巴基斯坦卡洛特水電站地面廠房溫度應力三維仿真分析

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、結構受力復雜，極易產生溫度應力導致混凝土開裂，影響結構的整體受力及結構安全。施工現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力場的三維仿真數值模擬，得到了各部位內部最高溫度、最大拉應力等結果，驗證了擬定溫控措施的效果，為實際施工中的混凝土溫度控制提供了指導。

關鍵詞：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文獻標志碼：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、引水發電建筑物等組成。其中，引水發電建筑物布置在吉拉姆河右岸河灣地塊內，采用引水式地面廠房，共安裝4臺單機容量為180 MW的混流式水輪發電機組，總裝機容量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），由機組段及其右側安裝場段組成，其中機組段長111.40 m，安裝場段長49.5 m。廠房單機寬度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，體形結構復雜，不但有大體積混凝土結構，還有大量的板、梁、柱混凝土，結構受力復雜，受水泥水化熱和氣溫等邊界條件影響，大體積混凝土內部與外部以及混凝土和基礎之間極易產生相對溫差，導致混凝土產生拉應力[1]。由于混凝土是脆性材料，過大的拉應力可能會導致混凝土開裂，影響結構的整體受力，甚至危及結構安全。因此，經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有限元數值分析軟件按照現場施工澆筑進度計劃進行施工期溫度和溫度應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力分布情況[3]，得到各部位溫控防裂安全系數，并在一定程度上指導現場溫控措施的實施。

2 計算模型及邊界條件

本次計算主要選取廠房典型機組段蝸殼及發電機層以下混凝土結構來建立有限元模型，重點分析廠房大體積混凝土溫度及應力分布情況。在模型中，斷面大小根據實際尺寸取值，并對地面廠房模型進行了適當的簡化，繪制出的廠房有限元計算模型見圖2，3[4]。模型計算網格總單元數為29 282、節點數為33 040， 其中廠房網格單元數為19 762、節點數為22 600[5]。

坐標假定X向為順流向，Y向為鉛直向，Z向為橫河向（左岸指向右岸）。熱學邊界為上下游面、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個側面為法向約束。

3 計算基本條件及參數

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氣象站點的氣溫統計平均數據，具體見表1。

3.2 材料計算參數

地面廠房混凝土設計強度等級主要為C25，計算中混凝土主要熱力學參數取值見表2，主要力學參數取值見表3。

3.3 混凝土澆筑進度

地面廠房混凝土澆筑施工的主要程序為：底板混凝土澆筑→底板固灌→尾水管段混凝土澆筑→錐管段澆筑→蝸殼安裝→蝸殼二期混凝土澆筑→發電機層樓板澆筑→機組安裝→發電。

按照進度計劃安排，1號機組段首先于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，開始安裝預留井內肘管，廠房一期混凝土繼續上升至高程412 m，提供上下游墻橋機軌道安裝部位;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號機組段澆筑約2個月后（2018年5月20日），2號機組段大體積混凝土開始澆筑，3號和4號機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號機組相同。

3.4 控制澆筑溫度

地面廠房由4個機組段組成，每個機組段均采用錯縫分塊澆筑，根據國內外有關規范要求以及設計成果，對主廠房各部位進行了溫控分區，具體見圖4，各分區不同時間入倉方式及澆筑控制溫度如下。

（1）基礎強約束區部位。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 ℃）;其他月份采用預冷混凝土，控制澆筑溫度不超過20 ℃。

（2）基礎弱約束區部位。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（3月、11月）控制澆筑溫度不超過20 ℃;其他月份采用預冷混凝土，控制澆筑溫度不超過22 ℃。

（3）脫離基礎約束區。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（3月、11月）控制澆筑溫度不超過20 ℃;高溫季節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部埋設冷卻水管進行通水冷卻，以降低混凝土最高溫度。冷卻水管采用PVC水管，外徑32 mm，內徑28 mm;水管水平間距可取1.5 m，豎直間距根據層厚可取1.5～2.0 m。初期冷卻從混凝土下料澆筑開始即可通水，基礎強約束區部位在高溫（5～9月）及次高溫季節（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。低溫季節通水控制在8～10 d以內，避免降溫幅度過大，高溫季節通水一般控制在15～20 d以內，其他季節通水冷卻10～15 d。

