溢洪道闸墩薄壁混凝土置换加固温度应力分析及验证★

陈智云 马 超 高大水 陕 亮

(1.国家电投江西电力有限公司，江西 南昌 330096； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010； 3.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430010; 4.长江科学院，湖北 武汉 430010)

1 概述

洪门水电站溢洪道建于20世纪60年代，为混凝土重力式溢流堰，共3孔，孔口尺寸12 m×9 m(宽×高)，中墩宽3.0 m，堰顶高程91.4 m，设有三扇弧形闸门和三台固定式启闭机，下接两级消力池消能。溢洪道运行至今已50多年，由于工程存在先天不足，加上工程老化严重，经复核评价，溢洪道闸墩存在以下主要问题：1)闸墩混凝土强度偏低，强度等级仅为C10；2)闸墩混凝土配筋不足，其中中墩表面仅有受力筋与分布筋且均为φ8@20 cm，边墩未见钢筋；3)闸墩混凝土多处存在结构裂缝；4)闸墩混凝土碳化严重[1]。为此对工程进行了加固处理。混凝土闸墩加固方法主要有拆除重建加固、置换表层混凝土加固、粘贴钢板加固、粘贴纤维复合材料加固、体外预应力加固等几种方法[2]。由于洪门溢洪道闸墩加固既需解决闸墩竖向配筋不足，又要解决扇形配筋不足问题，而粘贴钢板加固、粘贴纤维复合材料加固、体外预应力加固这几种方法无法解决上述问题。因此本工程主要对拆除重建加固和置换表层混凝土加固两个方案进行了比较。拆除重建方案投资为1 087.12万元，置换表层混凝土方案投资为572.92万元，因此，推荐采用置换混凝土的加固方案。

因置换表层混凝土方案老混凝土的强约束作用，极易引起闸墩新浇混凝土的表面裂缝。新浇混凝土开裂与否将直接关乎加固方案的成败。为此，采用三维有限元仿真结构分析方法对置换混凝土的施工过程进行模拟分析，论证置换混凝土方案的可行性。同时实际工程中专门埋设监测仪器监测混凝土的温度及应力情况，进一步验证计算分析成果。

2 计算方法及计算模型

2.1 计算模型

为充分研究闸墩表层新浇30 cm厚混凝土浇筑过程中的温度应力分布及其变化发展规律，采用三维有限元仿真模拟置换混凝土的施工过程。有限元网格模型见图1[3]。

2.2 浇筑方案及防裂措施

混凝土浇筑温度根据坝址多年平均气温，以及对闸墩加固工程的温控要求，取值为10 ℃。在温度场计算中，以混凝土浇筑温度作为每层混凝土的初始温度。

根据现场实际情况，拟定浇筑方案为：浇筑分层厚度按2.5 m控制，共分9层，每层混凝土浇筑时间间隔为5 d，整个浇筑过程历时45 d。具体进度见图2。

2.3 气温和边界条件

2.3.1气温

根据坝址情况，温度场计算中采用式(1)。

(1)

其中，Tc(t)为气温,℃；t为计算时刻至开始浇筑当年1月1日的距离，以天计。

2.3.2水温

温度场计算中采用式(2)。

(2)

其中,Tw(t)为水温,℃；t为计算时刻至开始浇筑当年1月1日的距离，以天计。

按最不利温度荷载考虑，假定上游高程87.0 m以下为水温边界，其余边界面为气温按年周期变化。

2.4 计算参数

基岩、混凝土热学性能参数见表1。

表1 材料热学性能参数

新浇混凝土绝热温升表达式采用式(3)。

(3)

其中,θ(t)为混凝土绝热温升,℃；t为混凝土龄期,d。

坝体老混凝土不考虑徐变，新浇混凝土徐变采用式(4)。

(4)

