四川官地水电站岩锚梁混凝土试验成果

5.3.2.1 试验目的

本小节利用官地水电站岩锚梁施工现场混凝土长方体温升试验,根据实测温度数据,通过改进的遗传算法对混凝土热学参数进行反演分析[173-176],得到能反映混凝土真实热学性能的参数。为了准确地计算混凝土温度场,需要知道混凝土的绝热温升θ0和反映混凝土温升规律的复合指数式中的a和b;为了防止结构温度裂缝的产生,施工期结构的不同时段不同部位需要不同的温控防裂措施。鉴于此,需要得到混凝土与不同厚度保温板接触时的热交换系数β,不同壁厚塑料冷却水管(白龙管)的管壁散热特性参数。当然,这些参数不可能从试验当中直接测得,而是通过混凝土长方体中的测点温度进行反演分析得到。

表5.2　淮阴三站泵站工程集水井层混凝土典型点T2各龄期实测值与计算值比较

图5.9　反演参数温度计算值与实测温度值比较

5.3.2.2 试验模型

长方体试块的尺寸为4.00m×2.00m×1.80m(长×宽×高),混凝土配合比同实际工程(表5.3)。试块模型示意如图5.10所示,试块拆模后实拍如图5.11所示。长方体表面的覆盖情况:底面采用施工钢模板;一个端面采用厚为1.80cm的维萨模板(附带1.0mm厚的PVC板),外贴7.00cm厚的聚乙烯保温板;另外一个端面采用厚为1.80cm的维萨模板(附带1.0mm厚的PVC板),外贴7.00cm厚的泡沫保温板;一个长侧面采用厚为1.80cm的维萨模板(附带1.0mm厚的PVC板),外贴5.00cm厚的聚乙烯苯保温板;另外一个长侧面采用厚为1.80cm的维萨模板(附带1.0mm厚的PVC板),不贴保温板;顶面共长4.00m,每米范围内用不同保温材料进行覆盖:第一个1.00m段用一层农用塑料膜覆盖;第二个1.00m段用一层工业油毛毡覆盖;第三个1.00m段用“一层农用塑料膜+一层草袋+一层土工膜”覆盖;第四个1.00m段用“一层农用塑料膜+两层草袋+一层土工膜”覆盖。本试验用到的土工膜都是一布一膜形式。覆盖材料搭接长度在5～10cm,覆盖材料的边缘应适当延伸,将混凝土包裹严实。试块内布置24个数字式温度探头,用导线从温度探头接到混凝土外部的测温仪上,测点布置如图5.12所示。水管a的内径为2.0cm,管壁厚度为0.25cm,外径为2.50cm;水管b的内径为2.50cm,管壁厚度为0.42cm,外径为3.34cm;水管c的内径也为2.50cm,管壁厚度为0.50cm,外径为3.50cm。

表5.3　混凝土配合比

图5.10　试块模型示意图

图5.11　试块拆模后实拍

5.3.2.3 试验步骤

图5.12　试块测点布置图

(1)按照试验计划固定好底面钢模板和四周维萨模板,试块上表面祼露。在内部按图5.10布置温度探头和水管,水管用铁丝固定,探头用钢筋固定,在3种水管的进出口也分别布置温度探头,用细铁丝固定。

(2)浇筑混凝土,同时测定混凝土入仓温度和当时气温、冷却水温。

(3)试件浇筑时开始通水,水管连续通水10d。3根水管流量:外径2.50cm的水管为1.368m3/h,外径3.34cm和3.50cm的水管为2.124m3/h。

(4)每隔一定的时间用温度巡检仪对各测点测量温度一次,同时监测记录周围环境温度的变化。具体记录时间为:浇筑后的前3d每2～3h观测一次,第4～6d每4h观测一次,第7～15d每8h观测一次,此后1d观测一次。有气温骤降时恢复2h观测一次。[开始时段、最高温时段和7～10d左右时的低温区(“拐弯区”)加密观测,以提高观测精度]

(5)分析测量值数据,利用优化方法反演得出塑料水管和各类表面覆盖材料的散热系数及混凝土相关特性参数。反演过程中水管边界视为第三类边界。

5.3.2.4 试验参数反演分析

试验块浇筑时间为2008年9月18日17—21时,当时洞内气温为26.0℃,入仓温度为25.0℃,17时开始通水。特殊说明:试块浇筑0～0.65m采用低热水泥,0.65～1.80m采用普通中热水泥,配合比相同。所以,试块内实际含有两种不同的混凝土。根据浇筑现场24个典型点的实测温度,对混凝土绝热温升公式θ=θ0(1-e-aτb)中的最终绝热温升θ0,反映温度变化规律的a和b,以及不同模板混凝土的表面放热系数β进行反演分析。计算时取交叉概率为70%,变异概率为10%,为了保持群体的多样性,根据工程经验和反演计算分析,系数a取为0.1,目标优化函数取为其中i为测点序号,j为观测时刻,和T ij分别为实测和计算温度值;m和n分别为测点数和测次数。表5.4为岩锚梁混凝土热学及边界参数对照表。由于试块内含有两种混凝土(水泥品种不同,配合比相同),因此为了减小反演误差,岩锚梁混凝土的热学特性反演参数取平均值,如最终绝热温升取上、下层混凝土反演获得的平均值为40℃。

