卡洛特水電站引水系統流道混凝土溫控防裂研究

袁葳　李嬌娜　岳朝俊

摘要：大型水電站引水系統流道結構形狀復雜，施工程序繁多，施工期流道混凝土開裂問題尤為突出。基于卡洛特水電站引水系統流道結構，采用有限單元法開展了混凝土施工期溫度和溫度應力仿真分析，主要對外界氣溫、流道厚度尺寸、分縫長度、澆筑溫度等進行了對比計算，分析了進水口流道混凝土的易裂部位及裂縫產生的主要影響因素。在此基礎上提出了流道混凝土溫控防裂措施。

關鍵詞：流道混凝土; 溫度應力; 溫控防裂措施; 有限元法; 卡洛特水電站

中圖法分類號： TV315

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.026

0引 言

巴基斯坦吉拉姆河目前規劃有5個梯級水電站，卡洛特水電站是其中第4個梯級。該工程以發電為主要任務，布置于吉拉姆河右岸河灣的引水發電建筑物由進水口、4條引水隧洞、地面廠房、尾水渠以及升壓站等主要建筑物組成。其中，4條單機單洞引水隧洞長度約為303～330 m，洞軸線相互平行，間距27 m，平面上采用直線-弧線-直線布置，立面上依次由上斜段、上彎段、斜直段、下彎段和下平段組成。隧洞洞徑下平段前為9.6 m，下平段漸變至7.9 m，與機組蝸殼相接[1-2]。

對于引水隧洞流道混凝土，由于混凝土結構異形，約束強烈，最高溫度若得不到有效控制，極易產生裂縫。裂縫一旦發生，極易造成構件內部鋼筋銹蝕，進而降低結構耐久性，縮短結構正常使用的壽命。特別是對于各類流道混凝土，在水流不斷沖蝕影響下，會加速結構老化破壞，危害結構的穩定與安全。

目前，有關隧洞混凝土裂縫成因及防裂措施研究已有不少成果[3-8]，如劉強等[3]采用DTSSA軟件對溪洛渡水電站泄洪洞襯砌進行仿真分析，提出了預冷溫控、冷卻水管等溫控措施指導現場施工;司政等[4]提出了采用低熱混凝土、表面保溫及降低澆筑溫度等措施可有效減少泄洪洞襯砌裂縫的出現;段寅等[5]歸納了襯砌溫度裂縫產生的主要原因，提出了降低混凝土最高溫度、結構約束等結構抗裂措施;趙路等[7]分析了夏季施工時泄洪洞襯砌混凝土裂縫萌生、擴展過程。

本文結合卡洛特水電站地下工程流道混凝土結構特點，采用ANSYS有限元軟件進行系統地計算和對比分析[9-15]，分析總結影響流道襯砌混凝土施工期溫度應力大小和影響溫度裂縫產生的主要因素，并研究制定合適的溫控防裂措施，有效提高地下工程抗裂安全性，提升地下工程設計的整體水平。

3流道襯砌溫度應力主要影響因素

3.1襯砌厚度敏感性分析

為考慮不同襯砌厚度對流道襯砌結構的影響，分別對0.6，0.8，1.0，1.2 m 4種襯砌厚度進行敏感性分析。計算中，分縫長度取12 m，洞室溫度環境均取為25.0 ℃，地基溫度取為25.0 ℃，基礎圍巖彈模取為30 GPa，混凝土澆筑溫度取為22.0 ℃，無通水冷卻。

圖3～4給出襯砌厚度分別為0.8，1.0 m兩種情況下，混凝土的最高溫度和最大拉應力分布云圖。圖5～6為襯砌厚度分別為0.6，0.8，1.0，1.2 m 4種情況下的混凝土溫度及溫度應力歷時曲線對比。表5為不同厚度襯砌混凝土溫度及溫度應力對比，其中，Tmax表示混凝土最高溫度峰值，σmax表示混凝土施工全過程最大拉應力，K為混凝土抗裂安全系數，按K=εE/σ計算求得，分析表明：

（1） 圓形襯砌澆筑過程中，混凝土的最高溫度Tmax及最大拉應力σmax均發生在襯砌內部，拉應力在溫度降至最低時達到最大。

（2） 圓形襯砌厚度增大，混凝土最高溫度和最大拉應力呈現出明顯增大趨勢。其中，襯砌厚度在0.6～1.2 m時，厚度每增大0.1 m，最高溫度相應增大0.6～1.4 ℃。而最高溫度每增大1.0 ℃，最大拉應力相應增大約0.11 MPa，應力增幅相對較大。

