巴基斯坦卡洛特水電站地面廠房溫度應(yīng)力三維仿真分析

岳朝俊 段寅 李想 崔金鵬

摘要：巴基斯坦卡洛特水電站地面廠房下部混凝土體積大、受到地基及邊坡約束、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，極易產(chǎn)生溫度應(yīng)力導(dǎo)致混凝土開裂，影響結(jié)構(gòu)的整體受力及結(jié)構(gòu)安全。施工現(xiàn)場制定了包括控制澆筑溫度、通水冷卻、表面保溫等溫控措施。在擬定溫控措施條件下，通過對地面廠房施工期溫度和溫度應(yīng)力場的三維仿真數(shù)值模擬，得到了各部位內(nèi)部最高溫度、最大拉應(yīng)力等結(jié)果，驗(yàn)證了擬定溫控措施的效果，為實(shí)際施工中的混凝土溫度控制提供了指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：溫控措施;三維仿真;地面廠房;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：TV731.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.012

1 工程背景

巴基斯坦卡洛特水電站為Ⅱ等大（2）型工程，樞紐工程主體建筑物由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成。其中，引水發(fā)電建筑物布置在吉拉姆河右岸河灣地塊內(nèi)，采用引水式地面廠房，共安裝4臺單機(jī)容量為180 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量720 MW。地面廠房布置在卡洛特大橋上游約130 m處，總尺寸為160.90 m×27 m×60.5 m（長×寬×高），由機(jī)組段及其右側(cè)安裝場段組成，其中機(jī)組段長111.40 m，安裝場段長49.5 m。廠房單機(jī)寬度27 m，順流向長度56.5 m，采用錯縫分塊澆筑，具體布置見圖1。

地面廠房孔、洞多，體形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不但有大體積混凝土結(jié)構(gòu)，還有大量的板、梁、柱混凝土，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，受水泥水化熱和氣溫等邊界條件影響，大體積混凝土內(nèi)部與外部以及混凝土和基礎(chǔ)之間極易產(chǎn)生相對溫差，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力[1]。由于混凝土是脆性材料，過大的拉應(yīng)力可能會導(dǎo)致混凝土開裂，影響結(jié)構(gòu)的整體受力，甚至危及結(jié)構(gòu)安全。因此，經(jīng)過研究提出了控制澆筑溫度、通水冷卻、表面保溫等溫控保障措施。本文采用ANSYS有限元數(shù)值分析軟件按照現(xiàn)場施工澆筑進(jìn)度計劃進(jìn)行施工期溫度和溫度應(yīng)力場的三維仿真計算[2]，分析研究地面廠房在擬定溫控措施下各部位溫度和溫度應(yīng)力分布情況[3]，得到各部位溫控防裂安全系數(shù)，并在一定程度上指導(dǎo)現(xiàn)場溫控措施的實(shí)施。

2 計算模型及邊界條件

本次計算主要選取廠房典型機(jī)組段蝸殼及發(fā)電機(jī)層以下混凝土結(jié)構(gòu)來建立有限元模型，重點(diǎn)分析廠房大體積混凝土溫度及應(yīng)力分布情況。在模型中，斷面大小根據(jù)實(shí)際尺寸取值，并對地面廠房模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?，繪制出的廠房有限元計算模型見圖2，3[4]。模型計算網(wǎng)格總單元數(shù)為29 282、節(jié)點(diǎn)數(shù)為33 040， 其中廠房網(wǎng)格單元數(shù)為19 762、節(jié)點(diǎn)數(shù)為22 600[5]。

坐標(biāo)假定X向?yàn)轫樍飨?，Y向?yàn)殂U直向，Z向?yàn)闄M河向（左岸指向右岸）。熱學(xué)邊界為上下游面、澆筑倉面為散熱面，其他面為絕熱面。約束邊界為地基底部全約束，地基4個側(cè)面為法向約束。

3 計算基本條件及參數(shù)

3.1 氣 溫

卡洛特水電站位于吉拉姆河流域干流下游，壩址以上匯入吉拉姆河的主要支流有尼勒姆（Neelum）河和昆哈（Kunhar）河，工程流域多年平均氣溫約20℃，計算氣溫選取流域內(nèi)氣象站點(diǎn)的氣溫統(tǒng)計平均數(shù)據(jù)，具體見表1。

3.2 材料計算參數(shù)

地面廠房混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級主要為C25，計算中混凝土主要熱力學(xué)參數(shù)取值見表2，主要力學(xué)參數(shù)取值見表3。

3.3 混凝土澆筑進(jìn)度

地面廠房混凝土澆筑施工的主要程序?yàn)椋旱装寤炷翝仓装骞坦唷菜芏位炷翝仓F管段澆筑→蝸殼安裝→蝸殼二期混凝土澆筑→發(fā)電機(jī)層樓板澆筑→機(jī)組安裝→發(fā)電。

