黃魚滘水閘施工期溫度場(chǎng)及多參數(shù)下水管冷卻效果研究

唐 芳

(嶺南水務(wù)集團(tuán)有限公司,北京 100071)

截至目前,全國(guó)共有水閘10×104余座,泵站50×104余座。隨著水利投資的不斷加大,掀起了水利工程的建設(shè)高潮,但混凝土裂縫問題一直是困擾工程界與學(xué)術(shù)界的難題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬法成為水工混凝土防裂研究的重要手段[1-2]。近年來,國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者分別圍繞施工期混凝土溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的仿真算法、混凝土熱力學(xué)參數(shù)的精確獲取以及閘墩、倒虹吸等倒T形結(jié)構(gòu)的溫控防裂等方面展開了相關(guān)研究工作。為了解決貫穿性裂縫問題,水管冷卻成為最有效的溫控防裂措施之一[3-4]。水管冷卻受到多種因素的影響,需要結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況進(jìn)行精確量化分析,以保證實(shí)現(xiàn)最佳的溫控防裂效果[5-6]。

因此,本文通過多參數(shù)組合條件下的精確分析,以江門市潭江河流治理工程為主要對(duì)象,探究水管冷卻對(duì)水閘等混凝土結(jié)構(gòu)的溫控防裂效果,并提出相應(yīng)的解決方案。

1 水閘模型及水管冷卻效果計(jì)算策略研究

1.1 水閘有限元模型建立

江門市潭江河流治理工程(新會(huì)段)由銀洲湖海堤沿岸未閉口的16條支流整治工程組成,工程位于廣東省江門市新會(huì)區(qū),地處中國(guó)大陸珠江三角洲西南部,位于廣東省南部,西江、潭江的會(huì)合處。

項(xiàng)目所在的新會(huì)區(qū)潭江下游主干堤上有16條支流處于未閉口狀態(tài),為了達(dá)到擋潮的目的,其中的5條支流加固堤防,其余的11條支流修建閉口水閘。其中,黃魚滘水閘為治理工程中的一個(gè)閉口水閘,位于新會(huì)區(qū)大澤鎮(zhèn)沙沖河末端。研究首先對(duì)黃魚滘水閘施工期間的溫度場(chǎng)進(jìn)行探究。

水閘等混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫往往是由于溫度應(yīng)力引起的。因此,研究水閘結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布和影響因素,有助于制定有效的溫控防裂措施。影響水閘溫度分布的因素可歸納為內(nèi)部和外部?jī)蓚€(gè)方面。

水閘的溫度分布會(huì)受到氣溫、日照、地基溫度等外界因素的影響,其中溫度的因素最為重要。新會(huì)區(qū)夏季氣溫較高,冬季則出現(xiàn)最低氣溫。混凝土結(jié)構(gòu)暴露在空氣中時(shí),其與空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)一般在60kJ(m2·h·℃)左右,受氣溫的影響而表現(xiàn)出差距明顯的溫度梯度,為降低其影響需要降低對(duì)流換熱系數(shù)。

混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較小,導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度變化具有一定的滯后性,并且混凝土分層施工也會(huì)使混凝土溫度隨之分化。在澆筑完成后,混凝土結(jié)構(gòu)處于熱交換過程,在此過程中其本身會(huì)散發(fā)較多熱量,且表面溫度持續(xù)受到環(huán)境的影響,結(jié)構(gòu)內(nèi)外會(huì)通過熱輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)交換熱量。該過程會(huì)引起工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度不均的情況,由此產(chǎn)生變形,對(duì)結(jié)構(gòu)形成限制,形成附加應(yīng)力。

混凝土結(jié)構(gòu)在溫度影響下會(huì)引起變形和應(yīng)力。當(dāng)其未受約束或是靜定結(jié)構(gòu),且內(nèi)部溫度的分布趨勢(shì)呈線性時(shí),不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力,否則就會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的溫度應(yīng)力。在水閘中,約束分為自身和外部?jī)煞N,同時(shí)溫度應(yīng)力也可分為自身和約束兩種。水閘底板的上表面和四周側(cè)面等部位在外界環(huán)境中的自然溫度變化速度較快,因此表面溫度較低,而內(nèi)部相反。線性分布以外的溫度會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成限制,進(jìn)而產(chǎn)生自身應(yīng)力。同時(shí),水閘靠下的部位由于受到自然環(huán)境的限制,其變形也會(huì)由此產(chǎn)生約束應(yīng)力。上述情況的發(fā)生可能會(huì)影響整個(gè)水閘結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元建模,以結(jié)構(gòu)材料及施工標(biāo)準(zhǔn)等為依據(jù),對(duì)水閘的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬并分析。水閘底部與地基相互作用,上表面處于外界自然環(huán)境中,閘底板因熱交換系數(shù)的差異在相同方向上的溫度隨位置的變化而變化。為避免該情況,需要明確底板在同一方向上的具體溫度情況,本文在底板豎直方向上選取A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究。3個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置分別位于底板內(nèi)部中心,與地基接觸面上以及底板上表面,這些節(jié)點(diǎn)在施工后期會(huì)被覆蓋,溫度變化特殊。在混凝土構(gòu)件中,由于傳導(dǎo)作用的影響,熱量沿著混凝土構(gòu)件逐漸傳導(dǎo),導(dǎo)致同一水平斷面內(nèi)的溫度出現(xiàn)差異。因此,在第19天拆模之后,選取節(jié)點(diǎn)D和節(jié)點(diǎn)E,分析同一水平斷面內(nèi)的溫度變化,結(jié)果發(fā)現(xiàn)差異較大。水閘選取截面及特征點(diǎn)位置示意見圖1。

