水電站阻抗式調壓室施工溫控防裂研究

張悅 溫新捷 殷慶 張春君 劉斌

摘要：為研究水電站阻抗式調壓室施工期溫度及溫度應力特征，基于溫度場和溫度應力場計算的基本原理，在通用大型有限元計算軟件ANSYS基礎上編制了二次開發(fā)程序，結合阻抗式調壓室結構特點，對白鶴灘水電站6#阻抗式尾水調壓室的溫度場及溫度應力場進行了有限元仿真計算。根據(jù)仿真計算結果，提出了通過采取控制澆筑溫度及通水冷卻等溫控防裂措施，分流墩最高溫度控制標準為42℃，為白鶴灘水電站調壓室施工過程中的溫度控制及防裂設計提供依據(jù)。

關鍵詞：混凝土；溫度裂縫；施工仿真；阻抗式調壓室

中圖分類號：TV313

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.030

大體積混凝土結構因混凝土水化熱可能會產(chǎn)生施工期的溫度裂縫。在混凝土壩施工過程中會采用嚴格的溫控措施，但其溫度裂縫問題仍然尤為突出。而其他大體積混凝土結構如大型調壓室、水閘、船閘等建筑物，施工期的溫度應力往往被忽視，通常情況下混凝土澆筑過程中不采取溫控措施。調壓室等結構在運行期會受高速水流沖刷，一旦發(fā)生裂縫，混凝土會產(chǎn)生空蝕，裂縫在水流的作用下逐漸貫通，會影響結構的正常使用、縮短其使用壽命。因此，對于這些類型的大體積混凝土結構，施工期的溫度仿真計算很有必要。

國內(nèi)外對大體積混凝土溫控防裂的研究已取得比較豐碩的成果，但學者們關注的焦點通常集中在大壩大體積混凝土結構。對于地下工程大體積混凝土結構，目前國內(nèi)外的研究相對較少。特別是地下廠房的調壓室，為優(yōu)化其結構型式，研究通常集中在三維流場的仿真計算分析，目前國內(nèi)外沒有開展針對調壓室的溫控研究，相關規(guī)范也沒有對調壓室溫度應力的計算作詳細說明。Takayama等針對混凝土材料、施工方法以及氣候等現(xiàn)場影響因素，試驗分析混凝土早齡期溫度及應變，提出了防止裂縫的方法措施。曾昭揚等 研究了混凝土拱壩中“誘導縫”的開裂可靠性、等效強度和設置位置問題，并在砂牌混凝土拱壩工程中得到應用。段亞輝等基于三峽永久船閘輸水洞襯砌施工期溫度與應力監(jiān)測作了一系列研究，利用實測資料計算分析輸水隧洞襯砌混凝土邊墻和頂拱的溫度應力，提出了大型隧洞襯砌混凝土施T期的溫控有效措施。朱岳明等結合姜唐湖退水閘工程、曹娥江大閘等工程，研究建議在閘墩混凝土內(nèi)部采用水管降溫方式降低早期混凝土的內(nèi)部溫度峰值。

筆者在參考國內(nèi)外相關研究的基礎上，針對阻抗式調壓室的結構特點，結合溫度場和溫度應力場計算的基本原理，在通用大型有限元計算軟件ANSYS基礎上編制二次開發(fā)程序，對阻抗式尾水調壓室的溫度場及應力場進行有限元計算。結合阻抗式調壓室施T仿真計算的結果，分析調壓室溫度場以及溫度應力場的特征，以期為調壓室類似結構的大體積混凝土施T期抗裂安全評價及各項安全系數(shù)的確定提供參考。

1計算原理

1.1溫度場計算原理

根據(jù)熱量平衡原理，固體熱傳導基本方程為初始條件為

T=T0（x，y，z）

（2）

第一類邊界條件：

T=Ts

（3）

第三類邊界條件：式中：x、y、z為坐標：τ為時間；α為混凝土的導溫系數(shù)，α= λ/cρ，λ為混凝土的導熱系數(shù)，c為比熱容，ρ為密度；θ為材料的絕熱溫升；hf為對流換熱系數(shù)；Tf為物體周圍的流體溫度；Ts為物體表面的溫度；T為混凝土的溫度；n表示表面外法線方向。

1.2溫度應力計算原理

混凝土在復雜應力狀態(tài)下的應變增量主要由彈性應變增量、徐變應變增量、溫度應變增量、白生體積變形應變增量以及干縮應變增量等構成引，即

2計算模型及條件

2.1有限元模型

基于溫度及溫度應力計算的基本原理，選取白鶴灘水電站6#阻抗式尾水調壓室為研究對象，計算結構段為尾水調壓室流道襯砌，包括底板以及邊墻，襯砌厚度3.0m，圍巖為Ⅲ類圍巖。圍巖范圍徑向取2倍開挖半徑，巖體和襯砌統(tǒng)一采用空間八節(jié)點等參單元，整體模型共劃分三維塊體單元118499個，襯砌中央橫斷面處混凝土塊體單元尺寸不超過0.6m。調壓室有限元模型見圖1。

阻抗式調壓室結構部位主要包括流道襯砌底板和邊墻、分流墩以及阻抗板，材料均為C9030泵送混凝土。施工中混凝土由底板白下而上澆筑，底板、邊墻、分流墩、阻抗板均分兩次澆筑。同一部位的兩個澆筑層混凝土澆筑間隔期為7d；底板、邊墻澆筑的間隔期為31d；分流墩的澆筑與流道襯砌的邊墻同步，分流墩、阻抗板澆筑的間隔期為31d。各部位混凝土均在澆筑完成3d后拆除模板，隨后灑水養(yǎng)護至下一混凝土澆筑層施工開始。筆者在ANSYS軟件中使用生死單元的方法來模擬施工過程。

