高拱壩施工期間溫度控制及冷卻措施研究

摘要：以構皮灘拱壩工程項目為依托，針對混凝土施工過程中由水化溫度荷載超標引起的混凝土裂縫問題，采用溫度場應力模擬法進行不良應力風險分析，建立改良溫度曲線控制模型，并就溫控曲線在局部溫控防裂中的應用方法進行調整。結合項目實采溫控信息，對溫控參數和溫控措施進行優化調整，驗證了混凝土拉應力的改良效果，有效避免了高拱壩溫度裂縫的產生。

關鍵詞：高拱壩構型;溫度應力;通水冷卻；溫控防裂

0" "引言

水電站高拱壩建筑結構中的大體積混凝土，受到體積約束和自身荷載的雙重影響，容易產生溫度裂縫，需采用骨料預冷和內敷冷卻管的方式進行人工冷卻控溫。

為深入分析大體積混凝土內部溫度應力分布，美國Dworsak高拱壩建設過程中采用DO-TDICE程序進行有限元溫度場分析，建立了基礎的溫度分析模型。我國的劉寧教授基于三維空間應力場分析技術，研發了混凝土溫度場模糊隨機有限元計算模型，改變了冷卻管的內埋方式。基于此，本文在有限元應力場分析基礎上，針對高拱壩結構特征進行溫度曲線優化，以提升溫度控制措施的精度，降低溫度荷載波動幅度。

1" "高拱壩溫度場應力邊界分析

1.1" "工程環境

構皮灘高拱壩坐落于貴州省余慶縣烏江流域，流域控制面積超過432.5萬ha，水庫調節庫容常年在28.7億m3以上，年平均高水位為630m，建成的水電站裝機容量位5×600MW，是貴州清潔能源生產標志性工程。

為深入分析建設和維護過程中大壩的溫度場和應力場變化特征，結合當地氣象年鑒資料[1]，對余慶縣內溫度和氣候數據進行統計分析。統計結果如圖1所示，其中虛線所示數據為計算平均值，當地全年平均氣溫為16.96℃，環境溫度波動幅度為±11.93℃，而其中最高溫度和日照時長兩因素可直接反映太陽輻射照度。

1.2" "混凝土特征

工程大規模使用的混凝土類型主要包括二級與三級碾壓混凝土、二級配變態混凝土和三級配常態混凝土以及一定量的混合石灰巖。為提高應力邊界分析精度，調整溫度冷卻曲線，系統檢測了模擬工況下的混凝土傳熱系數、抗壓能力和相變量等參數。設置模擬工況條件環境溫度為12℃，基本氣壓為900hPa，空氣濕度為94%[2]。混凝土檢測指標如表1所示。

1.3" "施工期溫度應力場

1.3.1" "熱傳導計算

溫度應力場分析，需要結合圖1中的外界環境數據和表1中的混凝土特性數據進行。在混凝土澆筑過程中，混凝土溫度上升是外部輻射、熱量交換和水泥水化3項主流熱流入的作用結果，單位體積內混凝土熱傳導采用有限元單基礎公式進行計算，具體如下[3]：

（1）

式中：T表示溫度，單位為℃；t表示時間，單位為h；i為導熱系數，單位為kJ/（m·℃）；" "、" "、" 表示坐標方向上的溫度梯度變化二次導數；α表示混凝土絕熱升溫，單位為℃[3]。不同混凝土的i、α參數取值詳見表1。

1.3.2" "溫度場邊界與熱傳導模型分析

溫度場邊界與熱傳導模型如圖2所示。從圖2可以看出，主要存在4類交換邊界：一是水下壩面。此時壩體溫度主要受到水庫水溫影響，研究對象的水庫水溫年平均溫度為16.30℃，低于外界環境溫度。二是空氣界面。這部分壩體主要受到太陽輻射和環境溫度的影響，環境年平均溫度16.96℃。三是地基界面。此處溫度變化系數小于0.5%，從統計學上分析可認為溫度穩定，取值為24℃。四是側向邊界，根據相關溫度模型分析可抽象為絕熱模型，不與外界進行溫度交換[4]。而太陽輻射、水流紊動和對熱換熱過程均會影響溫度分布。

1.3.3" "大壩溫度場分布

利用泛函極值法進行有限元分析，將大壩構型按照不同曲率特征分解為若干有限單元，單元中的溫度變化與熱量的流入有關，其單位方向上T的變化率采用插值法進行表示。利用ANSYS軟件內置模塊建立溫度場分析模型，以為90d時間點為例，得到模型輸出的大壩溫度場分布如圖3所示。

2" "溫控曲線的優化與應用

2.1" "溫控曲線優化

2.1.1" "冷卻方式分類及選取

冷卻通水是為了利用水流傳熱強化大體積混凝土自身傳熱。當前多數高拱壩采用三期冷卻的方式，分為初期、中期和后期冷卻。要確保冷卻水引起的范圍內的溫降梯度處于合理范圍內，以避免溫度應力變化幅度多大產生應激型裂縫。其中初期冷卻分為降溫和控溫，中期與后期冷卻分為降溫和兩次控溫[5]。