圖1 選取截面及特征點(diǎn)位置示意圖

1.2 水管冷卻效果計(jì)算策略研究

隨著水管冷卻技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)其效率和經(jīng)濟(jì)性的要求也變高。在平面冷卻問題中,一般情況下,為了簡(jiǎn)化計(jì)算流程,計(jì)算過程中將水溫視作常數(shù),即不考慮水溫的變化。但在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中,冷卻水在流動(dòng)過程中會(huì)與固體表面及相鄰流體產(chǎn)生熱交換,根據(jù)熱交換的對(duì)象不同存在兩種情況。隨著時(shí)間的推移,冷卻水的溫度會(huì)逐漸升高,降低了混凝土的冷卻速率。在一定長(zhǎng)度的水管中,出口的水溫會(huì)更高。因此,在水管長(zhǎng)度處于一定限度內(nèi)時(shí),對(duì)水在其中的冷卻效果及作用進(jìn)行計(jì)算,此時(shí)需要將溫度在一定方向上的變化影響納入考慮中。按照該條件進(jìn)行計(jì)算后,水閘的三維溫度場(chǎng)熱傳導(dǎo)方程如下:

(1)

式中:τ為時(shí)間;T為節(jié)點(diǎn)溫度;x、y、z分別為不同的方向。

方程的一般邊界條件如下:

(2)

式中:Ta為外界氣溫。

水管邊界條件如下:

(3)

式中:Tw為水體溫度;β為表面放熱系數(shù);βw為混凝土與冷卻水之間的對(duì)流換熱系數(shù);λ為熱傳導(dǎo)系數(shù);θ為絕熱溫升。

利用有限元法來離散空間域,然后設(shè)定差分法離散時(shí)間域,最終得到線性方程如下:

(4)

式中:s為差分計(jì)算設(shè)定數(shù)值;[H]與[R]均為離散運(yùn)算矩陣;{Fn}與[Fn+1]均為冷卻水管向量。

此時(shí),由于混凝土中不同位置上的溫度有一定的差異,但可通過計(jì)算得到水管入口位置的具體溫度,并對(duì)其進(jìn)行求解。水管截面見圖2。

圖2 水管截面

首先,假定沿途各截面冷卻水溫度等于入口處溫度,計(jì)算出第一次近似解。然后,利用該近似解作為各截面上冷卻水的溫度,計(jì)算出第二次近似解。反復(fù)計(jì)算,直到差值滿足指定條件,即算法收斂。在進(jìn)行水管冷卻應(yīng)力場(chǎng)有限元計(jì)算時(shí),需要對(duì)冷卻水管周邊進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。這種方法能夠較為準(zhǔn)確地模擬溫度場(chǎng)分布和冷卻水的冷卻效果,為工程設(shè)計(jì)提供有力支持。迭代滿足條件如下:

(5)

式中:k為迭代次數(shù);ξ為指定小數(shù),一般情況下取值0.01。

水管在冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生較為劇烈的混凝土溫度變化,在此變化下產(chǎn)生影響較為顯著的拉應(yīng)力。但通常情況下,水管的大小有一定的取值范圍。為了計(jì)算精確,水管附近的混凝土結(jié)構(gòu)單元需要進(jìn)行加密處理。在操作過程中,為了節(jié)約計(jì)算和人工成本,單元大小規(guī)模的起點(diǎn)選定為水管附近的某一節(jié)點(diǎn),并逐漸向外放大,加密方式見圖3。

