大體積混凝土施工期冷卻水管埋設(shè)方式對(duì)比與分析

常世華

（遼寧省綏中縣大中型水庫移民后期扶持工作辦公室，遼寧綏中125200）

大體積混凝土施工期冷卻水管埋設(shè)方式對(duì)比與分析

常世華

（遼寧省綏中縣大中型水庫移民后期扶持工作辦公室，遼寧綏中125200）

結(jié)合猴山水庫大體積混凝土冷卻水管降溫施工，通過有限元熱流耦合算法，對(duì)比分析了不同冷卻水管埋設(shè)方式下典型壩段的混凝土內(nèi)部溫度、應(yīng)力情況。研究結(jié)果顯示，相較于常用的單冷卻水管循環(huán)方式，雙循環(huán)布置在改善大體積混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布情況，能夠有效控制混凝內(nèi)部溫度梯度，具有更好的混凝土冷卻效果。

大體積混凝土；冷卻水管；埋設(shè)形式；改進(jìn)措施

0 引言

就現(xiàn)階段而言，大體積混凝土溫控防裂措施有很多種，而埋設(shè)冷卻水管是應(yīng)用最為普遍、效果最佳的降溫措施之一。通過埋設(shè)冷卻水管的方式，能夠很好地控制大體積混凝土內(nèi)部的最高溫度，使它穩(wěn)定在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)，并能夠避免內(nèi)外溫差過高而導(dǎo)致的溫度裂縫?，F(xiàn)階段，對(duì)于冷卻水管降溫的研究多集中在冷卻水溫控制、流量控制、水管布置形式等方面，而對(duì)于埋設(shè)方式改進(jìn)的研究則相對(duì)較少[1-2]。以猴山水庫大壩大體積混凝土施工為例，提出冷卻埋設(shè)方式的改進(jìn)建議，探討有益于提高水管冷卻的穩(wěn)控措施，以指導(dǎo)工程施工中更好地使用水管冷卻降溫方式。

1 工程概況

猴山水庫位于遼寧綏中縣范家鄉(xiāng)境內(nèi)，主要任務(wù)是以向東戴河新區(qū)供水為主、兼顧防洪、同時(shí)改善下游灌溉條件的大（二）型水庫。該水庫樞紐建筑物結(jié)構(gòu)為混凝土重力壩輸水建筑物為引水隧洞，攔河主壩長349 m、擋水副壩長80.0 m，最大壩高51.6 m，輸水隧洞長6.183 km。為降低大體積混凝土內(nèi)外溫差，避免混凝土溫度裂縫的出現(xiàn)，工程設(shè)計(jì)在高溫季節(jié)進(jìn)行混凝土澆筑施工時(shí)，在混凝土內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管，采用導(dǎo)熱性能良好的φ40 mm鋼管，進(jìn)行通低溫水冷卻，冷卻水管埋設(shè)方式采用單循環(huán)布設(shè)，如圖1所示。

2 雙循環(huán)冷卻水管埋設(shè)方式

根據(jù)冷卻水管埋設(shè)位置的不同，大體積混凝土冷卻水管選用的管材也有所不同，常見的冷卻水管管材有鋼管、高強(qiáng)度聚乙烯塑料管。冷卻水管布設(shè)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，一般使用較多的布設(shè)方式為梅花形和矩形布置，但由于梅花形布設(shè)方式施工較為復(fù)雜，所以應(yīng)用較少[3]。水管單循環(huán)蛇形布置方式如圖2（a）所示，實(shí)際應(yīng)用中由于都是固定水管的進(jìn)出口，且不同壩段的冷卻水管普遍采用一個(gè)引水管道，因此，變換進(jìn)出口需要耗費(fèi)大量的工時(shí)。為克服這一弊端和提升水管冷卻效果，文章提出在倉面混凝土澆筑施工時(shí)，將冷卻水管通過雙循環(huán)進(jìn)行通水冷卻，如圖2（b）所示。

圖1鋪設(shè)單循環(huán)冷卻水管

圖2不同冷水管埋設(shè)形式

3 不同冷水管埋設(shè)

3.1 計(jì)算條件

選擇猴山水庫12#壩段強(qiáng)約束區(qū)基礎(chǔ)澆筑塊作為分析目標(biāo)，澆筑塊長×寬×高為30 m×16 m×18 m。混凝土分層澆筑12層，單個(gè)澆筑層厚度為1.5 m。冷卻水管布設(shè)間距為1.5 m× 1.5 m。仿真計(jì)算模型建立過程中，混凝土與基巖為6面體8節(jié)點(diǎn)單元離散，水管為4節(jié)點(diǎn)熱流耦合單元離散，如圖3所示[4-5]。為簡(jiǎn)化計(jì)算過程，將模型4個(gè)側(cè)面設(shè)置為絕熱邊界，混凝土澆筑溫度為15℃，澆筑間歇10 d。

圖3仿真計(jì)算模型

3.2 溫度場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果

猴山水庫大壩冷卻水管降溫采用二期通水冷卻方式，時(shí)間間隔為90 d。一二期冷卻水溫度分別為12℃~14℃、13℃。計(jì)算得到水文歷程變化情況如圖4所示，隨著水流在水管中的流動(dòng)，水溫逐漸升高。3 d時(shí)，出口處水溫要比進(jìn)水口水溫高5℃~7℃。在15 d時(shí)，水管冷卻效果有一定程度的下降，這主要是混凝土內(nèi)部水化熱作用下降造成的。內(nèi)部產(chǎn)生熱量減少，混凝土與水管的熱對(duì)流交換作用減弱，水流帶走的熱量亦同步減少，進(jìn)出口溫差在3℃~4℃。3 d時(shí)，出口處水溫單循環(huán)（17℃）<雙循環(huán)（18℃）；15 d時(shí)，出口處水溫單循環(huán)（15.3℃）<雙循環(huán)（14.8℃），雙循環(huán)冷卻水管埋設(shè)方式具有更強(qiáng)的控溫削峰能力。

