了熱交換條件,如固氣交換變成固液交換等;第2種情況較普遍,如周圍空氣溫度上升、下降等。
1. 2. 1 散熱系數(shù)變化的影響
本文比較的兩種散熱條件,一種是用河水養(yǎng)護(hù)(比初始邊界氣溫低8 ℃ ,初始邊界氣溫15 ℃ ),一
種是靠邊界空氣散熱(散熱系數(shù)β 取0. 8,初始邊界氣溫15 ℃ ,氣溫降溫幅度為- 1 ℃ / d)。計算條件:入倉溫度15 ℃ ,水化熱溫升17 ℃ ,混凝土放熱系數(shù)0. 16。計算結(jié)果為:12 d 后,在1 m 深處,河水冷卻條件下,混凝土溫度要多降低4 ℃ 左右。
1. 2. 2 氣溫值變化
石門子工程所在山區(qū),氣溫日變幅大。圖1為± 8,9 ℃ 時混凝土溫度場的變化圖,可以看出日變
幅對后期混凝土溫度場影響較小,1 m 深處混凝土只有0. 2 ℃ 的變幅,即使在0. 5 m 深處,也只有0.5℃ 左右的變化。不管是白天,還是夜晚對最后結(jié)果影響不大。但由于夜間周圍氣溫較低,對骨料散熱有利;再加上在運(yùn)輸路上及入倉后的混凝土不受太陽直射,所以其入倉溫度比白天要低,也就降低了混凝土澆筑塊溫度。所以在實際工程施工中,一般在夜間澆筑混凝土。
1. 3 入倉溫度
其他條件不變,入倉溫度提高+1℃,6d后在1m 深處,仍維持升高+0.8℃;12d 后,仍有+0.6℃ 。而在周圍氣溫變化不大的情況下,通過澆筑面散熱,6d才散熱1.4℃ 。也就是說,只要入倉溫度高2 ℃ ,則6d 散熱的效果就會被抵消。石門子工程屬于快速施工間歇期較短的情況,因此必須注意混凝土入倉溫度的控制。
1. 4 混凝土的絕熱溫升
由于混凝土絕熱溫升曲線常用表達(dá)式為θ=θ0 (1- e- m t),絕熱溫升θ0 的影響是成比例關(guān)系。若放熱系數(shù)不變,取0. 16,邊界為固氣熱交換,則絕熱溫升增加+ 1 ℃ ,在混凝土3 m 深處,混凝土溫度值增加+ 1 ℃ 左右;1m深處6d為+ 0.5℃ ,12d 為+0.60℃ 。
通常水泥絕熱溫升e 曲線擬合,曲線前期值上升較快,后期(一個月左右)持平。而在工程中用的粉
煤灰后期水化發(fā)熱,擬合采用雙e 曲線更好。圖2是我國南方某一工程混凝土絕熱溫升測試結(jié)果及曲線 模擬,可以看出采用雙e 曲線更能符合實際情況[4]。
1. 5 放熱系數(shù)
為了研究混凝土放熱系數(shù)對混凝土溫度的影響,在計算中,放熱系數(shù)m 分別取0. 16 和0. 32。其他計算條件相同,即邊界散熱系數(shù)取0.8,澆筑塊入倉溫度0 ℃ ,絕熱溫升17 ℃ 。計算表明混凝土的放 熱系數(shù)大時,早期放熱快,所以在一定間歇期內(nèi)散出熱量也多,12 d 后,1 m 深處,放熱系數(shù)0. 32 要比放熱系數(shù)0. 16 散熱多,達(dá)1. 3 ℃ 。
1. 6 層間間隙時間的影響
邊界氣溫升溫、降溫速率假設(shè)為±1℃/d。表2中所列溫度下降值,均是相對于混凝土在絕熱溫升 條件下正常溫升的差值。
由表2 可以看出,如果外界日平均氣溫上升,又無冷卻措施,6d 后澆筑第2層和12d后澆筑第2層,兩者相差不大,不到1 ℃ 左右。所以對這種情況間歇期的降溫效果不大。
但如果日平均氣溫不變或降低,12d后要比6d要散熱效果好得多,即以時間代價換取混凝土溫度值的降低。
如果又想溫度下降快,又不想時間擱得太長,就只能用河水冷卻或其他冷卻方法。為減少層間缺陷,簡化工藝,加高模板,加快施工進(jìn)度,石門子工程采用3 m 澆筑砼,間歇期間散熱采用低溫河水浸泡方式。
2 三維仿真數(shù)值計算