圖3 加密方式

在水管冷卻仿真計(jì)算中,首先需要建立含冷卻水管的水閘有限元模型,對(duì)網(wǎng)格加密是提高計(jì)算精度的必要步驟。然后,使用生死單元去除水閘單元,并激活建造的混凝土塊單元。通過設(shè)定混凝土初始溫度和邊界條件,計(jì)算體積荷載熱生成率,并將其加到建造塊。設(shè)定冷卻水參數(shù),建立對(duì)流換熱關(guān)系,然后計(jì)算溫度場(chǎng)。最后,施加約束和重力荷載,讀取水閘溫度計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)。所有這些步驟組合起來可以建立可行的水管冷卻仿真計(jì)算模型,并預(yù)測(cè)相關(guān)變量。

2 水閘與冷卻水管參數(shù)分析

2.1 水閘溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)分析

底板的溫度分布受多種因素影響,包括周圍環(huán)境、接觸面積等,而混凝土構(gòu)件的熱傳導(dǎo)性質(zhì)也是影響因素之一。針對(duì)這些因素,可以采取適合的措施,如增加絕緣層、改善周圍環(huán)境等,來提高混凝土結(jié)構(gòu)的保溫性能,優(yōu)化溫度分布情況。溫度曲線見圖4。

圖4 溫度曲線

根據(jù)圖4的數(shù)據(jù)顯示,在閘底板的建造過程中,最高溫度出現(xiàn)在中墩節(jié)點(diǎn)A處,達(dá)到45℃。而節(jié)點(diǎn)B處的最高溫度僅為32.5℃,節(jié)點(diǎn)C處的溫度最大值處于33℃附近。通過原理分析可知,節(jié)點(diǎn)C的位置處于與外界環(huán)境接觸的上表面,因此其溫度相較于其他節(jié)點(diǎn)下降的速度要快。此外,閘底板中墩位置的溫度達(dá)到頂峰,此時(shí)的時(shí)間為第6天,結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差幾乎接近30℃,且節(jié)點(diǎn)A與另外兩節(jié)點(diǎn)間的溫度差距高達(dá)13℃以上。

基于以上數(shù)據(jù),通過繪制閘底板特征點(diǎn)溫度曲線可以看出,隨著時(shí)間的推移,中墩節(jié)點(diǎn)A處的溫度呈上升趨勢(shì),達(dá)到最高峰后開始下降。節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C處的溫度則相對(duì)較低,且呈現(xiàn)波動(dòng)的趨勢(shì)。需要注意的是,節(jié)點(diǎn)C處的溫度在第4天后開始下降。此外,在第6天時(shí),中墩節(jié)點(diǎn)A處的溫度達(dá)到最高值,此時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)外的溫度差距同樣接近30℃,節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C之間的溫差達(dá)13℃以上。因此,閘底板的溫度曲線呈現(xiàn)出較為明顯的波動(dòng)趨勢(shì)和明顯的溫差差異。應(yīng)力曲線見圖5。

圖5中,閘底板在覆蓋前受到內(nèi)部溫度升高的影響,產(chǎn)生“內(nèi)壓外拉”的應(yīng)力現(xiàn)象,導(dǎo)致表面節(jié)點(diǎn)F受到拉應(yīng)力,節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B則受到壓應(yīng)力。覆蓋完成后,閘底板內(nèi)部溫度仍較高,由于受熱膨脹較大,拉應(yīng)力逐漸增加,節(jié)點(diǎn)F在第3天產(chǎn)生的拉應(yīng)力超出當(dāng)時(shí)允許的極限,導(dǎo)致表面出現(xiàn)裂紋。混凝土砌體施工達(dá)到第6天后,節(jié)點(diǎn)A的拉應(yīng)力逐漸升高,在第35天內(nèi)部應(yīng)力超過混凝土允許的最大拉應(yīng)力,表明該處發(fā)生了裂縫。閘墩也出現(xiàn)了相似問題,施工第23天后,節(jié)點(diǎn)D產(chǎn)生拉應(yīng)力,節(jié)點(diǎn)E受到拉應(yīng)力的影響逐漸增大,而結(jié)點(diǎn)G處的最大拉應(yīng)力達(dá)到2.3MPa,不在該結(jié)構(gòu)的允許標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。對(duì)于建筑物的設(shè)計(jì)和施工,進(jìn)行有效的拉應(yīng)力分析至關(guān)重要,必須合理預(yù)測(cè)和控制各種應(yīng)力的變化,以保證建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性。

