水電站大體積混凝土澆筑施工的溫度應力三維仿真分析

岳朝俊 袁習奎 蔣思良

1.長江勘測規劃設計研究院 湖北 武漢 430010；2.中國建筑第二工程局有限公司 湖南 長沙 410005

巴基斯坦卡洛特水電站進水塔為岸塔式、鋼筋混凝土箱筒式結構，共有4座獨立塔體，每座進水塔對應一條水電站引水隧洞。

水電站進水塔混凝土體積較大、基礎約束強、結構受力復雜，受水泥水化熱和氣溫等邊界條件的影響，混凝土內部與外部以及混凝土和基礎之間極易產生相對溫差，由于約束的作用進而產生拉應力。混凝土是脆性材料，過大的拉應力可能會導致其開裂，輕則影響結構的整體受力，重則危及結構安全[1-5]。因此，現場擬定了降低澆筑溫度、通水冷卻、表面保溫等措施。

本文采用Ansys有限元軟件，按照施工計劃進行施工期溫度和溫度應力場的三維仿真計算，分析研究水電站進水塔在擬定溫控措施下各部位溫度和溫度應力分布情況，得到各部位溫控防裂安全系數，并指導實際溫控措施的實施調整。

1 模型建立及邊界條件

在溫度應力仿真中，對進水塔模型進行了適當的簡化，繪制的進水塔有限元計算模型如圖1和圖2所示。計算網格總單元數32 716個、節點數39 526個，其中進水塔網格單元數25 384個、節點數31 542個。

坐標x軸為順水流方向，y軸為鉛直方向（向上為正），z軸為橫河方向（由左岸指向右岸）。

2 計算基本條件及參數

2.1 氣溫

卡洛特水電站位于巴基斯坦Jhelum河流域干流下游，壩址以上匯入Jhelum河的主要支流有Neelum河和Kunhar河。工程流域多年平均氣溫20.1 ℃，計算選取流域內氣象站點的氣溫統計數據進行平均，具體見表1。

圖1 進水塔整體計算模型

圖2 計算模型有限元網絡劃分

表1 壩址各月平均氣溫取值 單位：℃

2.2 材料計算參數

水電站進水塔底板及塔體混凝土設計強度等級主要為C25。計算中混凝土的主要熱力學參數取值如下：導溫系數為5.232×10-3m2/h，導熱系數為11.8 kJ/（m·h·K），質量熱容為0.947 kJ/（kg·K），線膨脹系數為10.9×10-6K-1，7 d絕熱溫升為29.2 K。混凝土力學參數取值見表2。

表2 混凝土力學參數值

2.3 混凝土澆筑進度

水電站進水塔位于卡洛特工程溢洪道左側邊坡，底板高程430.5 m，頂板高程469.5 m，塔高39 m。進水塔基礎較高，底板混凝土澆筑工期約1個月，塔體混凝土澆筑工期約7個月，塔頂金屬結構安裝工期3個月，廠房進水口總工期約11個月。進水塔在引水洞襯砌完成后進行施工。

1#進水塔計劃于主體工程開工建設后第3年的1月1日開始混凝土澆筑，當年11月26日澆筑至469.5 m（頂部高程），后續3座進水塔3個月后全部澆筑完成。

2.4 澆筑溫度控制

根據規范要求以及設計成果，對進水塔各部位采取溫控分區，對各區不同時段澆筑方式及澆筑溫度控制如下：

1）基礎強約束區部位：在12月—次年2月，混凝土采取自然澆筑方式；其他月份采取水冷骨料或混凝土加冰水拌和等措施后澆筑，澆筑溫度控制不超過20 ℃。

2）基礎弱約束區部位：在12月—次年2月，混凝土采取自然澆筑方式；其他月份采取水冷骨料或混凝土加冰水拌和等措施后澆筑，澆筑溫度控制不超過22 ℃。

3）脫離基礎約束區及墩墻部位：在12月—次年2月，混凝土采取自然澆筑方式；在3—5月和10—11月，澆筑溫度控制不超過22 ℃；在6—9月高溫季節，采取水冷骨料或混凝土加冰水拌和等措施后澆筑，澆筑溫度控制不超過24 ℃。

2.5 冷卻處理

為降低底板大體積混凝土內部溫度，在底板內部埋設循環冷卻水管，通過循環冷水降溫。冷卻水管采用PVC水管，其外徑為32 mm，內徑為28 mm；水管水平間距可取1.5 m，豎直間距根據層厚可取1.5～1.8 m。混凝土開始澆筑時可通水冷卻，基礎強約束區部位在高溫及次高溫季節宜采用15 ℃冷水，其他部位可采用河水，單根水管通水流量按25 L/min計算。低溫季節通水時間控制在8～10 d；為避免溫度變化較大，高溫季節通水時間一般控制在15～20 d；其他季節通水冷卻10～15 d。

2.6 表面保護

低溫季節，混凝土澆筑完成后，混凝土表面采取覆蓋棉氈等有效措施及時進行保溫。混凝土拆模后，及時覆蓋保溫板。夏季混凝土澆筑完畢后，采取表面覆蓋塑料薄膜等保溫措施，并及時進行灑水或噴霧養護。

3 計算結果分析

通過模擬計算，得出水電站進水塔內最高溫度（圖3）和最大拉應力（圖4），具體數值見表3。結果分析表明：

1）進水塔底板在1月開始澆筑，混凝土最高溫度為28.4 ℃，混凝土內部順水流方向最大拉應力1.83 MPa，抗裂安全系數為1.68，大于1.5，滿足混凝土抗裂安全要求。

2）進水塔墩墻混凝土澆筑歷時長，時間跨度較大。墩墻混凝土最高溫度為39.7 ℃，發生在夏季高溫季節澆筑時段，混凝土最大拉應力1.56 MPa，混凝土抗裂安全系數均達到1.9以上，滿足混凝土抗裂安全要求。

4 結語

通過利用Ansys有限元軟件，對卡洛特水電站進水塔在擬定溫控措施下的混凝土澆筑溫度及內部溫度應力進行分析，結果表明：Ansys有限元軟件能有效分析大體積混凝土因溫度變化而產生的溫度應力裂縫問題，并能驗證溫控措施的有效性，從而大大降低工程質量風險。同時，Ansys有限元軟件在工程實際中的成功應用，可為類似工程提供一定的指導作用。

圖3 進水塔最高溫度

圖4 進水塔最大拉應力

表3 進水塔溫控仿真成果統計