其中,C(t,τ)为混凝土徐变度,10-6/MPa；t为混凝土龄期,d；τ为混凝土加荷龄期,d。

3 计算成果分析

3.1 温度场计算成果

通过对闸墩表面新浇混凝土温度场进行三维仿真计算分析，可得混凝土浇筑过程中的温度分布及其变化发展规律。由于混凝土浇筑后的温度变化过程相似，且外界条件基本相同，因此选取溢洪道高程95.5 m处新浇混凝土中部作为温度特征点对其温度变化规律进行分析。

温度场计算成果分析：

1)由特征点温度变化历程线可以看出，从混凝土开浇时起，混凝土温度场都经历了水化热温升、温降、随环境气温周期变化3个阶段，符合一般新浇混凝土温度场变化规律[4]。

2)由特征点温度变化历程线可以看出(见图3)，新浇混凝土最高温度峰值出现在浇筑后的第2天为12.7 ℃，环境温度为3 ℃，温差为9.7 ℃。经过7 d后，新浇混凝土与环境温度温差在2 ℃范围内，并随气温呈周期性变化。根据NB/T 35092—2017混凝土坝温度控制设计规范规定，浇筑块强约束区容许温差在16 ℃～19 ℃之间[5]，满足规范要求。

3.2 应力场计算成果

通过对闸墩表面新浇混凝土应力场进行三维仿真计算，可得混凝土浇筑过程中应力分布及其变化发展规律，见图4，图5。

应力场计算成果分析：

1)新浇表层30 cm厚混凝土受闸墩老混凝土强约束，浇筑后第5天达最大温度应力，且闸墩新浇混凝土内部应力略大于闸墩表面应力，顺河向应力分别为1.41 MPa和1.13 MPa，竖直向应力分别为0.86 MPa和0.75 MPa。进入运行期以后，特征点应力随气温变化做周期性变化，拉应力在1.0 MPa以内。

2)根据NB/T 35092—2017混凝土坝温度控制设计规范温度应力控制标准要求计算得到，本工程施工期温度应力最大值不超过1.87 MPa。计算结果表明未超过规范允许值，满足规范要求。

4 监测成果分析

为了监测加固后闸墩新浇混凝土的变形问题，分别在左右边墩高程91.5 m，95.5 m，100.0 m的新浇混凝土中部布设了一组应变计，应变计同时可监测新浇混凝土中部的温度变化情况，监测仪器布置详见图6。

1)从图7中可以看出，新浇混凝土实测温度变化过程与计算温度变化过程规律基本一致，符合新浇混凝土温度变化一般规律。新浇混凝土温度峰值出现在浇筑后的第3天为21.9 ℃，环境温度为14.8 ℃，温差为7.1 ℃，比计算结果9.7 ℃温差略小，是偏安全的。经过8 d后，混凝土的温度逐渐与环境温度趋于一致。

2)从图8中可以看出，受温降影响，新浇混凝土第3天即开始出现较大拉应变，拉应变最大测值出现在浇筑后的第10天，为67.8 με，未超过混凝土的极限拉伸率100 με。新浇混凝土应变变化过程符合一般变化规律，未见异常。

3)施工阶段，加强了施工过程控制和混凝土表面养护，现场巡视检查也未见表面裂缝。

5 结语

1)计算和监测成果表明，新浇混凝土与环境温度的最大温差未达到规范的容许值；最大温度应力未超过规范允许值，最大拉应变测值未超过混凝土极限拉伸值。由此说明，采用置换表层混凝土的加固方案是可行的。

2)针对计算结果反映的温度变化规律，在实际施工过程中，浇筑分层厚度按2.5 m控制，每层混凝土浇筑时间间隔按5 d控制。同时，在每仓混凝土浇筑后，将拆模时间延长至7 d左右，并在新浇混凝土表面铺设潮湿草袋进行保温防护，而且在新浇混凝土面上架设水管进行不间断通水保湿。由于措施得当，新浇混凝土表面并未出现裂缝，浇筑效果良好，说明置换表层混凝土的施工措施是合理可行的。

3)闸墩采用置换混凝土的加固方法既可使闸墩表面混凝土强度及抗冲磨性能达到规范要求，又解决了闸墩配筋不足的问题，该方法具有施工时间短，造价低等优点，可供其他类似工程借鉴。