摘要:碾压混凝土坝的非稳定温度场是进行仿真应力计算和设计的基础。根据理论分析和数值计算,分析各热学参数和非热学参数对非稳定温度场的影响。通过对石门子工程(在建)进行工程实际监测,取得了一些高程测点实测温度变化过程,并与仿真计算结果相比较。为模拟混凝土中粉煤灰后期放热,提出双e 曲线模型,使仿真计算结果更符合实际。按所提出的方法进行非稳定温度场的计算预测,从而对大坝后期浇筑作指导,具有较好的工程应用价值。
关键词:碾压混凝土坝;非稳定温度场;工程实测;
塔西河水利枢纽工程位于新疆维吾尔自治区昌吉州玛纳斯县西南塔西河中游“石门”峡谷段,峡谷长约350 m ,河谷呈“U ”型,谷底宽80 m,布置109m 高的碾压混凝土拱坝。
坝址地区冬季寒冷,月平均气温在0 ℃ 以下长达5 个月,夏季气温最高达38 ℃ ;工地日变幅常达
15～ 19 ℃ 。这不仅缩短了砼的良好浇筑时间,而且还给混凝土温控带来较大困难。
面对恶劣的自然条件,在快速施工方面,用低热混凝土连续大仓面浇筑兼用保温与降温措施;在结
构方面,在坝肩设人工短缝、拱冠设中缝以释放拱坝温度应力,并在拱坝上游早期降温区设“铰点”,使拱坝在拱向温度收缩的同时能保证平面拱向整体作用[1,2]。为提前蓄水提供安全保障。
1 参数分析
影响坝体温度场的因素有很多,其中主要有:混凝土浇筑层厚度、边界气温及浇筑间隙期内部温控措施、混凝土入仓温度、混凝土绝热温升θ0 及混凝土放热系数m 等,见表1[3 ]。各部分参数作用耦合在一起。
1. 1 混凝土厚度的影响
温度实测表明,边界的影响在1m 范围之内较显著。如果浇筑间歇期小于6～ 10 d,超过2 m 深度处的混凝土温度受外界影响很小,所以单从温度场来看,在浇筑过程中,将每次累积层厚度定为小于2m,对散热有利。为了减少层间间隔,加快施工进度及考虑到模板工艺,石门子工程采用3m 浇筑层。
1. 2 边界条件
边界条件变化有两种,散热系数的变化以及边界气温值的变化。第1 种变化影响较大,可以说是改 变了热交换条件,如固气交换变成固液交换等;第2种情况较普遍,如周围空气温度上升、下降等。
1. 2. 1 散热系数变化的影响
本文比较的两种散热条件,一种是用河水养护(比初始边界气温低8 ℃ ,初始边界气温15 ℃ ),一
种是靠边界空气散热(散热系数β 取0. 8,初始边界气温15 ℃ ,气温降温幅度为- 1 ℃ / d)。计算条件:入仓温度15 ℃ ,水化热温升17 ℃ ,混凝土放热系数0. 16。计算结果为:12 d 后,在1 m 深处,河水冷却条件下,混凝土温度要多降低4 ℃ 左右。
1. 2. 2 气温值变化
石门子工程所在山区,气温日变幅大。图1为± 8,9 ℃ 时混凝土温度场的变化图,可以看出日变
幅对后期混凝土温度场影响较小,1 m 深处混凝土只有0. 2 ℃ 的变幅,即使在0. 5 m 深处,也只有0.5℃ 左右的变化。不管是白天,还是夜晚对最后结果影响不大。但由于夜间周围气温较低,对骨料散热有利;再加上在运输路上及入仓后的混凝土不受太阳直射,所以其入仓温度比白天要低,也就降低了混凝土浇筑块温度。所以在实际工程施工中,一般在夜间浇筑混凝土。
1. 3 入仓温度
其他条件不变,入仓温度提高+1℃,6d后在1m 深处,仍维持升高+0.8℃;12d 后,仍有+0.6℃ 。而在周围气温变化不大的情况下,通过浇筑面散热,6d才散热1.4℃ 。也就是说,只要入仓温度高2 ℃ ,则6d 散热的效果就会被抵消。石门子工程属于快速施工间歇期较短的情况,因此必须注意混凝土入仓温度的控制。
1. 4 混凝土的绝热温升
由于混凝土绝热温升曲线常用表达式为θ=θ0 (1- e- m t),绝热温升θ0 的影响是成比例关系。若放热系数不变,取0. 16,边界为固气热交换,则绝热温升增加+ 1 ℃ ,在混凝土3 m 深处,混凝土温度值增加+ 1 ℃ 左右;1m深处6d为+ 0.5℃ ,12d 为+0.60℃ 。
通常水泥绝热温升e 曲线拟合,曲线前期值上升较快,后期(一个月左右)持平。而在工程中用的粉
煤灰后期水化发热,拟合采用双e 曲线更好。图2是我国南方某一工程混凝土绝热温升测试结果及曲线 模拟,可以看出采用双e 曲线更能符合实际情况[4]。
1. 5 放热系数
