白鶴灘泄洪洞進水口段襯砌混凝土溫控方案優選

王業震，段亞輝，彭 亞，羅 剛，許傳穩

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2.三峽建設管理有限公司白鶴灘工程建設部，四川 寧南 615400)

白鶴灘水電站地處金沙江下游，具有發電、防洪和改善下游通航條件等功能。布置在左岸的3條泄洪洞是泄洪設施的重要組成部分，其斷面大，施工期的泄洪洞襯砌混凝土極易產生裂縫，而溫度應力是襯砌混凝土產生裂縫的重要因素[1,2]，如何防止溫度裂縫的產生是泄洪洞襯砌混凝土的重要研究課題[3]。隨著有限元理論的不斷發展，使用有限單元法仿真計算混凝土溫控方案的計算結果與實測結果吻合較好[4,5]。本文采用有限單元法模擬白鶴灘泄洪洞邊墻襯砌混凝土夏季施工過程中的多種溫控方案，而混凝土絕熱溫升參數的正確選取是仿真模擬的前提[6,7]，首先基于現場實測資料對混凝土的絕熱溫升參數進行反演分析[8]，進而利用反演結果，進行多種溫控方案下有限元仿真計算，對各方案的溫度場、應力場和抗裂安全系數進行綜合分析，推薦最優的溫控方案。將推薦方案應用于進水口段襯砌混凝土施工，通過對混凝土澆筑過程中溫控數據監測，檢驗溫控實施效果。

1 計算基本資料

根據研究，環境溫度對混凝土溫控防裂有重要影響。白鶴灘水電站泄洪洞洞內氣溫采用余弦函數模擬年周期變化，其表達式為[9]：

(1)

式中：Ta表示t時刻泄洪洞洞內氣溫，根據實測氣溫資料，取A=20.5 ℃，B=6.5 ℃，C=210 d。白鶴灘水電站泄洪洞襯砌采用C9040混凝土，圍巖為II類圍巖，混凝土的基本參數見表1和表2，圍巖的基本參數見表3。

表1 混凝土的熱學參數Tab.1 Thermal parameters of concrete

表2 混凝土的力學參數Tab.2 Mechanical parameters of concrete

表3 圍巖的熱力學參數Tab.3 Thermal and mechanical parameters of the rock

混凝土的基本參數中缺少絕熱溫升，而絕熱溫升是影響混凝土溫度和溫度應力發展的重要參數[10]，故需要對C9040襯砌混凝土的絕熱溫升參數進行反演分析。

2 絕熱溫升反演分析

2.1 實測資料

為了便于比較分析，對現場數據進行篩選，選取可靠性和規律性較高的倉位。本文以白鶴灘2號泄洪洞第4單元為例進行反演分析，其實測數據如表4所示。

表4 2號泄洪洞第4單元實測數據Tab.4 The measured data for the fourth unitin 2#spillway tunnel

2.2 反演的有限元模型

為了構建反演模型，采用有限元方法對計算結構段進行劃分。計算結構段為泄洪洞進水口段，城門洞形斷面，斷面高14.5 m，襯砌厚2.5 m，沿泄洪洞軸線每隔12 m設置環向施工縫。泄洪洞具有幾何對稱性和荷載對稱性，因此計算對象可以根據對稱條件進行截取[8]，僅考慮1/4結構段，圍巖厚度取30 m。結構段模型共劃分21 240個三維塊體單元。泄洪洞及圍巖有限元模型如圖1所示。

圖1 泄洪洞襯砌混凝土及圍巖有限元模型Fig.1 Finite element model of lining concrete of the spillway tunnel and surrounding rock

2.3 計算成果與參數選取

有限元仿真計算條件與實測數據保持一致，根據表4選取混凝土的澆筑時間、澆筑溫度、通水溫度和通水時間；根據表1和表2選取混凝土基本參數；根據表3選取圍巖參數。由工程經驗可知，混凝土絕熱溫升值θ在35～40 ℃之間，水化熱散發一半時間n在1～1.5 d之間[5]，在參數范圍內通過正交試驗擬定5組不同的θ和n，利用ANSYS軟件計算得到各組參數對應的溫度曲線，并將計算值與實測值進行相關性比較。計算方案如表5所示。

表5 反演分析計算表Tab.5 Inversion analysis calculation table

由表5可知，方案2計算結果與實測數據最為貼近，故反演最終結果為：絕熱溫升值取37.5 ℃，水化熱散發一半時間取1.2 d。

3 溫控方案仿真計算分析

3.1 計算工況與計算成果

根據上一節對混凝土絕熱溫升參數的分析，結合現有的相關參數，對白鶴灘泄洪洞襯砌混凝土夏季施工的各種溫控方案進行了模擬。由工程經驗可知，在澆筑過程中，邊墻比底板更加危險，故本文選取邊墻代表點作有限元分析。邊墻最危險的點位于邊墻的中間部位[9]，因此選取Y=7.25 m，Z=0 m斷面的點作為代表點，由外向內依次選取表面點、中間點和圍巖點3個代表點，其在X方向上的坐標依次為：X=8.75 m、X=10 m、X=11.25 m。溫控方案如表6所示，計算成果如表7所示。