表5.4　热学及边界参数对照表

以下为反演所得的覆盖材料的散热系数:一层农用塑料膜覆盖为16.67kJ/(m2·h·℃);一层工业油毛毡覆盖为12.50kJ/(m2·h·℃);一层农用塑料膜+一层草袋+一层土工膜覆盖为1.875kJ/(m2·h·℃);一层农用塑料膜+两层草袋+一层土工膜覆盖为1.33kJ/(m2·h·℃);外径2.50cm、壁厚0.25cm的白龙管管壁为133.33kJ/(m2·h·℃);外径3.34cm、壁厚0.42cm的白龙管管壁为104.17kJ/(m2·h·℃);外径3.50cm、壁厚0.50cm的白龙管管壁为80.33kJ/(m2·h·℃)。

由表5.4可见,初步设计时的最终绝热温升值接近反演值,相差约0.5℃,绝热温升模型参数(a、b值)差别较大,初步设计的a值比反演值小,而b值则比反演值大,由图5.13可见,初步设计的水化反应速度比反演结果的稍缓,说明实际岩锚梁混凝土的温升速度很快。另外,初步设计时的无模板混凝土表面放热系数和有模板混凝土表面放热系数均比反演值稍大,基本上满足初步设计时仿真计算是从偏危险角度考虑的设计思路。

图5.13　初步设计与反演结果绝热温升模型发展过程线

图5.14～图5.17为据反演解所计算的各测点温度值与实测值相比较的部分测点历时过程线,拟合效果较好,所得计算参数能真实反映混凝土热学特性,满足工程精度要求,可用于后续反馈分析,指导现场施工。

图5.14　测点A1温度实测值和仿真计算值对比

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图5.15　测点B1温度实测值和仿真计算值对比

图5.16　测点C1温度实测值和仿真计算值对比

图5.17　测点D1温度实测值和仿真计算值对比

5.3.2.5 反演分析成果在岩锚梁1∶1模型中的应用分析

图5.18为官地水电站岩锚梁仿真计算网格模型。模型以岩壁吊车梁12.47m的最长施工段为研究对象,考虑锚杆的影响。地基计算域取横向深度20m,纵向深度24m。模型节点总数35784,8节点六面体等参单元总数32411。坐标原点位于岩锚梁三角区域一侧底端点。计算温度场时,初始地基温度取当地多年平均年地面气温21.2℃;计算应力场时,厂房的临空岩面自由,其他面受法向约束。

图5.18　岩锚梁整体网格计算模型

图5.19　岩锚梁1∶1模型段测点布置及水管位置

现场1∶1比尺原型岩锚梁段的测点布置如图5.19所示,N1、N2、N3为3个混凝土内部点,D4为混凝土顶表层点,C5为混凝土侧表层点,均距离表面5cm,所有测点均布置在岩锚梁的中心截面上。以岩锚梁1∶1模型段(图5.20)为三维有限元计算实体,根据不同的内外温控措施,从多种工况中经过计算对比优选出一个指导施工的方案。优选方案为:增加冷却水管和表面保温的温控措施。水管采用施工方推荐的白龙管,壁厚2mm,内径2.5cm。优选水管布置方案中间层水平剖面网格示意如图5.21所示。水源取现场河水,根据多年月平均水温资料,假定水管冷却水温为16.0℃。通水流量为1.10m3/h,流速为0.62m/s。水管通水持续7d,通水过程中每天改变一次通水方向,通水过程中不改变进口水温。表面保温措施为:模板外侧不采取其他保温措施,龄期30d时拆模;施工仓面覆盖一布一膜形式的土工膜进行保温,膜面朝上。

图5.20　岩锚梁1∶1模型段实拍

图5.21　水管布置方案中间层水平剖面网格示意

为了展现优选方案的适用性,探讨反演参数与初步设计参数在模拟结果上的差异,设置3种工况,并以典型内部点N2为对象,进行分析比较。

工况1:不考虑其他温控措施,施工仓面裸露,模板外侧无保温措施,岩锚梁内部无冷却水管。

工况2:优选方案,计算参数采用初步设计参数。

工况3:优选方案,计算参数采用反演参数。

从图5.22～图5.27可以看出,采用优选方案后,内部混凝土由于受水管冷却的作用,最高温度降低,使得混凝土早期的内外温差减小,能够有效地降低混凝土内部温度,减小拉应力的峰值。

图5.22　工况1内部点N2的温度变化过程

图5.23　工况1内部点N2的应力σ1变化过程

图5.24　工况2内部点N2的温度变化过程

采用混凝土热学特性反演参数及边界条件反演参数对岩锚梁混凝土进行校核仿真计算,结果显示(以内部点N2为例):岩锚梁混凝土的最高温度值变化不大,但提前0.5d达到。相应的晚龄期最大拉应力值减小了0.13MPa,说明了反演结果参数在一定程度上提高了岩锚梁的抗裂安全度,而初步设计参数则是从偏危险的角度考虑了岩锚梁混凝土在施工期的温度场及应力场。

图5.25　工况2内部点N2的应力σ1变化过程

图5.26　工况3内部点N2的温度变化过程

图5.27　工况3内部点N2的应力σ1变化过程