大型泄洪洞抗沖耐磨混凝土通水冷卻溫控研究

雷 文

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

大型泄洪洞抗沖耐磨混凝土通水冷卻溫控研究

雷 文

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

針對(duì)大型泄洪洞抗沖耐磨混凝土溫控要求高、裂縫控制難等問(wèn)題，采用有限元分析方法研究了大崗山水電站泄洪洞邊墻C9050襯砌混凝土在不同通水溫度、不同通水流量條件下的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：襯砌混凝土的最高溫度和最大拉應(yīng)力均呈“先增大、后減小”的變化趨勢(shì)，且峰值溫度出現(xiàn)在澆筑后的4～5 d；通水冷卻效果與通水溫度呈負(fù)相關(guān)，而與通水流量呈正相關(guān)；在混凝土澆筑早期，適當(dāng)增大通水流量或降低通水溫度，均可降低混凝土的最高溫度和最大拉應(yīng)力，達(dá)到溫度控制的目的。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，施工中采取了“早通水、大流量、短歷時(shí)”冷卻的溫控防裂措施，在澆筑過(guò)程中至澆完1～2 d，通12 ℃左右的冷卻水，流量約為3.5 m3/h，3～7 d通17 ℃左右的河水，流量約為1.8 m3/h，7 d以后依靠表面流水養(yǎng)護(hù)達(dá)到降溫效果。現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：泄洪洞邊墻典型樁號(hào)的實(shí)測(cè)溫度變化過(guò)程線(xiàn)的線(xiàn)型和變化趨勢(shì)均與數(shù)值模擬結(jié)果一致，且邊墻襯砌混凝土的整體溫控檢測(cè)合格率達(dá)90%以上，表明這種“早通水、大流量、短歷時(shí)”的冷卻措施溫控效果良好。

泄洪洞；抗沖耐磨混凝土；通水冷卻；溫控模擬；防裂措施；大崗山水電站

1 概 述

我國(guó)大型水電工程集中分布在西部高山峽谷地區(qū)，受地形等條件限制，存在大量尺寸大、單洞泄流量大、流速高的泄洪洞。其在施工過(guò)程中普遍采用抗沖耐磨混凝土，面臨溫控要求高、裂縫控制難等問(wèn)題，容易產(chǎn)生溫度裂縫，加之高速水流的長(zhǎng)期沖刷，空蝕破壞時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅到泄洪洞的安全和穩(wěn)定運(yùn)行，而且會(huì)大大增加后期泄洪洞的修補(bǔ)費(fèi)用。

近年來(lái)，諸多學(xué)者圍繞泄洪洞襯砌混凝土的溫度場(chǎng)、溫度應(yīng)力以及相關(guān)課題進(jìn)行了較為深入的研究，比如以三峽永久船閘輸水洞工程為依托，方朝陽(yáng)根據(jù)實(shí)測(cè)溫度和應(yīng)力資料，采用有限元方法對(duì)施工期邊墻和頂拱的溫度、應(yīng)力進(jìn)行了仿真分析；段亞輝開(kāi)展了澆筑溫控混凝土和常規(guī)混凝土的溫度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，分析了襯砌混凝土溫度場(chǎng)的分布和隨時(shí)間的變化規(guī)律；王雍模擬了多種溫控措施下的防裂效果；段云嶺采用自己編寫(xiě)的SPS_FET2D程序?qū)π±说仔购槎垂こ踢M(jìn)行了施工過(guò)程的仿真分析，探討了裂縫產(chǎn)生的原因和機(jī)理。以溪洛渡水電站導(dǎo)流洞工程為依托，吳家冠研究了邊墻襯砌混凝土通水時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)水管冷卻效果的影響；郭杰研究了不同厚度襯砌混凝土的通水冷卻效果；陳勤研究了洞室和圍巖溫度對(duì)泄洪洞襯砌混凝土的溫度和溫度應(yīng)力的影響；馮金根研究了混凝土最終絕熱溫升值和絕熱溫升速率對(duì)襯砌混凝土溫度和溫度應(yīng)力場(chǎng)的影響；趙路以三板溪水電站泄洪洞工程為依托，研究了邊墻襯砌混凝土的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力分布及變化規(guī)律，探討了裂縫的發(fā)生與發(fā)展過(guò)程。

