復雜約束條件下大體積混凝土冷卻降溫過程優化分析

井向陽

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都610072； 2.國家能源水電工程技術研發中心高混凝土壩分中心，四川成都610072)

隨著連續、快速施工工藝的發展，以及混凝土摻合料的廣泛使用，大體積混凝土施工過程中的溫度回升和降溫速率過快、溫降幅度過大等問題愈發突出，不利于混凝土的區間溫度梯度控制[1-2]。

修建在不平整建基面上的混凝土壩，其約束條件復雜，在遭遇極端氣溫變化時易出現裂縫。若采用常規的水管冷卻設計思路，即分期(一期、二期)冷卻，雖然可以控制壩體的內部溫度，但是其溫度拉應力水平卻普遍偏高[3-5]。

本文以我國西南地區某混凝土拱壩陡坡壩段為例，對其水管冷卻過程做了優化設計，并采用數值分析方法驗證其可行性。

1 工程概況

我國西南地區某水電站，位于四川省境內，擋水建筑物采用常規混凝土拱壩，最大壩高305 m，大壩設置25條橫縫，將壩體分為26個壩段，采用四級配混凝土(C18040、C18035、C18030)進行澆筑，其主要溫控設計要求和控制標準為：①考慮壩體厚度較大以及下部已封拱區域對上部壩體的約束作用，全壩定義為約束區。②大壩采用溫差控制標準△T≤14 ℃。③大壩混凝土出機口溫度全部按照7 ℃進行控制，澆筑溫度按照5～11 ℃進行控制。④大壩混凝土內部最高溫度控制標準為Tm≤Td+△T，最終控制標準為26～29 ℃。⑤大壩混凝土接縫灌漿溫度為12～15 ℃。⑥大壩混凝土相鄰塊高差不大于12 m，整個大壩最高與最低壩塊高差要求控制在30 m以內，層間間歇期為5～14 d，兩相鄰壩塊的澆筑間歇時間不得小于72 h。⑦懸臂高度控制要求。孔口壩段允許最大懸臂高度不大于50 m；非孔口壩段允許最大懸臂高度不大于60 m。⑧大壩混凝土冷卻分為一期、中期和二期3個階段，各期通水溫度和目標溫度等見表1。

表1 大壩混凝土各期通水控制標準

2 水管冷卻優化設計

以拱壩左岸16號壩段為例，研究了改進的通水冷卻方案，其主體思想是水管冷卻5個參數的優化[2]，降溫過程見圖1。在時間上，將通水冷卻過程簡化為通水控溫(A區)和緩慢降溫(B區)兩個區。

(1)對于A區，通水冷卻的目的主要是控制混凝土的溫度峰值，起到削峰作用。此階段應適當提高冷卻強度，水溫可采用8～10 ℃的制冷水，流量可加大至2.0～2.5 m3/h，一般持續7～10 d左右，待混凝土溫度不再上升后，再逐漸減小通水強度。

(2)對于B區，采用小溫差、長期-間歇冷卻、小流量、往復循環通水[6]，持續時間約110～130 d。整個B區的通水過程，可通過調控水溫、流量和水流方向3個參數來保持溫度變化過程與設計曲線的吻合。

圖1 改進通水冷卻方案的降溫過程示意

3 數值計算

3.1 有限元模型

圖2為簡化的壩體基礎約束區計算模型，采用八節點等參單元構造壩體混凝土和地基巖體，采用熱流耦合單元模擬冷卻水管，共計62 139個單元、70 824個節點。壩基巖體為水平向約束，壩基底面為豎直向約束，壩體左右兩側取法向約束。

圖2 數值計算網格

3.2 主要材料參數

壩體混凝土取常態混凝土C18040四級配混凝土，其絕熱溫升過程根據試驗取值為：

Q(τ)=27.1×(1-e-0.186τ0.959)

(1)

式中，τ為混凝土的齡期；Q(τ)為隨齡期的累計水化熱溫升。

混凝土導溫系數取0.003 m2/h，導熱系數取8.41 kJ/(m·℃)，比熱取1.01 kJ/(kg·℃)，線膨脹系數取8.4×10-6/℃。混凝土力學參數見表2。

表2 大壩混凝土主要力學參數

3.3 計算方案

(1)工況1。按表1所示的初始設計方案執行通水冷卻。

(2)工況2。按圖1執行改進的通水冷卻方案，通水從混凝土澆筑之后開始，并一直持續至接縫灌漿，保證混凝土內部溫度緩慢降低至封拱溫度。

3.4 結果分析

選取壩體1 618 m和1 630 m高程的特征點進行分析。圖3為兩種工況的混凝土溫度變化過程曲線。從圖3可以看出，兩種冷卻方案的初期溫度峰值和最終目標溫度基本保持一致，唯一的區別是中期的溫度變化過程：工況1所示的分期冷卻方案，有兩個明顯的降溫階段；而工況2的冷卻方案不存在大幅的降溫過程，其混凝土溫度的變化過程較為均勻。

圖3 兩種工況溫度歷時曲線對比

圖4 兩種工況應力歷時曲線對比

圖4為1 618 m和1 630 m高程特征點的應力過程曲線。從圖4可以看出，工況1有兩個應力峰值，分別出現在一冷降溫和二冷降溫時段；工況2由于其混凝土溫度是緩慢下降的，故只出現了一個應力峰值，且其應力峰值明顯比工況1的應力峰值小。

綜合來看，改進的通水冷卻方案(工況2)能夠使混凝土內部溫度的變化更為均勻，在時間和空間上的溫度梯度也更小，避免了溫度陡升、驟降現象的頻繁發生，產生的直接效果就是降低了施工期溫度拉應力，這對壩體混凝土的防裂是極其有利的。

4 結 論

復雜約束條件下的混凝土壩，其溫度應力水平相對偏高，存在較大的開裂風險。本文以某拱壩為例，對其原有的水管冷卻過程做了優化設計，并基于有限元法進行仿真計算分析得出，采用改進的通水冷卻過程曲線可以降低混凝土的拉應力峰值，對于壩體混凝土防裂是有利的。所得結論為工程設計與施工提供了理論技術支撐。

[1] 張國新, 劉有志, 劉毅.“數字大壩”朝“智能大壩”的轉變-高壩溫控防裂研究進展[C]∥水庫大壩建設與管理中的技術進展——中國大壩協會2012學術年會論文集. 鄭州： 黃河水利出版社, 2012, 87- 97．

[2] 井向陽, 劉俊, 陳強, 等. 高碾壓混凝土重力壩通水冷卻優化設計與工程實踐[J]. 水電能源科學, 2016, 34(6)： 71- 74．

[3] 朱伯芳. 大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M]. 北京： 中國電力出版社, 1999．

[4] 張國新, 劉有志, 劉毅, 等. 特高拱壩施工期裂縫成因分析與溫控防裂措施探討[J]. 水力發電學報, 2010, 29(5): 45- 50．

[5] 井向陽. 高拱壩施工過程中的同冷區控制方法研究[J]. 水電能源科學, 2015, 33(9)： 81- 84．

[6] 朱伯芳. 小溫差早冷卻緩慢冷卻是混凝土壩水管冷卻的新方向[J]. 水利水電技術, 2009, 1(40)： 44- 50．