大型泄洪洞抗沖耐磨混凝土通水冷卻溫控研究

雷 文

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

大型泄洪洞抗沖耐磨混凝土通水冷卻溫控研究

雷 文

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

針對大型泄洪洞抗沖耐磨混凝土溫控要求高、裂縫控制難等問題，采用有限元分析方法研究了大崗山水電站泄洪洞邊墻C9050襯砌混凝土在不同通水溫度、不同通水流量條件下的溫度場和溫度應力變化規律。研究結果表明：襯砌混凝土的最高溫度和最大拉應力均呈“先增大、后減小”的變化趨勢，且峰值溫度出現在澆筑后的4～5 d；通水冷卻效果與通水溫度呈負相關，而與通水流量呈正相關；在混凝土澆筑早期，適當增大通水流量或降低通水溫度，均可降低混凝土的最高溫度和最大拉應力，達到溫度控制的目的。根據仿真計算結果，施工中采取了“早通水、大流量、短歷時”冷卻的溫控防裂措施，在澆筑過程中至澆完1～2 d，通12 ℃左右的冷卻水，流量約為3.5 m3/h，3～7 d通17 ℃左右的河水，流量約為1.8 m3/h，7 d以后依靠表面流水養護達到降溫效果。現場溫度監測數據顯示：泄洪洞邊墻典型樁號的實測溫度變化過程線的線型和變化趨勢均與數值模擬結果一致，且邊墻襯砌混凝土的整體溫控檢測合格率達90%以上，表明這種“早通水、大流量、短歷時”的冷卻措施溫控效果良好。

泄洪洞；抗沖耐磨混凝土；通水冷卻；溫控模擬；防裂措施；大崗山水電站

1 概 述

我國大型水電工程集中分布在西部高山峽谷地區，受地形等條件限制，存在大量尺寸大、單洞泄流量大、流速高的泄洪洞。其在施工過程中普遍采用抗沖耐磨混凝土，面臨溫控要求高、裂縫控制難等問題，容易產生溫度裂縫，加之高速水流的長期沖刷，空蝕破壞時有發生，嚴重威脅到泄洪洞的安全和穩定運行，而且會大大增加后期泄洪洞的修補費用。

近年來，諸多學者圍繞泄洪洞襯砌混凝土的溫度場、溫度應力以及相關課題進行了較為深入的研究，比如以三峽永久船閘輸水洞工程為依托，方朝陽根據實測溫度和應力資料，采用有限元方法對施工期邊墻和頂拱的溫度、應力進行了仿真分析；段亞輝開展了澆筑溫控混凝土和常規混凝土的溫度現場試驗研究，分析了襯砌混凝土溫度場的分布和隨時間的變化規律；王雍模擬了多種溫控措施下的防裂效果；段云嶺采用自己編寫的SPS_FET2D程序對小浪底泄洪洞工程進行了施工過程的仿真分析，探討了裂縫產生的原因和機理。以溪洛渡水電站導流洞工程為依托，吳家冠研究了邊墻襯砌混凝土通水時間長短對水管冷卻效果的影響；郭杰研究了不同厚度襯砌混凝土的通水冷卻效果；陳勤研究了洞室和圍巖溫度對泄洪洞襯砌混凝土的溫度和溫度應力的影響；馮金根研究了混凝土最終絕熱溫升值和絕熱溫升速率對襯砌混凝土溫度和溫度應力場的影響；趙路以三板溪水電站泄洪洞工程為依托，研究了邊墻襯砌混凝土的溫度場和溫度應力分布及變化規律，探討了裂縫的發生與發展過程。

綜上所述，諸多學者在泄洪洞施工期溫度場及溫度應力分析方面已經做過許多研究并取得了一定進展。由于以往的研究大多集中在探討裂縫產生的原因、分析影響襯砌混凝土冷卻效果的因素或者模擬某項溫控措施的防裂效果等方面，而真正將溫控仿真計算成果用于指導工程實際施工的例子相對較少。筆者以大崗山水電站泄洪洞工程為依托，針對邊墻二級配C9050硅粉混凝土，采用三維有限元分析方法，模擬了襯砌混凝土在不同通水溫度、不同通水流量條件下的溫度場和溫度應力變化規律，并根據溫控仿真計算結果，提出了“早通水、大流量、短歷時”冷卻的溫控防裂措施并將其用于指導工程實際施工，取得了良好的工程應用效果，確保了泄洪洞襯砌混凝土的澆筑施工質量。

