泵站進水流道混凝土施工期溫控防裂研究

陸銀軍，曹邱林，張 揚，陳 蕾，馬永法

(1．江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州225009;2．揚州大學 水利科學與工程學院，江蘇 揚州225009)

泵站承擔著農田灌溉、城市供水、跨區(qū)域調水及區(qū)域排澇等多項重要任務．我國目前擁有的泵站達50萬座，居世界首位．根據(jù)近年湖北省41座大型泵站的調查結果，約60%的泵站存在流道裂縫［1－2］，江蘇和山東兩省在建和已建的泵站流道中也發(fā)現(xiàn)了很多裂縫［3］．流道裂縫的存在和發(fā)展，不僅影響泵站結構的外觀、削弱其承載力，還會帶來滲漏、鋼筋銹蝕、保護層剝落、混凝土碳化加快等一系列問題［4］．因此，如何防止此類結構裂縫的形成和發(fā)展成為建設、設計和施工方都極為關注的問題，也是多年來學術界研究的熱點．

本文結合南水北調洪澤站工程，借助于有限單元法［5］，對復雜泵站結構進行建模，并精確模擬進水流道分塊、分層施工過程，研究在當?shù)貧鉁?、混凝土性能、自生體積變形、地基材料體特性、當?shù)氐叵滤疁氐纫蛩氐挠绊懴拢谜局庑芜M水流道混凝土在施工期溫度場和應力場的變化規(guī)律，提出合理、可行的溫控手段以降低溫度峰值、減小內外溫差、控制溫降速率、減小高溫天氣及材料性能的不利影響，預防高溫期施工條件下進水流道裂縫的產生．

1 泵站結構基本資料

洪澤泵站布置在洪澤湖大堤后，下部為塊基型結構，上部為排架結構，站內共5臺機組，其進水流道采用肘形結構．底板分為2塊:兩孔一聯(lián)與三孔一聯(lián)，已于2011年6月初全部澆筑完畢．進水流道初步擬定在7—8月高溫季節(jié)澆筑．本文以三孔一聯(lián)機組段為研究對象，模擬進水流道混凝土溫度場及應力場在施工期動態(tài)變化的過程．根據(jù)當?shù)囟嗄昶骄鶜鉁刭Y料，計算時日均氣溫擬合為其中:t為月份．

泵站主體結構采用C25混凝土澆筑，地基為土基，C25混凝土的導溫系數(shù)為0．005 17 m2/h，導熱系數(shù)為7．53 kJ/(m·h·℃)，熱線脹系數(shù)為9．5×10－6/℃，彈性模量為35 GPa，絕熱溫升表達式θ=49．0×(1－exp(－0．367×τ2．75))℃．

三聯(lián)孔底板已在2011年6月11日澆筑完畢，進水流道芯墻混凝土于6月下旬澆筑完畢，進水流道其他部分初步擬定在8月中旬澆筑．

2 計算模型

考慮到泵站三孔一聯(lián)流道結構的對稱性，取1．5個機組段建立有限元模型．在網格剖分時采用空間六面體和五面體等參元模型．計算網格的節(jié)點和單元總數(shù)分別為48 897和40 217個，計算網格詳見圖1．

計算域中地基底面及四周側面取為絕熱邊界，混凝土結構的對稱面為絕熱邊界，其他為第三類熱交換邊界．應力場計算時，地基底面視為固定，四周側面取法向連桿支撐;結構的對稱面施加法向約束，其他邊界面均為自由變形面．

計算成果分析時考察特征剖面4個、特征點2個，特征剖面位置見圖2，特征點在中墩墻位于空箱部位的中下部，特征點1是表面點，特征點2是內部點．特征點和特征剖面的選擇依據(jù)是計算結果中溫度較高區(qū)域或應力較大的易裂區(qū)域［6］．

