不同材質(zhì)水管溫控防裂對(duì)比分析

郭利霞 強(qiáng) 晟

（河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院,南京 210098）

在水工混凝土結(jié)構(gòu)施工中,常埋設(shè)冷卻水管以滿足混凝土溫控要求.國(guó)內(nèi)一般采用鐵管作為冷卻水管因?yàn)殍F管導(dǎo)熱性能好,施工方法成熟,但鐵管費(fèi)用較高,接頭常發(fā)生滲漏或堵管.因此,國(guó)外有許多工程都使用軟管代替鐵管.軟水管主要特點(diǎn)為鋪設(shè)方便快捷,接頭方便,但導(dǎo)熱性能不如黑鐵管.軟冷卻水管在國(guó)外有較多的成功經(jīng)驗(yàn),在國(guó)內(nèi)運(yùn)用不多,僅在二灘工程大規(guī)模采用[1-2].軟水管研究相對(duì)也很少,朱伯芳[3]對(duì)聚乙烯水管計(jì)算方法進(jìn)行研究,黎汝潮[4]采用試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性,但還有必要對(duì)不同材質(zhì)冷卻水管從早期,后期及管壁應(yīng)力等等各方面進(jìn)行溫降防裂對(duì)比研究.軟管材質(zhì)一般有塑料,橡膠和聚乙烯等,但是軟水管的導(dǎo)熱系數(shù)較低,為了改善這種弱導(dǎo)熱性,使得鋼絲網(wǎng)塑料復(fù)合管得到推廣,圖1就是現(xiàn)有常用的一種鋼絲網(wǎng)塑料復(fù)合管.在仿真過程中,軟水管的邊界當(dāng)作第三類邊界處理.

圖1 鋼絲塑料復(fù)合管

1 水管冷卻溫度場(chǎng)計(jì)算原理

冷卻水管屬于強(qiáng)制對(duì)流換熱,對(duì)流換熱系數(shù)足夠大,鐵管管壁可近似視為第一類冷卻邊界；否則應(yīng)視為第三類吸熱邊界,在理論上會(huì)更嚴(yán)密些.當(dāng)為第一類冷卻邊界時(shí),可表示為

式中,Tw（t）為管內(nèi)冷卻水溫,沿程變化,且事先只知道其入口水溫；Γ0為水管冷卻邊界,如圖2所示.

圖2 有水管冷卻時(shí)的溫度場(chǎng)邊界條件示意圖

水管沿程水溫的增量計(jì)算采用[5]

式中,qw,cw和ρw分別為冷卻水的流量、比熱和密度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；n為混凝土與水管之間混凝土面的外法線.

一般冷卻水的入口溫度已知,就可以利用上面的公式,對(duì)每一根冷卻水管沿水流方向逐段推求沿程管內(nèi)水體的溫度.水管的沿程水溫計(jì)算與溫度梯度?T/?n有關(guān),因此帶冷卻水管的混凝土溫度場(chǎng)是一個(gè)邊界非線性問題,溫度場(chǎng)的解無法一步得出,必須采用迭代解法逐步逼近真解.

利用空間有限單元法和時(shí)間差分法,三維不穩(wěn)定溫度場(chǎng)的有限單元法求解理論詳見文獻(xiàn)[6-8].

2 水管降溫防裂效果分析

杭州某大型混凝土泵站總長(zhǎng)51.5m,寬52.3m,有4條流道.塊型底板在垂直水流方向中間位置設(shè)伸縮縫一道,進(jìn)口段順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)18.1m,高16.3 m,底板厚約1.5m.采用C30、C25商品混凝土,9月中旬施工,地基為砂土,相關(guān)參數(shù)見表1,鋼模板支護(hù),表面覆蓋1.5cm大壩保溫被.

表1 材料參數(shù)

為了對(duì)比研究,內(nèi)部分別采用HDPE（high density polyethylene）管和鋼絲網(wǎng)塑料復(fù)合管及鐵管進(jìn)行冷卻降溫,水管層距×管距約為0.85m×0.7m,冷卻水溫10℃,流速1.20m/s,流量5.43m3/h,混凝土進(jìn)倉(cāng)就開始通水,通水持續(xù)時(shí)間為6 d,且每隔1d水流換向.考慮工程的結(jié)構(gòu)形式和底板的布置特點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,取典型的第二流道對(duì)稱結(jié)構(gòu)計(jì)算,網(wǎng)格剖分時(shí)采用空間六面體和五面體等參單元,計(jì)算模型的單元和結(jié)點(diǎn)總數(shù)分別為39743和34963個(gè),有限元計(jì)算模型如圖3所示.