2 計算參數

2.1 C9050混凝土的熱力學參數

大崗山水電站泄洪洞邊墻襯砌采用C9050抗沖耐磨混凝土，其中粉煤灰摻量為20%、硅粉摻量為5%。根據現場施工資料、配合比優化設計、混凝土性能試驗成果并參考類似工程經驗，選取混凝土的熱力學參數如表1、表2所示。文中暫不考慮混凝土的徐變。

表1 C9050硅粉混凝土熱力學參數表

表2 C9050硅粉混凝土強度及彈性模量表

2.2 圍巖的熱力學參數

大崗山水電站泄洪洞邊墻巖體為Ⅰ類圍巖，巖體完整性和穩定性較好，彈性模量E選定為40 GPa，μ=0.2，其余各項熱力學參數的取值見表3。

2.3 氣溫、地溫參數

表3 泄洪洞圍巖熱力學參數表

采用余弦函數曲線模擬泄洪洞洞室氣溫的年周期性變化，其表達式為：

式中Ta為環境氣溫；A為多年平均氣溫；B為氣溫年變幅；C為最高氣溫時間。根據洞內實測氣溫資料并參考類似工程經驗，取A=20，B=10。

地溫的分布較為均勻、穩定。一般而言，地表附近的地溫接近于月平均氣溫，地表以下深10 m的地溫接近于年平均氣溫。文中所述圍巖、泄洪洞表面的溫度取年平均氣溫20 ℃。

3 邊墻襯砌混凝土有限元分析

3.1 計算模型與網格劃分

大崗山水電站泄洪洞凈斷面尺寸為(14～16 m)×(18～20 m)(寬×高)，結合洞身段混凝土施工，主要對邊墻部位60 cm厚的C9050大體積混凝土溫度場和溫度應力進行三維有限元仿真分析。計算模型圍巖范圍約取泄洪洞直徑的3倍，整體坐標系的坐標原點設在泄洪洞的底部，從上游面向下游面方向為y軸正向，垂直泄洪洞軸線的水平方向為x軸正向，鉛直向上為z軸正向，計算模型如圖1所示。

在網格剖分時，對于圍巖與襯砌混凝土采用六面體單元，局部采用五面體或四面體單元進行過渡。無厚度接觸單元可以傳遞熱量、壓應力與剪應力，但不能承受拉應力，能夠比較真實的模擬混凝土層面的溫度和應力狀況。

圖1 計算模型網格劃分圖

3.2 邊界條件

非穩定溫度場計算中邊界條件的選取：圍巖底面、頂面和4個側面為絕熱邊界；泄洪洞施工倉面為固-氣邊界，按第三類邊界條件處理。

應力場計算中邊界條件的選取：圍巖底面和頂面按固定支座處理；圍巖4個側面法線方向按簡支處理；混凝土表面按自由邊界處理。

3.3 計算工況

泄洪洞邊墻C9050抗沖耐磨混凝土澆筑采用預埋HDPE塑料冷卻水管降溫，水管外徑為32 mm，壁厚為2 mm，內徑為28 mm，長度在300 m以內，導熱系數為1.67 kJ/(mh℃)，采用蛇形均勻鋪設，垂直布置間距1 m，在澆筑時埋入混凝土內部，其在邊墻中的布置形式如圖2所示。一般通水時間不少于15 d并應連續進行，通水流量為1.5～1.8 m3/h，冷卻水管通水溫度為12 ℃～18 ℃。

本次數值模擬研究了不通冷卻水、通18 ℃、15 ℃、12 ℃冷卻水條件下通水流量分別為1.5 m3/h和1.8 m3/h等七種計算工況。由于實際工程中較為關注澆筑初期混凝土內部的溫度場和應力場的變化情況，因此，本次有限元模擬的時長均選為30 d。

3.4 控制點的選取

在大崗山水電站泄洪洞襯砌混凝土的溫控仿真計算結果分析中，主要選取了邊墻襯砌混凝土上的代表點進行對比分析。其中，分別取邊墻高4.5 m、9 m、13.5 m處的代表點分析邊墻的應力情況，并在每個高程處分別取襯砌表面、中間和圍巖側三個代表點，共計27個代表點。所選取各個代表點在邊墻襯砌中的位置如圖2所示。

3.5 計算結果與分析

圖2 邊墻所取代表點示意圖

有限元計算結果顯示，在邊墻抗沖耐磨混凝土襯砌施工過程中，隨著齡期的增長，混凝土內部溫度和溫度應力均呈現先上升后下降的趨勢。統計各計算工況下邊墻27個代表點處混凝土內部的最高溫度、最大溫差以及最大拉應力等特征參數，其結果見表4。