圖2 特征截面位置示意Fig．2 Schematic diagram of characteristic sections'position

3 數(shù)值仿真條件及計算結果

無水管冷卻時，澆筑溫度為32℃，進水流道肘部采用2．5 cm厚木模板，其他部位用1．8 cm的竹膠模板．齡期10 d拆模，拆模后無保溫措施．

圖3為整個仿真過程中各特征斷面的溫度包絡圖．由圖3可見，三聯(lián)孔進水流道結構大部分區(qū)域的溫度峰值在65℃左右，少數(shù)高溫區(qū)的溫度峰值在70～76℃．高溫區(qū)主要分布在:①邊墩和中墩靠近C20芯墻部位;②進水流道肘部．究其原因在于，靠近芯墻處的墩墻逐漸變厚，該處混凝土尺寸較大，加之流道空腔散熱性差，因此，該區(qū)域的溫度峰值也較其他區(qū)域高，依據(jù)以往類似工程經驗，這些部位有必要采取水管冷卻的措施，減小溫升幅度，以降低混凝土內部最高溫度，預防混凝土開裂．

垂直水流方向的墩墻，越靠近底板，齡期前10 d的應力峰值越大．其中，中墩墻靠底板區(qū)域及中墩墻變厚區(qū)域的應力峰值遠遠大于邊墩墻相同部位，造成這一現(xiàn)象的主要原因在于，中墩受到的來自周圍結構(主要是底板和橫河向墩墻)的約束比邊墩多，相應地受到周圍結構給予的拉應力也較多．所以，在相同情況下，應加強中墩變厚處、中墩空箱部分的防裂措施．

圖4為進水流道各特征斷面齡期前10 d和20 d的第一主應力包絡圖．可見:整個中墩截面在齡期10～20 d間的應力增長速度較快，大部分區(qū)域的拉應力超過了混凝土的抗拉強度，如進水流道墩墻前半部分、中墩空箱處、中墩后半部分區(qū)域等．因此，有必要在順水流方向的墩墻和橫河向墩墻及流道肘部采用水管冷卻的溫控防裂措施．

圖3 進水流道溫度包絡圖Fig．3 Temperature envelope diagram of the inlet

圖4 進水流道前10 d和20 d齡期特征斷面應力包絡圖(單位:MPa)Fig．4 Stress envelope diagram of the inlet's characteristic sections in the first 10 and 20 days(unit:MPa)

為了對結構的溫度及應力水平進行詳細考察，選取了應力值較大的處于空箱部位中墩墻的表面點1和內部點2，給出了它們30d齡期的溫度與應力歷時曲線(見圖5)．由圖5可明顯看出:表面點1在齡期1．5 d達到溫度峰值54．4℃，內部點2在1．75 d達最高溫度60．8℃，該部位在齡期2 d時，內外溫差最大，為8．9℃．

圖5 特征點的溫度歷時曲線和應力歷時曲線Fig．5 Time-history curves of temperature and stress at points 1 and 2

由圖5(b)可見:盡管內外溫差不大，但由于混凝土材料化學反應劇烈，溫升迅速，表面點1的拉應力在齡期前3 d就一直接近甚至超過了抗拉強度．因此，結合圖5(a)中的溫度歷時曲線，有必要添加適量的緩凝劑，以推遲水化反應時間，為溫控削峰、減小內外溫差爭取時間．而內部點2在齡期10 d以后，拉應力超過抗拉強度，說明該部位的混凝土在溫降階段非常容易開裂，一旦開裂，很可能發(fā)展成貫穿性裂縫．因此，對于這種化學反應劇烈、溫升快且在高溫季節(jié)澆筑的流道內部混凝土，必須采用內部通水冷卻與加強表面保溫相結合的措施來減小內外溫差，降低混凝土內部混凝土的應力水平．

4 結語

泵站的肘形進水流道是常見的易裂區(qū)域，通過對洪澤泵站工程進水流道施工期溫度場及應力場進行仿真計算及結果分析，同時結合類似工程經驗，認為需要采取以下溫控措施來預防施工期混凝土開裂:控制澆筑溫度在28℃以內，同時采用塑料管冷卻及拆模后的表面保溫措施．冷卻水采用當?shù)厣罹瑵仓跏紩r刻開始通水，混凝土齡期2 d時結束通水，冷卻水管流量控制在流量3～6 m3/h;混凝土表面拆模后立即貼2 cm厚的聚乙烯苯板，保溫材料到第2年3月底拆除．實際施工結果表明，該措施防裂效果顯著，肘形進水流道澆筑至今未發(fā)現(xiàn)貫穿性裂縫．

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