圖3是石門子碾壓混凝土拱壩1295高程溫度計埋設(shè)位置圖。仿真計算所用邊界溫度值、混凝土入倉溫度以及材料熱學(xué)參數(shù)均是實測資料。因為在實測數(shù)據(jù)時間段內(nèi),大壩沒有蓄水,所以計算中不考慮大壩滲流的影響。
根據(jù)石門子拱壩實際開挖與澆筑的體形,共計離散為3 352 個六面體或五面體(過渡)等參單元,
4580個節(jié)點,計算得到施工過程仿真非穩(wěn)定溫度場的累計變化過程[5,6]。
2. 1 邊界條件
施工期從下往上逐層澆注混凝土?xí)r,上下游邊界暴露于大氣中。拱壩上游面基坑有上游滲水,所以 邊界條件為第一類邊界條件。由于水是上游天山雪水,所以水溫度較低(7 ℃ )且變化值不大。拱壩頂部暴露面隨澆筑高度上升,依靠自然冷卻的碾壓混凝土塊的溫度隨氣溫及輻射熱的變化而變化。在早期壩澆筑過程中,為了施工方便,用土堆了上壩道路,如圖4 所示。土對混凝土散熱產(chǎn)生了一定負(fù)面影響,但在嚴(yán)冬中可起一定保護(hù)作用。
2. 2 混凝土入倉溫度
加高混凝土,實際上可以說是一個新過程的開始。對老混凝土來說,只是改變了邊界條件,其初始
條件為:老混凝土的當(dāng)時溫度作為初溫,還有剩余的沒有散發(fā)的水化熱,也就是在水化熱方程中時間參數(shù)要減去一個初值;對于新混凝土,其初始溫度便是澆筑溫度。所以在有限元計算時,用單元溫度, 即用單元離散混凝土的溫度[3,4]。
2. 3 混凝土熱學(xué)參數(shù)
由于抗?jié)B性、抗凍耐久性等要求不同,石門子拱壩各部位混凝土配合比也不盡相同。大壩內(nèi)部三級配混凝土含水泥60 kg,粉煤灰110kg,θ0 為17 ℃ , m 為0. 16。外部抗?jié)B二級配混凝土含水泥90 kg, 粉煤灰110 kg,θ0 為23 ℃ ,m 為0. 32。其中熱學(xué)參數(shù)由本課題組研制的混凝土絕熱溫升測試儀(同溫絕熱)測出。該儀器可按照混凝土試驗規(guī)程,進(jìn)行長時間混凝土絕熱溫升曲線跟蹤測試。
3 計算預(yù)測值與工程實測值的比較
計算和實測的溫度變化規(guī)律見圖4(a)～ (f)。
1)計算預(yù)測與實測的溫度過程線的曲線走勢和值大小基本一致。走勢均有兩個高峰期,第一個出
現(xiàn)在上面混凝土覆蓋之前,第二次出現(xiàn)在覆蓋之后。對于覆蓋之后,離上下游散熱面較近的測點1 和測 點5 的第二個高峰期的溫度比第一次要低,而對于中間散熱條件較差的點,情況正好相反,第二次高峰
期溫度要比第一次高。測點2由于離廊道較近,所以其后期溫度沒有3,4測點上升的高;5號測點因為 后期有土覆蓋,所以其溫度變化形式與1號測點也不一致。
4 結(jié)論
本文經(jīng)過理論分析和數(shù)值計算,分析了各熱學(xué)參數(shù)和非熱學(xué)參數(shù)對非穩(wěn)定溫度場的影響。對比實
測和仿真計算結(jié)果,說明決定計算預(yù)測可靠性的關(guān)鍵是熱學(xué)參數(shù)(入倉溫度、絕熱溫升和邊界溫度等)
的正確取值。除需獲得工地實際氣溫變化情況和施工進(jìn)度,還要正確測試和模擬大壩混凝土的絕熱溫升曲線。文中為了模擬碾壓混凝土中粉煤灰后期放熱,采用雙e 曲線模型,取得較好效果。在大壩設(shè)計 階段,能獲得準(zhǔn)確的仿真溫度場,對研究壩體應(yīng)力分布,調(diào)整施工計劃及采取溫控措施要求,都是很有實
際工程價值的。
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