3.5.1 通水溫度影響效果分析

不同通水溫度條件下，混凝土內部最高溫度及最大拉應力變化曲線如圖3所示。

表4 各工況下溫度仿真計算結果表

從圖3(a)中可以看出，邊墻襯砌混凝土澆筑過程中，混凝土內部的最高溫度大致經歷了水化熱溫升和溫降兩個階段。澆筑初期，由于C9050硅粉混凝土產生大量的水化熱，導致混凝土內部溫度急劇上升，并在澆筑后4～5 d達到最大值；隨后，由于通水冷卻等溫控措施發揮作用，混凝土內部溫度開始下降。

澆筑混凝土內部最大拉應力的變化同樣也經歷了應力增長和應力減小兩個階段，如圖3(b)所示。不過，相比于最高溫度而言，峰值拉應力出現的時間相對晚一些，其原因可能與混凝土襯砌的施工過程有關?；炷翝仓缙?，在模板的約束作用及混凝土自身的重力作用下，混凝土內部往往產生壓應力?；炷脸跄?，模板被拆掉，混凝土在水化熱及晝夜溫差的作用下，繼而產生拉應力。

對比工況2、工況5和工況7發現，在相同通水流量條件下，通水溫度從18 ℃逐漸降低到12 ℃時，混凝土內部的最高溫度歷時曲線和最大拉應力歷時曲線均隨之下移，且峰值溫度從36.5 ℃依次降低至28.6 ℃、26.7 ℃，峰值拉應力由3.94 MPa依次減小為2.93 MPa、1.54 MPa，表現出良好的相關性。

綜上所述，通水溫度是影響澆筑混凝土冷卻效果的一大因素，且澆筑混凝土冷卻效果的好壞與冷卻水溫度的高低成負相關，施工中建議適當降低冷卻水的溫度以增強襯砌混凝土的冷卻效果。

3.5.2 通水流量影響效果分析

相同通水溫度、不同通水流量條件下(對比工況6和工況7)混凝土內部最高溫度及最大拉應力歷時曲線如圖4所示。

(a)不同冷卻水溫度下混凝土內部最高溫度歷時曲線圖 (b)不同冷卻水溫度下混凝土內部最大拉應力歷時曲線圖圖3 通水溫度影響效果分析表

(a)不同通水流量下混凝土內部最高溫度歷時曲線圖 (b)不同通水流量下混凝土內部最大拉應力歷時曲線圖圖4 冷卻水溫度影響效果分析圖

從圖4中可以看出：在相同通水溫度條件下，通水流量從1.5 m3/h增加到1.8 m3/h時，混凝土內部最高溫度歷時曲線和最大拉應力歷時曲線也會相應地下移，且峰值溫度和峰值拉應力均有一定程度的減小，表明通水流量是影響澆筑混凝土冷卻效果的另一個重要因素，且混凝土冷卻效果的好壞與通水流量的大小表現出明顯的正相關性。大的通水流量能夠更快地帶走混凝土的水化熱，起到快速冷卻的效果，所以，施工中建議在適當的情況下采用更大的通水流量。

圖3(a)和圖4(a)顯示：混凝土內部整體最高溫度大約發生在混凝土澆筑后的4～5 d，施工中建議加強早期通水冷卻，以確保混凝土的冷卻效果。

3.5.3 最優工況分析

根據相關標準，混凝土內部允許最高溫度為34 ℃，最大溫差不超過25 ℃，最大允許拉應力為2.7 MPa。

從表4中可以看出：工況6最高溫度為28.61 ℃，最大溫差為16.29 ℃，混凝土內部整體最大拉應力為2.18 MPa；工況7最高溫度為26.74 ℃，最大溫差為14.44 ℃，混凝土內部整體最大拉應力為1.54 MPa。計算結果表明：工況6和工況7條件下的通水冷卻效果可以同時滿足溫度和應力要求。