圖3 有限元模型

經(jīng)過仿真計(jì)算,針對(duì)冷卻及其溫控防裂效果這一問題,主要有以下幾點(diǎn)結(jié)論:

（1）冷卻降溫效果及早期應(yīng)力問題.從圖4～5可以看出,無論是內(nèi)部點(diǎn),還是表面點(diǎn),與鋼絲塑料復(fù)合管,HDPE管冷卻后對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)相比,采用鐵管冷卻后的溫度峰值最低,溫降速度也最快,采用HDPE水管表面點(diǎn)通水6 d從34.8℃降到24.3℃,降幅才10.5℃,而采用鋼絲網(wǎng)塑料復(fù)合管6d溫度從33.4℃到20.5℃,降幅竟然達(dá)到12.9℃.采用鐵管表面溫度則從31.9℃降到16.9℃,降溫達(dá)到15.0℃,這都是因?yàn)殍F管的導(dǎo)熱性能要明顯好于鋼絲塑料復(fù)合管和HDPE管.但溫降速度過快的話,使得局部降溫過快,會(huì)出現(xiàn)中間部位混凝土受到雙重自生拉應(yīng)力,甚至發(fā)展成深層裂縫.

圖4 不同水管底板表面點(diǎn)溫度應(yīng)力

（2）管壁應(yīng)力問題.采用水管冷卻這一溫控制方案時(shí),由于冷卻水溫通常較低,以往的工程實(shí)踐表明,若通水不當(dāng),管壁上有可能會(huì)出現(xiàn)“管壁裂縫”,甚至在通水后期有可能會(huì)因?yàn)闇亟颠^快沿著水管走向引起水平縫的出現(xiàn),這是水管冷卻這一溫控方案較為不利的一個(gè)方面.

從圖6可知,采用鐵管冷卻后,通水期間管壁上的應(yīng)力明顯大于采用HDPE水管和復(fù)合管時(shí),尤其是鐵管壁在水流換向時(shí),存在明顯的溫度驟變過程,因此更易導(dǎo)致“管壁裂縫”的產(chǎn)生.從這個(gè)角度來看,采用鐵管冷卻時(shí),優(yōu)勢(shì)與不足同時(shí)存在.相對(duì)而言,采用HDPE和復(fù)合管冷卻比采用鐵管冷卻出現(xiàn)管壁裂縫的可能性更小些.

圖6 水管管壁點(diǎn)的溫度應(yīng)力歷時(shí)曲線

（3）后期應(yīng)力問題.采用 HDPE水管冷卻以后,早期溫度峰值會(huì)有一定程度降低,基礎(chǔ)溫差減小,因此后期底板內(nèi)部出現(xiàn)的拉應(yīng)力也有一定程度的減小,但相比鋼絲塑料復(fù)合管,后期應(yīng)力還是很大的.如圖7內(nèi)部點(diǎn)采用HDPE水管冷卻最大拉應(yīng)力為 1.73 MPa,會(huì)有開裂的可能；而采用鋼絲網(wǎng)塑料復(fù)合管最大拉應(yīng)力則為1.60 MPa,不至于開裂,至于鐵管則使得安全系數(shù)更大,可見鐵管,鋼絲塑料復(fù)合管冷卻效果好于HDPE水管,降低底板產(chǎn)生裂縫的可能性.

圖7 底板內(nèi)部點(diǎn)長(zhǎng)期應(yīng)力

3 結(jié) 論

在相同的外在保溫條件下,鐵管的冷卻降溫效果最好,可以很好地抑制早期表面裂縫和后期內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生,但容易由于降溫過快產(chǎn)生管壁混凝土裂縫；鋼絲網(wǎng)塑料復(fù)合管冷卻效果也很好,且不至于產(chǎn)生管壁冷縫與銹蝕開裂；HDPE管冷卻效果最差.實(shí)際工程中,根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況經(jīng)過精細(xì)的仿真計(jì)算分析來確定所需水管、合理的水管層距和間距及冷卻過程.需要說明的是,整個(gè)施工過程結(jié)束后,要采用膨脹性水泥砂漿對(duì)軟水管空腔進(jìn)行灌漿回填,以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體密實(shí)性和軟水管的耐久性.

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[4]黎汝潮.三峽工程塑料冷卻水管現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與研究[J].中國(guó)三峽建設(shè),2000（5）:20-24.

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[6]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:中國(guó)電力出版社,1998.

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[8]強(qiáng) 晟,朱岳明,吳世勇等.錦屏一級(jí)高拱壩溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)仿真分析[J].水電能源科學(xué),2007,25（2）:50-52.