（3） 襯砌厚度在0.6～0.8 m時，抗裂安全系數能達到1.85～2.33;當襯砌厚度增大至1.0～1.2 m時，抗裂安全系數降低至1.65～1.54甚至更低，抗裂安全系數越低，開裂風險越大。此時為確保厚層襯砌結構的抗裂安全，需要采取措施降低襯砌混凝土內部最高溫度。

3.2分縫長度敏感性分析

為考慮不同分縫長度對流道襯砌結構的影響，分別對6，9，12，15 m 4種分縫長度進行敏感性分析。計算中，襯砌厚度取0.8 m;除分縫長度外其他溫控計算參數同3.1節。表6給出混凝土分縫長度分別為6～15 m不同工況條件下溫控主要計算成果對比，分析表明：

（1） 改變分縫長度，對最高溫度Tmax影響較小，主要影響混凝土拉應力σmax大小。相同溫度條件下，澆筑塊分縫長度增大，將導致結構約束系數增大，從而產生更大的溫度應力。當L達到15 m及以上，內部最大拉應力將增大至1.90 MPa以上，抗裂安全系數降低至1.6以下。

（2） 施工時，建議將分縫長度控制在9～12 m內，特殊部位應進一步降低分縫長度，減小結構約束，提高混凝土抗裂安全。

3.3澆筑溫度敏感性分析

降低混凝土澆筑溫度是有效降低混凝土最高溫度的常用手段。為考慮不同澆筑溫度對流道襯砌結構抗裂安全的影響，分別對澆筑溫度為18，20，22，24，26 ℃ 5種工況進行了敏感性分析。計算中，襯砌厚度取0.8 m;除澆筑溫度外其他溫控計算參數同3.1節。表7給出了混凝土澆筑溫度為18～26 ℃時的溫控主要計算成果對比，分析表明：

（1） 澆筑溫度對流道襯砌混凝土內部最高溫度Tmax及溫度應力σmax影響均較大。澆筑溫度每升高1 ℃，內部混凝土最高溫度峰值約增加0.45 ℃，最大拉應力相應增加約0.10 MPa。

（2） 降低混凝土澆筑溫度，可有效降低襯砌混凝土內部最高溫度和最大拉應力，進而提高混凝土抗裂安全系數。施工時，對于易裂部位，應采取骨料預冷、加冰拌和等措施適當降低澆筑溫度，必要時進行通水冷卻，以保證流道襯砌結構部位整個施工全過程的抗裂安全。

3.4洞室氣溫敏感性分析

洞室環境溫度是影響流道襯砌結構的主要因素之一。為研究不同洞室氣溫對流道襯砌結構抗裂安全的影響，分別對20～35 ℃范圍內不同洞室氣溫進行敏感性分析。計算中，襯砌厚度取0.8 m;除洞室氣溫外其他溫控計算參數同3.1節。表8給出洞室氣溫為20～35 ℃不同工況下的溫控主要計算成果對比，分析表明：

（1） 由于襯砌結構較薄，洞室氣溫對襯砌混凝土內部最高溫度Tmax及溫度應力σmax影響均較大。洞室氣溫每增加1 ℃，內部混凝土最高溫度峰值增加約0.6 ℃，最大拉應力相應增加約0.07 MPa。

（2） 降低洞室氣溫，可有效降低襯砌混凝土最高溫度和最大拉應力，進而提高混凝土抗裂安全系數。施工過程中應加強通風，降低洞室環境溫度，提高流道襯砌施工期抗裂安全。

4結 論

引水系統流道混凝土結構異形，約束強烈，在高溫季節澆筑時應力大、易產生裂縫。本文采用三維有限元方法對卡洛特水電站引水系統流道襯砌混凝土進行施工期溫度和應力仿真分析，研究表明：

（1） 采取措施降低混凝土最高溫度、降低流道襯砌結構約束是減小溫度應力、提高結構抗裂安全最有效的手段。

（2） 施工過程中可通過采取骨料預冷、加冰拌和及遮陽保溫等措施降低混凝土澆筑溫度;通過加強洞內通風、增加洞內噴霧或灑水等措施降低洞內環境溫度。

（3） 設計階段可通過增設冷卻水管、控制分縫分塊長度，降低混凝土最高溫度、溫度應力，提高抗裂安全能力。

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（編輯：黃文晉）