表6 夏季施工溫控方案表Tab.6 The temperature control programs of summer construction

表7 溫控方案計算成果表Tab.7 Calculation results table of temperature control programs

3.2 邊墻混凝土溫度場分析

將表6中溫控方案進行有限元仿真計算，得出各代表點最高溫度列于表7。由于各個溫控方案溫度場變化規律相似，本文以方案5為例進行分析，溫度歷時曲線如圖2所示。

圖2 方案5邊墻代表點溫度歷時曲線Fig.2 Temperature duration curve of representative point in concrete sidewall under the fifth program

分析表7中的數據，并結合圖2中溫度歷時曲線，可以得到如下結論：

(1)對比6個溫控方案代表點的最高溫度可以發現，中間點的最高溫度要高于表面點和圍巖點的最高溫度。這是由于表面點與空氣接觸、圍巖點與圍巖接觸，表面點和圍巖點的散熱條件優于中間點的散熱條件，因此中間點的最高溫度要高于表面點和圍巖點的最高溫度。

(2)對比方案1與5可以發現，洞口保溫對混凝土代表點的最高溫度無影響。這是因為洞內保溫溫度設置為18、16 ℃，而夏季施工洞內氣溫不低于18 ℃，因此夏季保溫對混凝土最高溫度無影響。

(3)對比6個溫控方案可以發現，降低澆筑溫度和增加冷卻水管密度可以降低混凝土的最高溫度。

3.3 邊墻混凝土應力場分析

將表6中溫控方案進行有限元仿真計算，得出各代表點最大拉應力列于表7。由于各個溫控方案應力場變化規律相似，本文以方案5為例進行分析，溫度應力歷時曲線如圖3所示。

分析表7中的數據，并結合圖3中溫度應力歷時曲線，可以得到如下結論：

(1)對比方案1與5或方案2與6可以發現，提高洞口保溫溫度能夠降低混凝土代表點的最大拉應力。這是因為混凝土的溫度應力與混凝土內外溫差成正比[5]，提高洞口保溫溫度，可以減小內外溫差，從而降低溫度應力。

(2)對比方案1與2、方案3與4或方案5與6可以發現，加大冷卻水管密度能夠降低代表點的最大拉應力。這是因為冷卻水管密度增加，帶走的熱量越多，代表點達到的最高溫度降低，與外界環境的溫差變小，產生的溫度應力變小。

(3)對比方案1與3或方案2與4可以發現，降低混凝土澆筑溫度能夠降低代表點的最大拉應力。這是因為混凝土澆筑溫度降低，代表點達到的最高溫度降低，與外界環境的溫差變小，產生的溫度應力變小。

3.4 推薦方案

結合各溫控方案的溫度應力歷時曲線，求出代表點最小抗裂安全系數如表8所示，根據《混凝土重力壩設計規范》(NB/T

35026-2014)要求，泄洪洞在施工期的抗裂安全系數取為1.8。其中：

抗裂安全系數 (2)

表8 代表點的最小抗裂安全系數匯總表Tab.8 The minimum safety factor of representative points

通過對6種溫控方案的溫度場、應力場和抗裂安全系數進行綜合比較分析，只有方案5滿足規范要求，能夠有效地防止襯砌混凝土產生溫度裂縫，即采用方案：混凝土澆筑溫度為18 ℃，加密水管通制冷水12 ℃，洞口保溫溫度18 ℃。代表點中，中間點和圍巖點較表面點更易產生裂縫，應特別注意中間點和圍巖點最高溫度的控制，通過有限元仿真計算，建議最高溫度控制在41 ℃以內。

4 現場溫控實施效果

采用推薦方案對白鶴灘進水口段進行混凝土澆筑，選取澆筑時間與計算方案相吻合的澆筑單元，從2017年7月27日至8月2日，共澆筑4個邊墻單元，各單元澆筑情況及混凝土內部溫控監測數據如表9所示。

表9 各單元澆筑情況及溫控數據表Tab.9 The pouring situation of each unit and temperature control data sheet

分析表9中的數據，并結合推薦方案，可以發現：

(1)選取的澆筑單元澆筑溫度均未超過推薦澆筑溫度，混凝土內部實測最高溫度控制在推薦范圍內，未超過建議最高溫度41 ℃；

(2)推薦方案的最大溫升為22.75 ℃，選取的澆筑單元最大溫升與推薦方案最大相差1.09 ℃，計算精度較好；

(3)通過對混凝土澆筑效果進行檢查，已澆筑混凝土滿足設計溫控要求，整個現場混凝土表面無龜裂及溫度裂縫產生。

5 結 語

本文首先運用反演分析得出混凝土絕熱溫升參數，進而利用反演分析結果，選出6種溫控方案對白鶴灘泄洪洞邊墻襯砌混凝土進行了有限元仿真計算，將各種溫控方案計算結果進行對比分析，得出以下結論：

(1)在溫度場、應力場和抗裂安全系數綜合分析的基礎上選出推薦方案，在推薦方案下澆筑，混凝土能夠滿足安全要求，不會產生溫度裂縫。

(2)將推薦方案應用于泄洪洞進水口段澆筑，通過對現場溫控數據進行分析，其最大溫升與計算值較為接近，說明有限元仿真計算具有較好的精度。

(3)通過對現場澆筑效果進行檢查，混凝土內部最高溫度控制在建議最高溫度以下，溫度裂縫得到有效控制，達到了預期目標。