2.1.2" "對溫控的要求

溫控曲線是通過改變冷卻水的溫度和流量，改變混凝土內部的傳熱效率。在溫控過程中，標高相同的混凝土冷卻后溫度大致相同，需要在固定時間點將其降至封拱溫度。由于大壩橫縫間隙需要控制在2mm以下，因此不同的壩體冷卻后的實際溫差應該在1.5℃以下，優化后的溫控曲線需要實現對各區域混凝土溫度分布的調整，使得溫降曲線在空間上分布平滑，時間上分布波動性小、穩定性強。

2.1.3" "工況模擬

為實現此目的，本次研究在建立的ANSYS溫度場模型的基礎上[6]，根據工程建設時檢測的定點溫度數據，對不同的冷卻方法進行工況模擬，分析模型的溫度應力變化，以便分析大壩溫度分布，實現精準控溫。

溫控曲線相關參數，需根據測定的實際環境數據和混凝土特征數據進行分析計算，以使選取的控制溫度適應于目標建設項目施工。溫控曲線計算時的環境溫度采用表1中數據，施工澆筑溫度選擇標準的12℃。根據大壩澆筑過程中混凝土類型的不同，模型參數參考測定數值進行調整。

大壩建設過程中，上壩面采取涂層保溫模式。散熱系數根據材料厚度進行調整，設置為常散熱系數的45%。倉面散熱系數與風速有關，設當地全年平均風速為1.6m/s，計算所得光滑界面的散熱系數為19.99，粗糙界面的散熱系數為22.59[7]。按照24℃進行計算，得到的溫控曲線如圖4所示。

優化后的溫控曲線對冷卻水的溫度控制提出了更高的要求，因此在實際實施的過程中，必須通過溫度傳感器建立有效地信息反饋處理方案，通過及時調整水溫和水量達到精準控溫的目的。

2.2" "溫控曲線的應用

2.2.1" "綜合控制的必要性

在施工過程中，智能供水系統可現實連續冷卻水降溫，但冷卻水的溫度調節過程在時間上具有一定滯后性，因此需要建立起復合式的調節體系，根據實際混凝土監測溫度對水溫和水量進行綜合控制。采用連續流的溫控模式，可使溫度控制波動在1℃/d以內[8]。混凝土溫度低于25℃后，通水溫度根據設定好的溫控曲線進行調整。采用階段性續流冷卻法，制冷機在冷卻周期內24h同功率交替式運轉，采用自動流量控制系統即可控制冷卻流量。

2.2.2" "控制方法

首先需要設置自動給水系統的初始水溫、水量，通過自動給水系統實現基礎的冷卻。每12h根據溫度曲線設定一次預設溫度，系統初始水溫為12℃。通過設置在混凝土溫度監測點的傳感器反饋的實時數據，進行溫度偏差分析，將實際溫度與模型計算溫度進行對比，判斷工況運行是夠符合預期。當實際溫度偏差大于0.25℃時，同向調整通水溫度和流量，偏差較小采用流量控制，偏差較大則要調整制冷設備運行功率。當同位置出現兩次以上的偏差反饋時，需要人工進行干涉處理。

2.2.3" "連續冷卻法的優勢

與傳統的溫控模式相比，連續冷卻法更依賴模型的數據分析處理以及深度學習的能力。但在實際應用過程中，隨著工程數據量的增加，計算參數可進行精確化調整，混凝土冷卻至封拱溫度后，冷卻水溫度和水量控制難度會逐步降低，冷卻系統的運行穩定性得到增強，冷卻效果較好。

3" "裂縫預防效果

優化后的溫度曲線采用溫度遞減的連續流冷卻法，連續流冷卻法改變了混凝土溫度變化速率?T/?t，采用ANSYS軟件對其進行模擬分析，在180d達到封拱溫度的條件下，壩體應力變化幅度為±0.5MPa，整體應力變化均勻，全階段處于混凝土應力安全曲線變化范圍內。

由于連續流降溫曲線平滑，單位時間內溫度變化速率導數極值小，因此在相同的冷卻時間內，不同有限分析元中的混凝土溫度差異小，反映出壩體整體溫度分布更為均勻。系統預測的裂縫開度在0.8～1.1mm之間，滿足開度需求且遠小于2mm。該工況條件下130d后，應力值波動增加，季節性氣溫變化，容易導致溫度分布不均勻和水溫控制偏離溫度曲線，對此在實際施工過程中需提前預防。

4" "結束語

本文以構皮灘大壩為對象，分類測定施工選用的混凝土的特征數據，根據統計年鑒建立針對工程實況的氣象信息數據庫，在傳統ANSYS軟件有限元模型基礎上，建立針對專一項目的大壩溫度場與應力場分析模型，確定了熱傳導邊界條件。在建立有限元模型基礎上，針對通水冷卻方法進行優化，結合氣相數據與混凝土特征數據，建立了連續流溫度冷卻曲線。優化后的冷卻曲線則需采用自動控溫給水系統實現。施工過程中，采用自動給水控制系統、溫度傳感技術和模擬模型，可實現連續混凝土溫度控制。模型預測表明，此方法可有效控制裂縫開度。

參考文獻

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