2.2 冷卻水多參數(shù)模擬分析

不同管徑的冷卻水管在實(shí)現(xiàn)紊流狀態(tài)下,所需的臨界流速和臨界流量不同。臨界流速和臨界流量分別表示在給定管徑下,冷卻水管實(shí)現(xiàn)紊流的最小速度和最小流量。隨著管徑的不同,臨界流速和臨界流量也會(huì)有所不同。通過研究不同管徑下冷卻水管紊流狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)條件,可以為設(shè)計(jì)和改進(jìn)冷卻系統(tǒng)提供理論依據(jù),并優(yōu)化冷卻效果。在同一混凝土結(jié)構(gòu)通水冷卻時(shí),紊流狀態(tài)能夠更好地冷卻混凝土結(jié)構(gòu),相比于層流狀態(tài),紊流狀態(tài)冷卻所需的時(shí)間較短,從而提高冷卻效率。因此,選擇合適的管徑,控制水流速度和流量,有利于實(shí)現(xiàn)紊流狀態(tài)下的高效冷卻,并提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。不同管徑的臨界流速和臨界流量變化見表1。

從表1可以看出,隨著管道編號(hào)的遞增(即管徑變大),臨界流速呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。表明較大的管道能夠承載更大的流量,在同等速度下,輸送更多的流體。另外,臨界流量和臨界流速的變化幅度隨著管道編號(hào)的增大而逐漸減小,表明在一定范圍內(nèi),管道能夠承載的流量和速度變化相對(duì)較小。具體來說,從管道1到管道2,臨界流量增加約0.032cm3/s,臨界流速減少約12.7cm/s;從管道2到管道3,臨界流量增加約0.023cm3/s,臨界流速減少約4.2cm/s;從管道3到管道4,臨界流量增加約0.033cm3/s,臨界流速減少約1.8cm/s。可以看到,從管道1到管道2,臨界流速的變化幅度最大;從管道3到管道4,臨界流速的變化幅度最小。而且,所有管道的最優(yōu)值均在臨界流量和臨界流速中取得(即最大值和最小值),這是因?yàn)楫?dāng)流量和流速達(dá)到一定程度時(shí),管道容易出現(xiàn)堵塞、破裂等安全問題。因此,在設(shè)計(jì)和使用管道時(shí),需要根據(jù)實(shí)際需求和條件選擇最適合的管徑,以保證安全和有效的工作。多參數(shù)變化下冷卻效果變化見圖6。

圖6 多參數(shù)變化下冷卻效果變化

圖6進(jìn)一步闡述了多參數(shù)變化下的冷卻效果變化。當(dāng)冷卻水的流量分別設(shè)置為10、15和20 L/min時(shí),在相同時(shí)間內(nèi)測(cè)量混凝土的平均溫度。結(jié)果顯示,當(dāng)流量為20L/min時(shí),混凝土的平均溫度最低,僅為15℃;當(dāng)流量為10L/min時(shí),混凝土的平均溫度最高,達(dá)32℃,表明流量對(duì)于冷卻效果的影響。將冷卻時(shí)間設(shè)置為20、30和40 min,通過觀察冷卻水出口處的溫度和混凝土平均溫度的變化,分析多參數(shù)變化下的冷卻效果變化。結(jié)果表明,隨著冷卻時(shí)間的增加,冷卻水出口處的溫度逐漸降低,而混凝土的平均溫度也隨之降低。當(dāng)冷卻時(shí)間為40min時(shí),混凝土平均溫度最低,僅為18℃左右,表明冷卻時(shí)間對(duì)于冷卻效果的影響。此外,將入口溫度設(shè)置為0℃、5℃和10℃,以觀察其對(duì)冷卻效果的影響。結(jié)果表明,入口溫度越低,混凝土平均溫度也越低,在相同的時(shí)間內(nèi),差異可達(dá)6℃以上,進(jìn)一步驗(yàn)證了入口溫度對(duì)于冷卻效果的影響。

綜上所述,多參數(shù)變化下,冷卻效果會(huì)隨之變化。因此,冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該綜合考慮多個(gè)參數(shù)的變化,以達(dá)到最佳的冷卻效果。

3 結(jié) 論

本研究通過建立水閘有限元模型和水管冷卻模型,采用仿真分析策略進(jìn)行了參數(shù)分析,結(jié)論如下:

水閘底板溫度場(chǎng)分布不均,且節(jié)點(diǎn)A溫度最高,達(dá)到45℃,這對(duì)建筑設(shè)計(jì)和施工非常重要。流量和流速與管道直徑、安全和有效工作相關(guān),需要根據(jù)實(shí)際需求選擇最適合的管徑。同時(shí),當(dāng)流量為20 L/min時(shí),混凝土的平均溫度最低,隨著冷卻時(shí)間的增加,混凝土平均溫度逐漸降低,入口溫度越低,混凝土平均溫度也越低。分析結(jié)果對(duì)于水利工程、建筑設(shè)計(jì)和施工等方面具有重要借鑒意義。