圖4水管水溫沿程溫度變化情況

冷卻水管中的水流沿程溫度會(huì)增加，同時(shí)混凝土內(nèi)部的溫度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，靠近進(jìn)水口位置的混凝土溫度較高，反之則偏低。在外界條件完全相同的情況下，單循環(huán)和雙循環(huán)方式混凝土內(nèi)部最高溫度分別約為28.12℃和27.1℃?；炷羶?nèi)部溫度分布情況與冷卻水管的埋設(shè)方式之間有很大的關(guān)聯(lián)[6]，仿真計(jì)算中選取倉面層布設(shè)溫度計(jì)，監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部溫度變化情況，溫度計(jì)位置布設(shè)如圖5所示。

圖5倉面典型點(diǎn)及溫度計(jì)埋設(shè)位置

圖4所示兩種不同冷卻水管循環(huán)方式下混凝土內(nèi)部溫度歷程曲線。分析得到，單循環(huán)方式混凝土內(nèi)部溫度變化與實(shí)測(cè)情況基本相同，大體積混凝土內(nèi)部溫度呈現(xiàn)明顯的梯度分布，順?biāo)鞣较驕囟冗f增；越靠近進(jìn)水口位置，混凝土溫度越低，觀測(cè)點(diǎn)溫度關(guān)系為：a點(diǎn)（23.5℃）

圖6典型點(diǎn)溫度歷程曲線

大，最大可達(dá)到3℃~4℃，后期隨時(shí)間延長溫度分布不均勻會(huì)有所緩解。而雙循環(huán)能夠明顯增加冷卻水管與混凝土之間的對(duì)流換熱作用，層面處的溫度最大值要小于單循環(huán)方式；同時(shí)，雙循環(huán)方式下混凝土內(nèi)部整體溫度分布更為均勻，可有效避免混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力的產(chǎn)生。

3.3 應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果分析

圖5所示為采用兩種不同水管埋設(shè)方式的應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果。分析可以得到，應(yīng)力集中區(qū)域主要分布在順河向中心的位置，且兩種不同水管循環(huán)的最大應(yīng)力值有明顯的不同，采用單循環(huán)和雙循環(huán)方式澆筑混凝土內(nèi)部最大應(yīng)力分別為1.6 MPa、1.38 MPa，雙循環(huán)方式要比單循環(huán)澆筑最大應(yīng)力值低約0.3 MPa~0.4 MPa。混凝土內(nèi)部應(yīng)力存在一個(gè)壓應(yīng)力逐漸向拉應(yīng)力過渡的過程，澆筑初期（約5 d時(shí)間），混凝土內(nèi)部應(yīng)力以壓應(yīng)力為主。隨著冷卻效果的逐漸顯現(xiàn)，混凝土內(nèi)部壓應(yīng)力減小，并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力[7-8]。最大應(yīng)力約發(fā)生在第二期冷卻水通水完畢時(shí)，應(yīng)力b值要大于a、c兩點(diǎn)，a點(diǎn)與c點(diǎn)應(yīng)力值較為接近，約靠近大體積混凝土中心應(yīng)力值也越高。

圖7關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

采用雙循環(huán)水管冷卻方式時(shí)，由于其進(jìn)水口和出水口位置相對(duì)較低，使得混凝土在第一期冷卻的過程中，水管進(jìn)出口區(qū)域的混凝土應(yīng)力梯度可能較大。而由圖5（b）得到，在第一期冷卻水降溫過程中，a點(diǎn)位置的拉應(yīng)力值（0.85 MPa）要大于單循環(huán)a點(diǎn)拉應(yīng)力值（0.68 MPa）。但從整個(gè)大體積混凝土降溫過程去分析，在內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)分布方面，雙循環(huán)具有更好的效果；同時(shí)，在二期冷卻結(jié)束后，采用雙循環(huán)方式的混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力值要普遍低于單循環(huán)方式，應(yīng)力分布也更均勻。

4 結(jié)語

結(jié)合工程猴山水庫壩體大體積混凝土單循環(huán)冷卻方式，提出采用雙循環(huán)的水管埋設(shè)方式，并通過熱流耦合算法對(duì)兩種不同冷卻水管埋設(shè)方式的溫度、應(yīng)力分布進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示：與單循環(huán)冷卻水管埋設(shè)方式相比，雙循環(huán)布置方式在降溫、混凝土內(nèi)部溫度分布方面具有更好的效果，能夠更為有效地控制大體積混凝土內(nèi)部梯度，且降低拉應(yīng)力峰值，從而有效避免溫度裂縫的出現(xiàn)。但雙循環(huán)冷卻方式亦有一定的弊端，其可能加劇進(jìn)水口混凝土溫度梯度過大，需要在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)冷卻水溫加以嚴(yán)格控制。

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TV52

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1673-9000（2017）03-0119-02

2017-02-16

常世華（1974-），男，遼寧綏中人，工程師，主要從事水利工程建設(shè)與管理工作。