水電站大體積混凝土澆筑施工的溫度應(yīng)力三維仿真分析

岳朝俊 袁習奎 蔣思良

1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院 湖北 武漢 430010；2.中國建筑第二工程局有限公司 湖南 長沙 410005

巴基斯坦卡洛特水電站進水塔為岸塔式、鋼筋混凝土箱筒式結(jié)構(gòu)，共有4座獨立塔體，每座進水塔對應(yīng)一條水電站引水隧洞。

水電站進水塔混凝土體積較大、基礎(chǔ)約束強、結(jié)構(gòu)受力復雜，受水泥水化熱和氣溫等邊界條件的影響，混凝土內(nèi)部與外部以及混凝土和基礎(chǔ)之間極易產(chǎn)生相對溫差，由于約束的作用進而產(chǎn)生拉應(yīng)力?；炷潦谴嘈圆牧?，過大的拉應(yīng)力可能會導致其開裂，輕則影響結(jié)構(gòu)的整體受力，重則危及結(jié)構(gòu)安全[1-5]。因此，現(xiàn)場擬定了降低澆筑溫度、通水冷卻、表面保溫等措施。

本文采用Ansys有限元軟件，按照施工計劃進行施工期溫度和溫度應(yīng)力場的三維仿真計算，分析研究水電站進水塔在擬定溫控措施下各部位溫度和溫度應(yīng)力分布情況，得到各部位溫控防裂安全系數(shù)，并指導實際溫控措施的實施調(diào)整。

1 模型建立及邊界條件

在溫度應(yīng)力仿真中，對進水塔模型進行了適當?shù)暮喕L制的進水塔有限元計算模型如圖1和圖2所示。計算網(wǎng)格總單元數(shù)32 716個、節(jié)點數(shù)39 526個，其中進水塔網(wǎng)格單元數(shù)25 384個、節(jié)點數(shù)31 542個。

坐標x軸為順水流方向，y軸為鉛直方向（向上為正），z軸為橫河方向（由左岸指向右岸）。

2 計算基本條件及參數(shù)

2.1 氣溫

卡洛特水電站位于巴基斯坦Jhelum河流域干流下游，壩址以上匯入Jhelum河的主要支流有Neelum河和Kunhar河。工程流域多年平均氣溫20.1 ℃，計算選取流域內(nèi)氣象站點的氣溫統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行平均，具體見表1。

圖1 進水塔整體計算模型

圖2 計算模型有限元網(wǎng)絡(luò)劃分

表1 壩址各月平均氣溫取值 單位：℃

2.2 材料計算參數(shù)

水電站進水塔底板及塔體混凝土設(shè)計強度等級主要為C25。計算中混凝土的主要熱力學參數(shù)取值如下：導溫系數(shù)為5.232×10-3m2/h，導熱系數(shù)為11.8 kJ/（m·h·K），質(zhì)量熱容為0.947 kJ/（kg·K），線膨脹系數(shù)為10.9×10-6K-1，7 d絕熱溫升為29.2 K?；炷亮W參數(shù)取值見表2。

表2 混凝土力學參數(shù)值

2.3 混凝土澆筑進度

水電站進水塔位于卡洛特工程溢洪道左側(cè)邊坡，底板高程430.5 m，頂板高程469.5 m，塔高39 m。進水塔基礎(chǔ)較高，底板混凝土澆筑工期約1個月，塔體混凝土澆筑工期約7個月，塔頂金屬結(jié)構(gòu)安裝工期3個月，廠房進水口總工期約11個月。進水塔在引水洞襯砌完成后進行施工。

1#進水塔計劃于主體工程開工建設(shè)后第3年的1月1日開始混凝土澆筑，當年11月26日澆筑至469.5 m（頂部高程），后續(xù)3座進水塔3個月后全部澆筑完成。

2.4 澆筑溫度控制

根據(jù)規(guī)范要求以及設(shè)計成果，對進水塔各部位采取溫控分區(qū)，對各區(qū)不同時段澆筑方式及澆筑溫度控制如下：

1）基礎(chǔ)強約束區(qū)部位：在12月—次年2月，混凝土采取自然澆筑方式；其他月份采取水冷骨料或混凝土加冰水拌和等措施后澆筑，澆筑溫度控制不超過20 ℃。

2）基礎(chǔ)弱約束區(qū)部位：在12月—次年2月，混凝土采取自然澆筑方式；其他月份采取水冷骨料或混凝土加冰水拌和等措施后澆筑，澆筑溫度控制不超過22 ℃。

3）脫離基礎(chǔ)約束區(qū)及墩墻部位：在12月—次年2月，混凝土采取自然澆筑方式；在3—5月和10—11月，澆筑溫度控制不超過22 ℃；在6—9月高溫季節(jié)，采取水冷骨料或混凝土加冰水拌和等措施后澆筑，澆筑溫度控制不超過24 ℃。

2.5 冷卻處理

為降低底板大體積混凝土內(nèi)部溫度，在底板內(nèi)部埋設(shè)循環(huán)冷卻水管，通過循環(huán)冷水降溫。冷卻水管采用PVC水管，其外徑為32 mm，內(nèi)徑為28 mm；水管水平間距可取1.5 m，豎直間距根據(jù)層厚可取1.5～1.8 m?；炷灵_始澆筑時可通水冷卻，基礎(chǔ)強約束區(qū)部位在高溫及次高溫季節(jié)宜采用15 ℃冷水，其他部位可采用河水，單根水管通水流量按25 L/min計算。低溫季節(jié)通水時間控制在8～10 d；為避免溫度變化較大，高溫季節(jié)通水時間一般控制在15～20 d；其他季節(jié)通水冷卻10～15 d。

2.6 表面保護

低溫季節(jié)，混凝土澆筑完成后，混凝土表面采取覆蓋棉氈等有效措施及時進行保溫?；炷敛鹉：?，及時覆蓋保溫板。夏季混凝土澆筑完畢后，采取表面覆蓋塑料薄膜等保溫措施，并及時進行灑水或噴霧養(yǎng)護。

3 計算結(jié)果分析

通過模擬計算，得出水電站進水塔內(nèi)最高溫度（圖3）和最大拉應(yīng)力（圖4），具體數(shù)值見表3。結(jié)果分析表明：

1）進水塔底板在1月開始澆筑，混凝土最高溫度為28.4 ℃，混凝土內(nèi)部順水流方向最大拉應(yīng)力1.83 MPa，抗裂安全系數(shù)為1.68，大于1.5，滿足混凝土抗裂安全要求。

2）進水塔墩墻混凝土澆筑歷時長，時間跨度較大。墩墻混凝土最高溫度為39.7 ℃，發(fā)生在夏季高溫季節(jié)澆筑時段，混凝土最大拉應(yīng)力1.56 MPa，混凝土抗裂安全系數(shù)均達到1.9以上，滿足混凝土抗裂安全要求。

4 結(jié)語

通過利用Ansys有限元軟件，對卡洛特水電站進水塔在擬定溫控措施下的混凝土澆筑溫度及內(nèi)部溫度應(yīng)力進行分析，結(jié)果表明：Ansys有限元軟件能有效分析大體積混凝土因溫度變化而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力裂縫問題，并能驗證溫控措施的有效性，從而大大降低工程質(zhì)量風險。同時，Ansys有限元軟件在工程實際中的成功應(yīng)用，可為類似工程提供一定的指導作用。

圖3 進水塔最高溫度

圖4 進水塔最大拉應(yīng)力

表3 進水塔溫控仿真成果統(tǒng)計