綜上所述，諸多學(xué)者在泄洪洞施工期溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力分析方面已經(jīng)做過(guò)許多研究并取得了一定進(jìn)展。由于以往的研究大多集中在探討裂縫產(chǎn)生的原因、分析影響襯砌混凝土冷卻效果的因素或者模擬某項(xiàng)溫控措施的防裂效果等方面，而真正將溫控仿真計(jì)算成果用于指導(dǎo)工程實(shí)際施工的例子相對(duì)較少。筆者以大崗山水電站泄洪洞工程為依托，針對(duì)邊墻二級(jí)配C9050硅粉混凝土，采用三維有限元分析方法，模擬了襯砌混凝土在不同通水溫度、不同通水流量條件下的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力變化規(guī)律，并根據(jù)溫控仿真計(jì)算結(jié)果，提出了“早通水、大流量、短歷時(shí)”冷卻的溫控防裂措施并將其用于指導(dǎo)工程實(shí)際施工，取得了良好的工程應(yīng)用效果，確保了泄洪洞襯砌混凝土的澆筑施工質(zhì)量。

2 計(jì)算參數(shù)

2.1 C9050混凝土的熱力學(xué)參數(shù)

大崗山水電站泄洪洞邊墻襯砌采用C9050抗沖耐磨混凝土，其中粉煤灰摻量為20%、硅粉摻量為5%。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工資料、配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)、混凝土性能試驗(yàn)成果并參考類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，選取混凝土的熱力學(xué)參數(shù)如表1、表2所示。文中暫不考慮混凝土的徐變。

表1 C9050硅粉混凝土熱力學(xué)參數(shù)表

表2 C9050硅粉混凝土強(qiáng)度及彈性模量表

2.2 圍巖的熱力學(xué)參數(shù)

大崗山水電站泄洪洞邊墻巖體為Ⅰ類(lèi)圍巖，巖體完整性和穩(wěn)定性較好，彈性模量E選定為40 GPa，μ=0.2，其余各項(xiàng)熱力學(xué)參數(shù)的取值見(jiàn)表3。

2.3 氣溫、地溫參數(shù)

表3 泄洪洞圍巖熱力學(xué)參數(shù)表

采用余弦函數(shù)曲線(xiàn)模擬泄洪洞洞室氣溫的年周期性變化，其表達(dá)式為：

式中Ta為環(huán)境氣溫；A為多年平均氣溫；B為氣溫年變幅；C為最高氣溫時(shí)間。根據(jù)洞內(nèi)實(shí)測(cè)氣溫資料并參考類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，取A=20，B=10。

地溫的分布較為均勻、穩(wěn)定。一般而言，地表附近的地溫接近于月平均氣溫，地表以下深10 m的地溫接近于年平均氣溫。文中所述圍巖、泄洪洞表面的溫度取年平均氣溫20 ℃。

3 邊墻襯砌混凝土有限元分析

3.1 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

大崗山水電站泄洪洞凈斷面尺寸為(14～16 m)×(18～20 m)(寬×高)，結(jié)合洞身段混凝土施工，主要對(duì)邊墻部位60 cm厚的C9050大體積混凝土溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力進(jìn)行三維有限元仿真分析。計(jì)算模型圍巖范圍約取泄洪洞直徑的3倍，整體坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在泄洪洞的底部，從上游面向下游面方向?yàn)閥軸正向，垂直泄洪洞軸線(xiàn)的水平方向?yàn)閤軸正向，鉛直向上為z軸正向，計(jì)算模型如圖1所示。

在網(wǎng)格剖分時(shí)，對(duì)于圍巖與襯砌混凝土采用六面體單元，局部采用五面體或四面體單元進(jìn)行過(guò)渡。無(wú)厚度接觸單元可以傳遞熱量、壓應(yīng)力與剪應(yīng)力，但不能承受拉應(yīng)力，能夠比較真實(shí)的模擬混凝土層面的溫度和應(yīng)力狀況。

圖1 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分圖

3.2 邊界條件

非穩(wěn)定溫度場(chǎng)計(jì)算中邊界條件的選取：圍巖底面、頂面和4個(gè)側(cè)面為絕熱邊界；泄洪洞施工倉(cāng)面為固-氣邊界，按第三類(lèi)邊界條件處理。

應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算中邊界條件的選取：圍巖底面和頂面按固定支座處理；圍巖4個(gè)側(cè)面法線(xiàn)方向按簡(jiǎn)支處理；混凝土表面按自由邊界處理。