3.6 表面保溫

對于廠房基礎約束區及其他重要結構部位混凝土澆筑完成后應設表面保護層，保溫后表面放熱系數取3～5 W/m2。特別對于低溫季節長間歇部位應及時施加表面保溫，保溫后等效放熱系數β≤3.0 W/m2·℃。

4 仿真計算結果分析

本次計算分別對2018年3月底開始澆筑的主廠房1號機組段及2018年7月底開始澆筑的3號機組段進行了仿真計算，然后對比應力控制標準及允許的抗裂安全系數，對計算結果進行分析。

4.1 溫度應力控制標準

混凝土溫度應力的控制按下式確定[7]：

[σεpEcKf] ???????????（1）

式中， [σ]為各種溫差所產生的溫度應力之和，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。綜合考慮結構、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取為1.5。

根據試驗成果，計算得到各種混凝土應力控制標準見表4。

4.2 1號機組段仿真分析結果

1號機組段各部位混凝土最高溫度、最大拉應力及抗裂安全系數分析結果見表5，最高溫度包絡圖及最大拉應力包絡圖見圖5和圖6。由分析結果可知：

（1）最高溫度為37.3 ℃，出現在錐管段，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。錐管段最大拉應力為1.54 MPa，抗裂安全系數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℃。底板最大拉應力為2.03 MPa，發生在底板上表面，相應抗裂安全系數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 ℃，最大拉應力為1.89 MPa，相應抗裂安全系數1.63。最大拉應力發生在高程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，需要經歷長間歇期，故而溫度應力較大。在考慮了表面保溫等作用的情況下，抗裂安全系數基本滿足要求[8]。

4.3 3號機組仿真分析結果

3號機組段各部位混凝土最高溫度、最大拉應力及抗裂安全系數分析結果見表6，最高溫度包絡圖及最大拉應力包絡圖見圖7和圖8。由分析結果可知：

（1）最高溫度為37.4℃，也發生在錐管段，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。錐管段最大拉應力為1.51 MPa，抗裂安全系數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，由于澆筑層厚為1.0～1.5 m，最高溫度為36.3℃。底板最大拉應力為2.09MPa，發生在底板上表面，相應抗裂安全系數1.49，略小于要求的安全系數，需要采取更嚴格的溫控措施[9]。

（3）9肘管段筑層厚度約1.5～2.0 m，最高溫度為34.5 ℃，最大拉應力為2.01 MPa，相應抗裂安全系數1.54。最大拉應力也發生在高程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，需要經歷長間歇期，故而溫度應力較大。在考慮了表面保溫等作用的情況下，抗裂安全系數基本滿足要求。

4.4小 結

綜合分析廠房1號機組段和3號機組段的應力分布結果可知：由于主廠房結構異形，各部位受到較強的約束，無論是底板、肘管段、還是錐管段，最大的溫度應力雖然小于28 d齡期抗拉強度，但均大于允許的拉應力，同時抗裂安全系數僅能基本滿足要求，因此在制定溫控標準及措施時，整個區域都應該被視為“強約束區”，嚴格執行擬定的控制澆筑溫度、通水冷卻、表面保溫等溫控措施[10]。各部位應力大小除受最高溫度、結構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加強混凝土表面保溫養護工作。

5 結 語

通過采用ANSYS有限元數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力場進行三維仿真數值模擬，模擬分析結果表明：在采用推薦溫控措施后，各部位最高溫度及最大溫度應力均能滿足抗裂安全標準，擬定的溫控措施是合理有效的。但是由于主廠房結構異形，各部位約束較強，沒有明顯的小應力區，溫控防裂難度仍然較大，在高溫季節澆筑混凝土應嚴格控制，并采取措施做好長間歇部位的表面保溫。

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[10] 王雁，李小磊，易丹.溪洛渡電站雙曲拱壩混凝土溫控防裂施工技術[J].人民長江，2014，45（S1）：123-124.

（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