按照進(jìn)度計劃安排，1號機(jī)組段首先于2018年3月31日開始澆筑;2018年12月16日混凝土澆筑至高程378 m時，開始安裝預(yù)留井內(nèi)肘管，廠房一期混凝土繼續(xù)上升至高程412 m，提供上下游墻橋機(jī)軌道安裝部位;2019年1月15日混凝土澆筑至高程388 m，此后澆筑肘管二期混凝土;2019年3月31日混凝土澆筑至高程404.5 m，并開始澆筑椎管二期混凝土;2019年11月1日完成所有混凝土澆筑。

在1號機(jī)組段澆筑約2個月后（2018年5月20日），2號機(jī)組段大體積混凝土開始澆筑，3號和4號機(jī)組段大體積混凝土于同年7月22日和9月16日開始澆筑，上部施工程序與1號機(jī)組相同。

3.4 控制澆筑溫度

地面廠房由4個機(jī)組段組成，每個機(jī)組段均采用錯縫分塊澆筑，根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)規(guī)范要求以及設(shè)計成果，對主廠房各部位進(jìn)行了溫控分區(qū)，具體見圖4，各分區(qū)不同時間入倉方式及澆筑控制溫度如下。

（1）基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)部位。對12月至次年2月混凝土采取自然入倉方式澆筑（澆筑溫度可取為月平均氣溫+2 ℃，且不超過16 ℃）;其他月份采用預(yù)冷混凝土，控制澆筑溫度不超過20 ℃。

（2）基礎(chǔ)弱約束區(qū)部位。對12月至次年2月混凝土采取自然入倉方式澆筑（澆筑溫度可取為月平均氣溫+2 ℃，且不超過16 ℃）;次低溫季節(jié)（3月、11月）控制澆筑溫度不超過20 ℃;其他月份采用預(yù)冷混凝土，控制澆筑溫度不超過22 ℃。

（3）脫離基礎(chǔ)約束區(qū)。對12月至次年2月混凝土采取自然入倉方式澆筑（澆筑溫度可取為月平均氣溫+2 ℃，且不超過16 ℃）;次低溫季節(jié)（3月、11月）控制澆筑溫度不超過20 ℃;高溫季節(jié)控制澆筑溫度不超過24 ℃。

3.5 通水冷卻

通過在大體積混凝土內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管進(jìn)行通水冷卻，以降低混凝土最高溫度。冷卻水管采用PVC水管，外徑32 mm，內(nèi)徑28 mm;水管水平間距可取1.5 m，豎直間距根據(jù)層厚可取1.5～2.0 m。初期冷卻從混凝土下料澆筑開始即可通水，基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)部位在高溫（5～9月）及次高溫季節(jié)（4月、10月）通水水溫宜采用10℃～12℃制冷水，其他部位可采用河水，單根水管通水流量按25 L/min計。低溫季節(jié)通水控制在8～10 d以內(nèi)，避免降溫幅度過大，高溫季節(jié)通水一般控制在15～20 d以內(nèi)，其他季節(jié)通水冷卻10～15 d。

3.6 表面保溫

對于廠房基礎(chǔ)約束區(qū)及其他重要結(jié)構(gòu)部位混凝土澆筑完成后應(yīng)設(shè)表面保護(hù)層，保溫后表面放熱系數(shù)取3～5 W/m2。特別對于低溫季節(jié)長間歇部位應(yīng)及時施加表面保溫，保溫后等效放熱系數(shù)β≤3.0 W/m2·℃。

4 仿真計算結(jié)果分析

本次計算分別對2018年3月底開始澆筑的主廠房1號機(jī)組段及2018年7月底開始澆筑的3號機(jī)組段進(jìn)行了仿真計算，然后對比應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)及允許的抗裂安全系數(shù)，對計算結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 溫度應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

混凝土溫度應(yīng)力的控制按下式確定[7]：

[σεpEcKf] ???????????（1）

式中， [σ]為各種溫差所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力之和，MPa;[εp]為混凝土極限拉伸值;Ec 為混凝土彈性模量，MPa;Kf 為抗裂安全系數(shù)。綜合考慮結(jié)構(gòu)、材料及配筋等多方面因素，廠房部位澆筑的C25混凝土抗裂安全系數(shù)取為1.5。

根據(jù)試驗(yàn)成果，計算得到各種混凝土應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)見表4。

4.2 1號機(jī)組段仿真分析結(jié)果

1號機(jī)組段各部位混凝土最高溫度、最大拉應(yīng)力及抗裂安全系數(shù)分析結(jié)果見表5，最高溫度包絡(luò)圖及最大拉應(yīng)力包絡(luò)圖見圖5和圖6。由分析結(jié)果可知：

（1）最高溫度為37.3 ℃，出現(xiàn)在錐管段，主要原因是該處澆筑層厚度為2.5 m，相比其他位置厚度（1～2 m）更大，表面散熱能力更弱，因此相同情況下該部位最高溫度值更大。錐管段最大拉應(yīng)力為1.54 MPa，抗裂安全系數(shù)1.98，滿足要求。

（2）對于底板部位，澆筑時間集中在4～6月，澆筑層厚為1.0～1.5 m，最高溫度為35.3℃。底板最大拉應(yīng)力為2.03 MPa，發(fā)生在底板上表面，相應(yīng)抗裂安全系數(shù)1.53，大于1.5，基本滿足要求。