3.3 計(jì)算工況

泄洪洞邊墻C9050抗沖耐磨混凝土澆筑采用預(yù)埋HDPE塑料冷卻水管降溫，水管外徑為32 mm，壁厚為2 mm，內(nèi)徑為28 mm，長(zhǎng)度在300 m以?xún)?nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)為1.67 kJ/(mh℃)，采用蛇形均勻鋪設(shè)，垂直布置間距1 m，在澆筑時(shí)埋入混凝土內(nèi)部，其在邊墻中的布置形式如圖2所示。一般通水時(shí)間不少于15 d并應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，通水流量為1.5～1.8 m3/h，冷卻水管通水溫度為12 ℃～18 ℃。

本次數(shù)值模擬研究了不通冷卻水、通18 ℃、15 ℃、12 ℃冷卻水條件下通水流量分別為1.5 m3/h和1.8 m3/h等七種計(jì)算工況。由于實(shí)際工程中較為關(guān)注澆筑初期混凝土內(nèi)部的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化情況，因此，本次有限元模擬的時(shí)長(zhǎng)均選為30 d。

3.4 控制點(diǎn)的選取

在大崗山水電站泄洪洞襯砌混凝土的溫控仿真計(jì)算結(jié)果分析中，主要選取了邊墻襯砌混凝土上的代表點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。其中，分別取邊墻高4.5 m、9 m、13.5 m處的代表點(diǎn)分析邊墻的應(yīng)力情況，并在每個(gè)高程處分別取襯砌表面、中間和圍巖側(cè)三個(gè)代表點(diǎn)，共計(jì)27個(gè)代表點(diǎn)。所選取各個(gè)代表點(diǎn)在邊墻襯砌中的位置如圖2所示。

3.5 計(jì)算結(jié)果與分析

圖2 邊墻所取代表點(diǎn)示意圖

有限元計(jì)算結(jié)果顯示，在邊墻抗沖耐磨混凝土襯砌施工過(guò)程中，隨著齡期的增長(zhǎng)，混凝土內(nèi)部溫度和溫度應(yīng)力均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)各計(jì)算工況下邊墻27個(gè)代表點(diǎn)處混凝土內(nèi)部的最高溫度、最大溫差以及最大拉應(yīng)力等特征參數(shù)，其結(jié)果見(jiàn)表4。

3.5.1 通水溫度影響效果分析

不同通水溫度條件下，混凝土內(nèi)部最高溫度及最大拉應(yīng)力變化曲線(xiàn)如圖3所示。

表4 各工況下溫度仿真計(jì)算結(jié)果表

從圖3(a)中可以看出，邊墻襯砌混凝土澆筑過(guò)程中，混凝土內(nèi)部的最高溫度大致經(jīng)歷了水化熱溫升和溫降兩個(gè)階段。澆筑初期，由于C9050硅粉混凝土產(chǎn)生大量的水化熱，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度急劇上升，并在澆筑后4～5 d達(dá)到最大值；隨后，由于通水冷卻等溫控措施發(fā)揮作用，混凝土內(nèi)部溫度開(kāi)始下降。

澆筑混凝土內(nèi)部最大拉應(yīng)力的變化同樣也經(jīng)歷了應(yīng)力增長(zhǎng)和應(yīng)力減小兩個(gè)階段，如圖3(b)所示。不過(guò)，相比于最高溫度而言，峰值拉應(yīng)力出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)晚一些，其原因可能與混凝土襯砌的施工過(guò)程有關(guān)。混凝土澆筑早期，在模板的約束作用及混凝土自身的重力作用下，混凝土內(nèi)部往往產(chǎn)生壓應(yīng)力。混凝土初凝后，模板被拆掉，混凝土在水化熱及晝夜溫差的作用下，繼而產(chǎn)生拉應(yīng)力。

對(duì)比工況2、工況5和工況7發(fā)現(xiàn)，在相同通水流量條件下，通水溫度從18 ℃逐漸降低到12 ℃時(shí)，混凝土內(nèi)部的最高溫度歷時(shí)曲線(xiàn)和最大拉應(yīng)力歷時(shí)曲線(xiàn)均隨之下移，且峰值溫度從36.5 ℃依次降低至28.6 ℃、26.7 ℃，峰值拉應(yīng)力由3.94 MPa依次減小為2.93 MPa、1.54 MPa，表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。

綜上所述，通水溫度是影響澆筑混凝土冷卻效果的一大因素，且澆筑混凝土冷卻效果的好壞與冷卻水溫度的高低成負(fù)相關(guān)，施工中建議適當(dāng)降低冷卻水的溫度以增強(qiáng)襯砌混凝土的冷卻效果。