2.2初始條件及邊界條件

地溫分布通常較為穩(wěn)定均勻，地表深10 m以上地溫基本上就是年平均氣溫。尾水調壓室深埋地下，因此圍巖初始溫度均取多年平均氣溫（ 25℃），溫度場計算中在圍巖邊界處均取恒溫條件。施工仿真過程中，圍巖及調壓室混凝土與空氣接觸的邊界均取第三類邊界條件。氣溫的年周期變化過程采用《水工建筑物荷載設計規(guī)范》（DL5077-1997）中的余弦函數(shù)來模擬：式中：Ta為t時刻的環(huán)境氣溫；A為多年平均氣溫；B為氣溫年變幅；C為最高氣溫距離1月1日的天數(shù)。

調壓室混凝土澆筑溫度取16℃。溫度應力計算中，在圍巖邊界各個面施加法向約束。

3施工過程溫度及溫度應力仿真

這里主要研究在無溫控措施施工的情況下，尾水調壓室內(nèi)部溫度及溫度應力的變化發(fā)展規(guī)律。由于分流墩尺寸比流道襯砌及阻抗板的大，因此選取調壓室分流墩上代表點，分析其溫度及溫度應力特征。在分流墩中間斷面選取5個代表點，見圖2。

3.1溫度場計算結果

無溫控措施下，各代表點的溫度歷時曲線見圖3。從澆筑時起，分流墩混凝土的溫度場經(jīng)歷了水化熱溫升、溫降并最終隨環(huán)境氣溫周期變化三個階段。由于混凝土水化速率會隨時間減小，因此混凝土溫度在到達峰值后，結構表面溫度開始趨同于洞內(nèi)氣溫，逐漸隨氣溫作周期性（年）變化。由于熱交換條件不同，因此分流墩圍巖側代表點（點②）和中間代表點（點①、點⑤）的溫度變化一般滯后于洞內(nèi)氣溫變化周期，表面與空氣接觸的代表點（點④）年周期溫度變化約等于洞內(nèi)氣溫變化。

3.2溫度應力仿真結果

尾水調壓室在施工期所受荷載主要為溫度荷載、自重以及混凝土徐變產(chǎn)生的荷載。自重按施工澆筑過程分層施加，不考慮圍巖白重和徐變。

在不采取溫控措施的情況下，溫度應力歷時曲線見圖4，各代表點最大拉應力及最小抗裂安全系數(shù)見表1。由表1可知，各代表點都不滿足抗裂安全要求（《混凝土重力壩設計規(guī)范》（SL319-2005）中，抗裂安全系數(shù)取值不小于1.5），因此必須采取溫控措施。

由圖4各代表點的應力歷時曲線可以看出，調壓室分流墩約束自由面上點的散熱條件好、溫升小、溫降速度快，這些位置的溫度應力往往較小；而散熱條件不好的內(nèi)部點，溫升高、溫降大，但溫降時間長、溫降速度慢。內(nèi)部混凝土由于彈性模量增大，因此其后期溫度應力往往比較大，這一特征意味著分流墩在溫度應力的作用下，易從內(nèi)部開裂，甚至造成貫通裂縫。這是阻抗式調壓室混凝土與通常意義的水工大體積混凝土（易于從表面開裂）的不同之處，在實際施工中需要注意。

4溫控措施及溫控標準

4.1溫控方案的選取

因無溫控措施情況下抗裂安全系數(shù)不滿足要求，故需采取溫控措施。通過在編制的溫控計算程序中改變相應計算參數(shù)，擬定了不同溫控方案（見表2，其中方案1為無溫控措施方案）進行計算，直至各代表點最小抗裂安全系數(shù)計算值滿足要求。各項方案溫度計算結果對比見表3，各代表點最小抗裂安全系數(shù)計算結果對比見表4。

4.2溫控標準及溫控措施

結合溫度應力的計算結果，采用方案4的溫控措施可滿足溫控防裂要求，因此推薦白鶴灘水電站6#阻抗式尾水調壓室分流墩采用如下溫控措施：澆筑溫度為16℃；分兩層澆筑，間隔時間為7d，第二層澆筑后3d拆模，拆模后灑水養(yǎng)護28d；布置水管進行通水冷卻，水管水平間距為1m、垂直間距為0.75m，通水溫度為13℃，通水時間建議為18d，通水流量45m^3/d。相應的溫度控制標準：分流墩最高溫度控制為42℃。

5 結 語

大型水電站阻抗式調壓室結構（阻抗板、分流墩和流道等）通常襯砌規(guī)模大，一次澆筑的混凝土體積較大，且運行期承受的水壓力較大，受力情況較為復雜，因此這類結構施工質量的要求往往較高。溫度荷載為大體積混凝土施下期裂縫產(chǎn)生的主要因素之一。以白鶴灘水電站6#阻抗式尾水調壓室為例，建立了阻抗式調壓室的三維有限元模型，對調壓室混凝土溫度場及應力場進行了仿真計算。結合仿真計算結果以及《混凝土重力壩設計規(guī)范》（SL 319-2005）相關的溫控標準，對調壓室分流墩的施工給出推薦的溫控方案，制定了相應的溫控標準。該研究可為白鶴灘水電站調壓室施工過程中的溫度控制及防裂設計提供依據(jù)。