（3）肘管段筑層厚約1.5～2.0 m，最高溫度為35.6 ℃，最大拉應(yīng)力為1.89 MPa，相應(yīng)抗裂安全系數(shù)1.63。最大拉應(yīng)力發(fā)生在高程375 m，該處正好是肘管段澆筑的最后一層混凝土，此后受封閉塊回填及肘管段鋼襯安裝等影響，需要經(jīng)歷長間歇期，故而溫度應(yīng)力較大。在考慮了表面保溫等作用的情況下，抗裂安全系數(shù)基本滿足要求[8]。

4.3 3號機(jī)組仿真分析結(jié)果

3號機(jī)組段各部位混凝土最高溫度、最大拉應(yīng)力及抗裂安全系數(shù)分析結(jié)果見表6，最高溫度包絡(luò)圖及最大拉應(yīng)力包絡(luò)圖見圖7和圖8。由分析結(jié)果可知：

（1）最高溫度為37.4℃，也發(fā)生在錐管段，主要是由于該處澆筑層厚度為2.5 m，相比其他位置厚度（1～2 m）更大，表面散熱能力更弱，因此相同情況下該部位最高溫度值更大。錐管段最大拉應(yīng)力為1.51 MPa，抗裂安全系數(shù)2.03，滿足要求。

（2）對于底板部位，澆筑時間為8～9月溫度較高季節(jié)，由于澆筑層厚為1.0～1.5 m，最高溫度為36.3℃。底板最大拉應(yīng)力為2.09MPa，發(fā)生在底板上表面，相應(yīng)抗裂安全系數(shù)1.49，略小于要求的安全系數(shù)，需要采取更嚴(yán)格的溫控措施[9]。

（3）9肘管段筑層厚度約1.5～2.0 m，最高溫度為34.5 ℃，最大拉應(yīng)力為2.01 MPa，相應(yīng)抗裂安全系數(shù)1.54。最大拉應(yīng)力也發(fā)生在高程375 m，該處同樣是肘管段澆筑的最后一層混凝土，此后受封閉塊回填及肘管段鋼襯安裝等影響，需要經(jīng)歷長間歇期，故而溫度應(yīng)力較大。在考慮了表面保溫等作用的情況下，抗裂安全系數(shù)基本滿足要求。

4.4小 結(jié)

綜合分析廠房1號機(jī)組段和3號機(jī)組段的應(yīng)力分布結(jié)果可知：由于主廠房結(jié)構(gòu)異形，各部位受到較強(qiáng)的約束，無論是底板、肘管段、還是錐管段，最大的溫度應(yīng)力雖然小于28 d齡期抗拉強(qiáng)度，但均大于允許的拉應(yīng)力，同時抗裂安全系數(shù)僅能基本滿足要求，因此在制定溫控標(biāo)準(zhǔn)及措施時，整個區(qū)域都應(yīng)該被視為“強(qiáng)約束區(qū)”，嚴(yán)格執(zhí)行擬定的控制澆筑溫度、通水冷卻、表面保溫等溫控措施[10]。各部位應(yīng)力大小除受最高溫度、結(jié)構(gòu)尺寸形狀及約束形式等因素控制，還會受到施工期層間間歇期的影響，對于存在長間歇期的施工部位應(yīng)加強(qiáng)混凝土表面保溫養(yǎng)護(hù)工作。

5 結(jié) 語

通過采用ANSYS有限元數(shù)值分析軟件對地面廠房在擬定溫控措施下的溫度和溫度應(yīng)力場進(jìn)行三維仿真數(shù)值模擬，模擬分析結(jié)果表明：在采用推薦溫控措施后，各部位最高溫度及最大溫度應(yīng)力均能滿足抗裂安全標(biāo)準(zhǔn)，擬定的溫控措施是合理有效的。但是由于主廠房結(jié)構(gòu)異形，各部位約束較強(qiáng)，沒有明顯的小應(yīng)力區(qū)，溫控防裂難度仍然較大，在高溫季節(jié)澆筑混凝土應(yīng)嚴(yán)格控制，并采取措施做好長間歇部位的表面保溫。

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（編輯：李 慧）

3D simulation and analysis of thermal stress of ground powerhouse of Karot Hydropower Station in Pakistan

YUE Chaojun，DUAN Yin，LI Xiang，CUI Jinpeng

（ Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010， China）

Abstract： The lower concrete of ground powerhouse of Karot Hydropower Station in Pakistan is massive， and the load on the structure is complex due to foundation and slope constraints， and the thermal stress can be generated easily， which causes concrete cracks， so the comprehensive loading and safety of the powerhouse structure is affected. The systematic temperature control measures are established， such as concrete pouring temperature control and concrete cooling by cold-water. By 3D numerical simulation of temperature and thermal stress of the ground powerhouse during construction period under planned temperature controlling measures， the maximum temperature and tensile stresses of all parts are obtained， which can verify the effect of temperature control measures and guide the practical construction.

Key words： temperature control measure; 3D Simulation; ground powerhouse; Karot Hydropower Station; ?Pakistan