3.5.2 通水流量影響效果分析

相同通水溫度、不同通水流量條件下(對(duì)比工況6和工況7)混凝土內(nèi)部最高溫度及最大拉應(yīng)力歷時(shí)曲線(xiàn)如圖4所示。

(a)不同冷卻水溫度下混凝土內(nèi)部最高溫度歷時(shí)曲線(xiàn)圖 (b)不同冷卻水溫度下混凝土內(nèi)部最大拉應(yīng)力歷時(shí)曲線(xiàn)圖圖3 通水溫度影響效果分析表

(a)不同通水流量下混凝土內(nèi)部最高溫度歷時(shí)曲線(xiàn)圖 (b)不同通水流量下混凝土內(nèi)部最大拉應(yīng)力歷時(shí)曲線(xiàn)圖圖4 冷卻水溫度影響效果分析圖

從圖4中可以看出：在相同通水溫度條件下，通水流量從1.5 m3/h增加到1.8 m3/h時(shí)，混凝土內(nèi)部最高溫度歷時(shí)曲線(xiàn)和最大拉應(yīng)力歷時(shí)曲線(xiàn)也會(huì)相應(yīng)地下移，且峰值溫度和峰值拉應(yīng)力均有一定程度的減小，表明通水流量是影響澆筑混凝土冷卻效果的另一個(gè)重要因素，且混凝土冷卻效果的好壞與通水流量的大小表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性。大的通水流量能夠更快地帶走混凝土的水化熱，起到快速冷卻的效果，所以，施工中建議在適當(dāng)?shù)那闆r下采用更大的通水流量。

圖3(a)和圖4(a)顯示：混凝土內(nèi)部整體最高溫度大約發(fā)生在混凝土澆筑后的4～5 d，施工中建議加強(qiáng)早期通水冷卻，以確保混凝土的冷卻效果。

3.5.3 最優(yōu)工況分析

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，混凝土內(nèi)部允許最高溫度為34 ℃，最大溫差不超過(guò)25 ℃，最大允許拉應(yīng)力為2.7 MPa。

從表4中可以看出：工況6最高溫度為28.61 ℃，最大溫差為16.29 ℃，混凝土內(nèi)部整體最大拉應(yīng)力為2.18 MPa；工況7最高溫度為26.74 ℃，最大溫差為14.44 ℃，混凝土內(nèi)部整體最大拉應(yīng)力為1.54 MPa。計(jì)算結(jié)果表明：工況6和工況7條件下的通水冷卻效果可以同時(shí)滿(mǎn)足溫度和應(yīng)力要求。

在該工程中，為了具有一定的安全系數(shù)，施工中建議采用通12 ℃左右的冷卻水，通水流量約為1.8 m3/h，可以達(dá)到較好的溫控效果。

4 邊墻溫控監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)溫控仿真計(jì)算成果，結(jié)合混凝土性能試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，施工中采取了“早通水、大流量、短歷時(shí)”冷卻的溫控防裂措施。鑒于C9050硅粉混凝土早期水化熱集中、生熱量大，為避免襯砌混凝土升溫速率過(guò)快，在澆筑過(guò)程中至澆完1～2 d，通12 ℃左右、流量約為3.5 m3/h的“大流量、低溫”冷卻水；3～7 d，混凝土內(nèi)部的溫度-歷時(shí)曲線(xiàn)達(dá)到最大值并開(kāi)始下降，且此時(shí)拉應(yīng)力的增長(zhǎng)速度相對(duì)較快，而拉應(yīng)力的產(chǎn)生多為混凝土內(nèi)外溫差較大所致。為避免襯砌混凝土的峰值溫度過(guò)高、內(nèi)外溫差過(guò)大，施工中采用了通17 ℃左右的河水，流量為1.8 m3/h左右的施工方案；7 d以后，混凝土初凝完畢，模板被拆除，由于混凝土表面增加了散熱面且減少了模板的約束作用，混凝土表面溫度迅速下降，內(nèi)部溫度的降低則相對(duì)遲緩，導(dǎo)致混凝土內(nèi)外溫差較大，在熱脹冷縮作用下拉應(yīng)力增長(zhǎng)迅速，此時(shí)容易產(chǎn)生溫度裂縫。為避免降溫速率過(guò)快，施工中需采用表面流水養(yǎng)護(hù)的措施以保證混凝土的降溫速率符合相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

