厚層澆筑條件下大型泵站流道結構施工應力研究

毛孟國，王成華，楊 揚

（山東黃河東平湖工程局，山東 東平 271000）

1 引言

在大體積混凝土結構的施工過程中，如何防止混凝土溫度裂縫一直是工程建設的重點[1～2]。隨著我國基礎設施建設的快速發展，在保證施工質量和安全的前提下，最大限度地降低施工難度，縮短施工周期，是新時期工程建設面臨的新挑戰[3～4]。

楊橋培分析了常規澆筑、短間隔澆筑和厚層短間隔澆筑的溫度場和應力場的變化。結果表明，在采取合理溫控措施的前提下，適當增加澆筑層厚度，可滿足工程防裂要求，有利于縮短工期，提前取得效益[5]。強晟認為，在控制澆筑溫度、冷卻水管、表面保溫等溫控措施的情況下，混凝土的應力能夠滿足要求，但厚層澆筑對混凝土的應力不利[6]。王海波的研究表明，隨著混凝土壩厚度的增加，早期壩體溫度梯度增大，早期拉應力增大。這是由厚層引起的問題，必須通過適當的表面絕緣措施加以解決[7]。

目前，學術界和工程界對閘墩和混凝土壩的厚層澆筑對混凝土結構受力的影響進行了一系列研究，但對大型泵站流道結構的厚層澆筑還沒有嘗試。因此本文從這一方面展開研究分析。

2 仿真計算模型及參數

華子水電站位于黃河中下游，是一座以灌溉與發電為主，兼有防洪、防凌和工業用水等效益的綜合性水利樞紐。泵站裝有4 臺1.75ZLQc-6 型立式機械全調節軸流泵，泵站設計揚程6.8 m，單機流10.2 m3/s，總裝機容量4000 kW，泵站抽水能力41.3 m3/s，該工程規模屬大（2）型，水庫大壩采用混合壩，碾壓混凝土重力壩擋水壩位于主河床和左岸階地、右岸階地，壩頂高程910 m，最大壩高48 m，壩頂寬度8 m。黏土心墻壩與碾壓混凝土重力壩采用較為經濟的插入式連接方法。根據華子泵站圖紙，選取兩個連接孔建立了有限元模型。泵站主體混凝土結構長48 m，寬23 m，高13 m，流道結構高6 m。泵站有限元模型見圖1。網格總數為76024 個，節點總數為88096 個。泵站坐標原點位于進水流道頂部上表面，根據右手螺旋法則，Z 軸垂直，X軸指向當前方向，Y 軸指向左岸。

圖1 華子泵站有限元模型

結構底部的基礎材料主要為粉質粘土，C30 混凝土用于樁基結構，C25 混凝土用于墊層結構。泵站主體結構混凝土強度等級為C30，混凝土抗拉強度為3.0 MPa。在流道結構下層混凝土中摻入抗拉纖維，可使其抗拉強度提高20%。流道結構的極限抗拉強度達到3.6 MPa。各種材料的熱力學參數見表1。

表1 材料的熱學和力學參數

為了便于計算，將多年月平均氣溫擬合成余弦曲線：

式中：τ 為時間，月。

在溫度場的模擬計算中，地基的底面為絕熱邊界，上表面為散熱邊界。結構的對稱面是絕熱邊界，施工臨時縫面，結構永久縫面未覆蓋時為散熱邊界，覆蓋后為絕熱邊界，其他表面為散熱邊界。

在應力場的模擬計算中，正常約束施加在基礎的周圍和底面上，而上表面是自由邊界。對結構的對稱面施加法向約束，結構永久接縫面為自由邊界，其他曲面是自由邊界。

3 計算條件及結果分析

3.1 渠道結構分層澆筑條件

本條件系列包括泵站流道結構分層澆筑兩種情況。流道結構分為兩層，下部結構高3 m，上部結構高3 m，兩層間隔20 天。在案例1 中，上下層均未采取冷卻管措施。案例2 上層未采取冷卻管措施，下層進行水管冷卻。泵站主體結構澆筑時間見表2。

表2 泵站分層澆筑進度計劃

采用有限元法對泵站主體結構的施工期進行了模擬，在不同的澆筑方案下，可以得到泵站的最大拉應力和最高溫度。本文選取進口流道中心段進行說明。

圖2 案例1 溫度分布圖和應力分布圖

圖3 案例2 溫度分布圖和應力分布圖

由圖2、圖3 可以看出分層澆筑時，下層混凝土使用冷卻管降溫，可將下層大部分混凝土最高溫度由65℃及以上溫度控制在60℃以下，此時下層混凝土最大應力由4.39 MPa 以上降低至3.58 MPa，減少了0.81 MPa。說明控制混凝土溫度變化可以有效控制混凝土內部應力變化，通過分層、降溫澆筑可以有效降低內部應力最大值，從而防止混凝土內部因溫度過高而發生開裂。

3.2 流道結構整體澆筑條件

本條件系列包括泵站流道結構整體澆筑兩種情況。在案例3 中，沒有采取冷卻管措施。在案例4 中，上層沒有采取冷卻管措施，但下層進行與案例2 相同的水管冷卻。泵站主體結構澆筑時間見表3。

表3 泵站整體澆筑進度計劃

圖4 案例3 溫度分布圖和應力分布圖

圖5 案例4 溫度分布圖和應力分布圖

同混凝土分層澆筑相比，整體澆筑混凝土內部溫度普遍較高，大部分處于65℃，當下部混凝土進行冷卻時可以有效降低混凝土內部溫度，從而使混凝土內部應力減小，由圖4、圖5 可以看出，當使用冷卻管冷卻澆筑時，混凝土內部最大應力明顯減小，由4.51 MPa 降低至3.10 MPa，減少了1.41 MPa，效果比分層澆筑更加明顯。

3.3 特征點溫度及應力分析

選擇進口流道下中段上的特征點1（X=8.2，Y=5.5，Z=-5.5） 和進口流道上中段上的特征點2（X=9.2，Y=5.5，Z=-3.01）。特征點的溫度分布圖和應力分布圖見圖6、圖7。為比較溫度的變化，圖中混凝土的齡期為自身齡期，不考慮澆筑時間。

圖6 特征點1 應力歷時曲線

表4 下部混凝土最大拉應力 單位：MPa

從應力歷時曲線可以看出，水管冷卻混凝土的早期應力迅速增大。在相同溫控措施下，整體混凝土的最大拉應力小于分層混凝土的最大拉應力。在無水管冷卻條件下，下層混凝土的拉應力超過允許拉應力。整體混凝土的最大拉應力大于分層混凝土。分層澆筑時，采取水管冷卻措施后，下層混凝土最大拉應力降低0.81 MPa。整體澆筑時，采取水管冷卻措施后，下層混凝土最大拉應力降低1.41 MPa。在溫控措施相同的情況下，采用整體澆筑法，可縮短工期20 d。

4 結論

綜上分析得出主要結果如下：

（1）溫度控制措施可能導致混凝土早期內應力迅速增大，但有利于降低最大拉應力。

（2）與分層澆筑相比，如果不采用水冷方式，整體澆筑孔道會產生較高的拉應力，但應力增加幅度較小。

（3）如果采取相同的溫控措施，渠道下部混凝土一層6 m時最大拉應力降低1.41 MPa，兩層3 m時最大拉應力降低0.81 MPa。由此可見，溫控措施對厚層澆筑有較強的影響，可以降低殘余應力，降低工期的時間成本。