在該工程中，為了具有一定的安全系數，施工中建議采用通12 ℃左右的冷卻水，通水流量約為1.8 m3/h，可以達到較好的溫控效果。

4 邊墻溫控監測結果分析

根據溫控仿真計算成果，結合混凝土性能試驗和現場實際條件，施工中采取了“早通水、大流量、短歷時”冷卻的溫控防裂措施。鑒于C9050硅粉混凝土早期水化熱集中、生熱量大，為避免襯砌混凝土升溫速率過快，在澆筑過程中至澆完1～2 d，通12 ℃左右、流量約為3.5 m3/h的“大流量、低溫”冷卻水；3～7 d，混凝土內部的溫度-歷時曲線達到最大值并開始下降，且此時拉應力的增長速度相對較快，而拉應力的產生多為混凝土內外溫差較大所致。為避免襯砌混凝土的峰值溫度過高、內外溫差過大，施工中采用了通17 ℃左右的河水，流量為1.8 m3/h左右的施工方案；7 d以后，混凝土初凝完畢，模板被拆除，由于混凝土表面增加了散熱面且減少了模板的約束作用，混凝土表面溫度迅速下降，內部溫度的降低則相對遲緩，導致混凝土內外溫差較大，在熱脹冷縮作用下拉應力增長迅速，此時容易產生溫度裂縫。為避免降溫速率過快，施工中需采用表面流水養護的措施以保證混凝土的降溫速率符合相關規范和設計要求。

在混凝土澆筑施工過程中，通過在混凝土內部埋設電阻式溫度計對混凝土的溫度及各項溫控措施進行了實時監測。其中，每倉混凝土交替在左右兩側邊墻埋設1支溫度計，新澆混凝土前3 d測量時間間隔小于8 h，之后小于12 h，測量持續時間不少于28 d。邊墻部位共計埋設溫度計127支，其中有122支儀器順利完成監測工作，儀器存活率達96.1%，溫度監測成果見表5，其中，邊墻典型樁段的溫度變化過程線如圖6所示。

表5 泄洪洞溫度監測成果表

圖5 邊墻典型樁段混凝土溫度變化過程線圖

由表5可知：邊墻0+000～0+120漸 變 段、0+120～1+037.71標 準 段、1+037.71～1+075.5漸變段實測混凝土的平均最高溫度分別為32.05 ℃、33.6 ℃和33.47 ℃，均高于工況7計算所得的最高溫度，但均在容許最高溫度范圍內。實測峰值溫度出現的時間大約在澆筑后的2～3 d，早于計算所得的4～5 d(圖5)。出現這些現象的原因可能為：數值模擬中，為了節省運算時間，對計算模型、邊界條件和次要參數等進行了必要的取舍，導致數值模擬結果與工程實際之間存在些許出入，但數值模擬所得的溫度場的變化規律與實測結果一致，仍然具有重要的參考價值。

總的來說，泄洪洞邊墻典型樁號的實測溫度變化過程線的線型和變化趨勢均與筆者此次數值模擬結果較為接近，且邊墻襯砌混凝土的整體溫控檢測合格率達90%以上，表明這種“早通水、大流量、短歷時”冷卻的溫控防裂措施可以實現良好的溫控效果。

5 結 語

(1)大崗山水電站泄洪洞邊墻襯砌混凝土三維有限元計算結果顯示：采用通12 ℃冷卻水，通水流量為1.8 m3/h時，混凝土內部最高溫度為26.74 ℃，最大溫差為14.44 ℃，最 大 拉 應 力 為1.54 MPa，可以同時滿足溫度場和應力場設計要求。

(2)溫度場和應力場分析結果表明：通水冷卻效果的好壞與冷卻水溫度的高低呈負相關，與通水流量大小呈正相關。在相同通水溫度條件下，適當增大通水流量，或者在相同通水流量條件下適當降低通水溫度，襯砌混凝土的最高溫度和最大拉應力均會降低?；炷恋姆逯禍囟却蠹s出現在澆筑后的4～5 d。通過加強早期通水并適度增大通水流量、降低通水溫度可以實現更好的冷卻效果。

(3)根據溫控仿真計算成果，施工中采取了“早通水、大流量、短歷時”冷卻的溫控措施，在澆筑過程中至澆完1～2 d，通12℃左右的冷卻水，通水流量為3.5 m3/h左右；3～7 d通17 ℃左右的河水，流量為1.8 m3/h左右；7 d以后依靠表面流水養護達到降溫效果?，F場溫控監測數據顯示，泄洪洞邊墻襯砌混凝土的溫控檢測合格率達90%以上，表明這種“早通水、大流量、短歷時”冷卻的溫控防裂措施可以有效地降低混凝土內部的最高溫升，實現良好的溫控效果。

TV7;TV554;TV546

B

1001-2184(2017)06-0007-06

2017-10-18

雷 文(1986-)，男，湖北崇陽人，工程師，從事水利水電工程施工技術工作.

李燕輝)