在混凝土澆筑施工過(guò)程中，通過(guò)在混凝土內(nèi)部埋設(shè)電阻式溫度計(jì)對(duì)混凝土的溫度及各項(xiàng)溫控措施進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中，每倉(cāng)混凝土交替在左右兩側(cè)邊墻埋設(shè)1支溫度計(jì)，新澆混凝土前3 d測(cè)量時(shí)間間隔小于8 h，之后小于12 h，測(cè)量持續(xù)時(shí)間不少于28 d。邊墻部位共計(jì)埋設(shè)溫度計(jì)127支，其中有122支儀器順利完成監(jiān)測(cè)工作，儀器存活率達(dá)96.1%，溫度監(jiān)測(cè)成果見(jiàn)表5，其中，邊墻典型樁段的溫度變化過(guò)程線(xiàn)如圖6所示。

表5 泄洪洞溫度監(jiān)測(cè)成果表

圖5 邊墻典型樁段混凝土溫度變化過(guò)程線(xiàn)圖

由表5可知：邊墻0+000～0+120漸 變 段、0+120～1+037.71標(biāo) 準(zhǔn) 段、1+037.71～1+075.5漸變段實(shí)測(cè)混凝土的平均最高溫度分別為32.05 ℃、33.6 ℃和33.47 ℃，均高于工況7計(jì)算所得的最高溫度，但均在容許最高溫度范圍內(nèi)。實(shí)測(cè)峰值溫度出現(xiàn)的時(shí)間大約在澆筑后的2～3 d，早于計(jì)算所得的4～5 d(圖5)。出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因可能為：數(shù)值模擬中，為了節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，對(duì)計(jì)算模型、邊界條件和次要參數(shù)等進(jìn)行了必要的取舍，導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果與工程實(shí)際之間存在些許出入，但數(shù)值模擬所得的溫度場(chǎng)的變化規(guī)律與實(shí)測(cè)結(jié)果一致，仍然具有重要的參考價(jià)值。

總的來(lái)說(shuō)，泄洪洞邊墻典型樁號(hào)的實(shí)測(cè)溫度變化過(guò)程線(xiàn)的線(xiàn)型和變化趨勢(shì)均與筆者此次數(shù)值模擬結(jié)果較為接近，且邊墻襯砌混凝土的整體溫控檢測(cè)合格率達(dá)90%以上，表明這種“早通水、大流量、短歷時(shí)”冷卻的溫控防裂措施可以實(shí)現(xiàn)良好的溫控效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)大崗山水電站泄洪洞邊墻襯砌混凝土三維有限元計(jì)算結(jié)果顯示：采用通12 ℃冷卻水，通水流量為1.8 m3/h時(shí)，混凝土內(nèi)部最高溫度為26.74 ℃，最大溫差為14.44 ℃，最 大 拉 應(yīng) 力 為1.54 MPa，可以同時(shí)滿(mǎn)足溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)設(shè)計(jì)要求。

(2)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析結(jié)果表明：通水冷卻效果的好壞與冷卻水溫度的高低呈負(fù)相關(guān)，與通水流量大小呈正相關(guān)。在相同通水溫度條件下，適當(dāng)增大通水流量，或者在相同通水流量條件下適當(dāng)降低通水溫度，襯砌混凝土的最高溫度和最大拉應(yīng)力均會(huì)降低。混凝土的峰值溫度大約出現(xiàn)在澆筑后的4～5 d。通過(guò)加強(qiáng)早期通水并適度增大通水流量、降低通水溫度可以實(shí)現(xiàn)更好的冷卻效果。

(3)根據(jù)溫控仿真計(jì)算成果，施工中采取了“早通水、大流量、短歷時(shí)”冷卻的溫控措施，在澆筑過(guò)程中至澆完1～2 d，通12℃左右的冷卻水，通水流量為3.5 m3/h左右；3～7 d通17 ℃左右的河水，流量為1.8 m3/h左右；7 d以后依靠表面流水養(yǎng)護(hù)達(dá)到降溫效果。現(xiàn)場(chǎng)溫控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，泄洪洞邊墻襯砌混凝土的溫控檢測(cè)合格率達(dá)90%以上，表明這種“早通水、大流量、短歷時(shí)”冷卻的溫控防裂措施可以有效地降低混凝土內(nèi)部的最高溫升，實(shí)現(xiàn)良好的溫控效果。

TV7;TV554;TV546

B

1001-2184(2017)06-0007-06

2017-10-18

雷 文(1986-)，男，湖北崇陽(yáng)人，工程師，從事水利水電工程施工技術(shù)工作.

李燕輝)