为了研究混凝土放热系数对混凝土温度的影响,在计算中,放热系数m 分别取0. 16 和0. 32。其他计算条件相同,即边界散热系数取0.8,浇筑块入仓温度0 ℃ ,绝热温升17 ℃ 。计算表明混凝土的放 热系数大时,早期放热快,所以在一定间歇期内散出热量也多,12 d 后,1 m 深处,放热系数0. 32 要比放热系数0. 16 散热多,达1. 3 ℃ 。
1. 6 层间间隙时间的影响
边界气温升温、降温速率假设为±1℃/d。表2中所列温度下降值,均是相对于混凝土在绝热温升 条件下正常温升的差值。
由表2 可以看出,如果外界日平均气温上升,又无冷却措施,6d 后浇筑第2层和12d后浇筑第2层,两者相差不大,不到1 ℃ 左右。所以对这种情况间歇期的降温效果不大。
但如果日平均气温不变或降低,12d后要比6d要散热效果好得多,即以时间代价换取混凝土温度值的降低。
如果又想温度下降快,又不想时间搁得太长,就只能用河水冷却或其他冷却方法。为减少层间缺陷,简化工艺,加高模板,加快施工进度,石门子工程采用3 m 浇筑砼,间歇期间散热采用低温河水浸泡方式。
2 三维仿真数值计算
图3是石门子碾压混凝土拱坝1295高程温度计埋设位置图。仿真计算所用边界温度值、混凝土入仓温度以及材料热学参数均是实测资料。因为在实测数据时间段内,大坝没有蓄水,所以计算中不考虑大坝渗流的影响。
根据石门子拱坝实际开挖与浇筑的体形,共计离散为3 352 个六面体或五面体(过渡)等参单元,
4580个节点,计算得到施工过程仿真非稳定温度场的累计变化过程[5,6]。
2. 1 边界条件
施工期从下往上逐层浇注混凝土时,上下游边界暴露于大气中。拱坝上游面基坑有上游渗水,所以 边界条件为第一类边界条件。由于水是上游天山雪水,所以水温度较低(7 ℃ )且变化值不大。拱坝顶部暴露面随浇筑高度上升,依靠自然冷却的碾压混凝土块的温度随气温及辐射热的变化而变化。在早期坝浇筑过程中,为了施工方便,用土堆了上坝道路,如图4 所示。土对混凝土散热产生了一定负面影响,但在严冬中可起一定保护作用。
2. 2 混凝土入仓温度
加高混凝土,实际上可以说是一个新过程的开始。对老混凝土来说,只是改变了边界条件,其初始
条件为:老混凝土的当时温度作为初温,还有剩余的没有散发的水化热,也就是在水化热方程中时间参数要减去一个初值;对于新混凝土,其初始温度便是浇筑温度。所以在有限元计算时,用单元温度, 即用单元离散混凝土的温度[3,4]。
2. 3 混凝土热学参数
由于抗渗性、抗冻耐久性等要求不同,石门子拱坝各部位混凝土配合比也不尽相同。大坝内部三级配混凝土含水泥60 kg,粉煤灰110kg,θ0 为17 ℃ , m 为0. 16。外部抗渗二级配混凝土含水泥90 kg, 粉煤灰110 kg,θ0 为23 ℃ ,m 为0. 32。其中热学参数由本课题组研制的混凝土绝热温升测试仪(同温绝热)测出。该仪器可按照混凝土试验规程,进行长时间混凝土绝热温升曲线跟踪测试。
3 计算预测值与工程实测值的比较
计算和实测的温度变化规律见图4(a)～ (f)。
1)计算预测与实测的温度过程线的曲线走势和值大小基本一致。走势均有两个高峰期,第一个出
现在上面混凝土覆盖之前,第二次出现在覆盖之后。对于覆盖之后,离上下游散热面较近的测点1 和测 点5 的第二个高峰期的温度比第一次要低,而对于中间散热条件较差的点,情况正好相反,第二次高峰
期温度要比第一次高。测点2由于离廊道较近,所以其后期温度没有3,4测点上升的高;5号测点因为 后期有土覆盖,所以其温度变化形式与1号测点也不一致。
4 结论
本文经过理论分析和数值计算,分析了各热学参数和非热学参数对非稳定温度场的影响。对比实
测和仿真计算结果,说明决定计算预测可靠性的关键是热学参数(入仓温度、绝热温升和边界温度等)
的正确取值。除需获得工地实际气温变化情况和施工进度,还要正确测试和模拟大坝混凝土的绝热温升曲线。文中为了模拟碾压混凝土中粉煤灰后期放热,采用双e 曲线模型,取得较好效果。在大坝设计 阶段,能获得准确的仿真温度场,对研究坝体应力分布,调整施工计划及采取温控措施要求,都是很有实
际工程价值的。
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