大型U 型渡槽正常運(yùn)行期寒潮降溫影響分析

姚 雄 趙海濤 王潘繡

大型渡槽在運(yùn)行期遭遇到環(huán)境氣溫突變時(shí)(如日照、暴雨和寒潮)，會(huì)導(dǎo)致渡槽混凝土較大內(nèi)外溫差及溫度梯度［1］。尤其在運(yùn)行期秋冬季節(jié)，槽內(nèi)有水且水溫基本恒定，寒潮會(huì)使槽壁與空氣接觸的外表面的溫度快速下降，槽壁內(nèi)外的溫度差急劇增大。在較大內(nèi)外溫差作用下渡槽槽身可能開(kāi)裂，破壞渡槽結(jié)構(gòu)的整體性，改變槽身的受力條件，使渡槽產(chǎn)生滲漏［2］。本文針對(duì)大型U型渡槽在寒潮降溫過(guò)程不同降溫幅度和降溫速率下的溫度場(chǎng)分析，總結(jié)了不同寒潮工況下的渡槽溫度場(chǎng)分布規(guī)律，指出在渡槽秋冬季節(jié)可采取保溫措施以抵御寒潮襲擊。

1 渡槽寒潮期溫度場(chǎng)分析

1.1 計(jì)算模型

某大型預(yù)應(yīng)力混凝土U型渡槽，以槽身一跨為研究對(duì)象，單跨40 m，內(nèi)徑8 m，寬9.3 m［3］，取跨度方向一半建立仿真計(jì)算模型，如圖1所示，共劃分26 774個(gè)節(jié)點(diǎn)，20 432個(gè)單元。計(jì)算所采用直角坐標(biāo)系為:坐標(biāo)原點(diǎn)選在渡槽端部拉桿頂部對(duì)稱點(diǎn)，X軸為垂直于渡槽水流的水平方向，Y軸為鉛垂向上，Z軸沿渡槽水流方向。溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)假定計(jì)算域支座底面、計(jì)算域?qū)ΨQ面為絕熱邊界，其他面為散熱邊界，按第三類邊界條件處理。

1.2 計(jì)算參數(shù)

混凝土主要熱學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 混凝土主要熱學(xué)參數(shù)

計(jì)算時(shí)水溫取4℃，寒潮在6 h內(nèi)降溫10℃，之后氣溫保持日氣溫，則:T(t)=T+5.0×cos。其中，T(t)為一天中t時(shí)刻氣溫值，℃;T為降溫結(jié)束時(shí)的外界氣溫，℃;t0為一天中氣溫最高的時(shí)刻，一般取14:00;t為當(dāng)前計(jì)算時(shí)刻。

1.3 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

取U型渡槽運(yùn)行期秋冬季通水狀態(tài)，水位高度5.8 m，計(jì)算分析開(kāi)始降溫后3 d的渡槽溫度場(chǎng)，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為1 h。

渡槽在正常運(yùn)行期秋冬季遭遇環(huán)境急劇降低，其底板、側(cè)墻和翼緣外表面與外界環(huán)境接觸，溫度隨氣溫的降低而降低，但降溫幅度小于外界環(huán)境溫度，降溫速度也略滯后于環(huán)境氣溫(如圖2所示)。圖3為渡槽在降溫結(jié)束時(shí)刻(即開(kāi)始降溫后6 h)、開(kāi)始降溫后30 h以及72 h的溫度云圖。結(jié)果表明，渡槽內(nèi)表面與水直接接觸，可以認(rèn)為溫度保持水溫4℃不變。但外表面受環(huán)境降溫影響急劇降低，溫度變化規(guī)律基本同外界氣溫，造成渡槽內(nèi)外較大溫差。降溫結(jié)束時(shí)刻，渡槽內(nèi)外溫差為6℃，滯后于外界氣溫降溫幅度，隨著時(shí)間的推移，外界氣溫維持在－14℃左右，渡槽外表面最低溫度在降溫結(jié)束后24 h為－12.81℃。其中，渡槽底板內(nèi)外溫差最大約為10.5℃，側(cè)墻內(nèi)外溫差為8.9℃(如圖4所示)，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力過(guò)大而出現(xiàn)開(kāi)裂。

2 降溫幅度對(duì)渡槽溫度場(chǎng)的影響

為了比較不同降溫幅度對(duì)渡槽溫度分布情況的影響，擬定降溫5℃/6 h，10℃/6 h，15℃/6 h三種計(jì)算工況。圖4中降溫開(kāi)始后渡槽底板內(nèi)外溫差均高于側(cè)墻內(nèi)外溫差，故對(duì)降溫幅度和降溫速率的敏感性分析均針對(duì)渡槽底板。

不同降溫幅度下渡槽底板內(nèi)外溫差如圖5所示，由圖5可見(jiàn)，不同降溫幅度下，渡槽底板內(nèi)外溫差變化規(guī)律基本相同，降溫初期隨外界環(huán)境的下降而快速增大，在降溫結(jié)束后隨氣溫呈正弦波動(dòng)變化。降溫幅度越大，渡槽結(jié)構(gòu)外表面溫降速率及溫降幅度越大，內(nèi)外溫差越大，溫度分布的非線性程度越高，溫度梯度也越大(如圖6所示)。當(dāng)降溫幅度為15℃時(shí)，渡槽底板內(nèi)外溫差達(dá)到14.4℃，可能導(dǎo)致渡槽出現(xiàn)裂縫進(jìn)而影響渡槽的正常使用。

3 降溫速率對(duì)渡槽溫度場(chǎng)的影響

為了比較不同降溫幅度對(duì)渡槽溫度分布情況的影響，擬定降溫10℃/3 h，10℃/6 h，10℃/9 h三種計(jì)算工況。不同降溫速率下渡槽底板內(nèi)外溫差如圖7所示。不同的寒潮降溫速率，渡槽結(jié)構(gòu)表面最大溫度降溫基本一致，尤其在降溫結(jié)束24 h后，三種工況下底板外表面溫度時(shí)程完全相同，均隨外界氣溫呈正弦變化規(guī)律。但降溫早期溫降速率越大，渡槽結(jié)構(gòu)表面溫度下降越快，降幅也越大，溫度分布的非線性程度越高，溫度梯度越大(如圖8所示)。因此溫降速率越大，降溫早期開(kāi)裂可能性越大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文計(jì)算分析某大型U型渡槽在運(yùn)行期遭遇寒潮急劇降溫過(guò)程中溫度場(chǎng)分布規(guī)律，并分析總結(jié)了不同降溫幅度和降溫速率對(duì)渡槽溫度場(chǎng)的影響。結(jié)果表明:在渡槽正常運(yùn)行期，遭遇環(huán)境氣溫驟降，導(dǎo)致較大內(nèi)外溫差，可能導(dǎo)致渡槽槽身出現(xiàn)裂縫，此時(shí)可采取必要的保溫措施以抵御寒潮襲擊，防止渡槽產(chǎn)生裂縫。

［1］ 季日臣，夏修身，陳堯隆，等.驟然降溫作用下混凝土箱形渡槽橫向溫度應(yīng)力分析［J］.水利水電技術(shù)，2007(38):50-52.

［2］ 宋書(shū)卿.特大型空心渡槽運(yùn)行期溫度應(yīng)力研究［D］.武漢:武漢大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

［3］ 王潘繡，趙海濤.大型U型渡槽正常運(yùn)行寒潮期仿真分析［J］.水電能源科學(xué)，2010，7(28):92-94.

［4］ SL 191-2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.