大體積混凝土冷卻水管優(yōu)化研究

陳渴鑫 田 斌 陳博夫 陳玉璽

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北宜昌 443002;2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,南京 210098)

1 工程概況

水庫工程位于貴州省開陽縣龍崗鎮(zhèn)小谷光村境內(nèi),為烏江三級支流三岔河的中下游,工程規(guī)模為中型,工程等級為Ⅲ等.擋水建筑物為拋物線型雙曲混凝土常態(tài)混凝土拱壩,壩軸線總長203.47 m,大壩主體材料采用三級配C9020常態(tài)混凝土,壩頂高程1 065 m,大壩基礎(chǔ)高程990 m,最大壩高75 m,寬高比2.72.壩頂寬度5 m,拱冠梁底厚度15.2 m,厚高比0.203.

根據(jù)施工進(jìn)度計劃安排,澆筑從第1年的12月底到第3年的10月底完成,總澆筑量大約為10萬m3,月最大澆筑量為8 400 m3,最大倉面寬度5 m,厚度3 m,由于其結(jié)構(gòu)斷面大而厚,依靠表面能量逸散降溫過程緩慢,難以滿足施工要求;工程所在區(qū)氣候溫和,冬暖夏熱,新混凝土在澆筑過程中的溫度回升,與當(dāng)時的日照條件、氣溫條件密切相關(guān),導(dǎo)致新澆的混凝土散熱更加緩慢,溫度控制難度較高.本工程要求澆筑區(qū)塊上下層混凝土允許溫差按17℃控制,難以在規(guī)定工期內(nèi)完成澆筑任務(wù).由于水泥材料的水化特性,水化熱成為混凝土施工中不可避免的問題,同時溫度的升高將引起混凝土局部應(yīng)力,進(jìn)而可能造成開裂等問題[1].所以考慮在混凝土內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管來進(jìn)行物理降溫,達(dá)到混凝土降溫的目的.

大體積混凝土拱壩施工期冷卻水管通水冷卻的溫度場影響因素有很多,如冷卻水管的布置方式、通水溫度和通水時間等對拱壩冷卻效果有顯著的影響,但冷卻水管布置過多,會導(dǎo)致壩體的結(jié)構(gòu)不完整,布置偏少又不會起到對壩體內(nèi)部混凝土降溫的目的,因此在選擇水管冷卻方式時應(yīng)做具體分析[2].基于這些不同因素組合,對不同制冷設(shè)備、施工進(jìn)度、經(jīng)濟效益等方案進(jìn)行逐一對比,從中選取較為良好的方案,可以大大優(yōu)化施工期間初期冷卻降溫效率,從而精簡技術(shù)施工成本,為大體積混凝土壩高效、經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)施工提供可靠的保障.

2 計算原理與方法

2.1 理論計算

冷卻水與混凝土之間的熱交換涉及到熱傳導(dǎo)、熱傳輸和流體動力等問題,模擬水管冷卻效果的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確界定包含各因素的冷卻水與混凝土沿程換熱多少[3],目前廣泛采用Newton冷卻定律計算冷卻水與混凝土之間對流換熱[4],即

式中,Q為傳遞到冷卻水中的熱流,A為混凝土和冷卻水之間的接觸面積,Tc為混凝土表面溫度,Tw為冷卻水溫度,h為等效換熱系數(shù),通常包含冷卻水流動狀態(tài)、管徑、管壁粗糙度、混凝土導(dǎo)熱性等多種因素的影響[5].

本文研究的是等間距埋設(shè)人工冷卻水管的冷卻問題.可以將水管簡化成n個長度為l i的空心圓柱體的冷卻問題.可描述為:

式中,c為冷卻水管的內(nèi)徑;b為冷卻水管的外徑;a為混凝土的導(dǎo)溫系數(shù);θ0為混凝土的初溫;θlw(t,l i)為t時間管長為l i處的水溫.

2.2 判斷冷卻水管是否穿過網(wǎng)格單元的方法

依據(jù)現(xiàn)有的理論上嚴(yán)密的計算方法[6],將單元分解為6個面,每個面上有4個點,再將其拆分成2個三角形,取該三角形△ABC的法向量n(n1,n2,n3),將水管簡化為直線L(l1,l2,l3).如圖1所示.

圖1 冷卻水管穿過單元示意圖

將直線方程寫成參數(shù)方程形式,即有

將平面方程寫成點法式方程形式,即有

則直線與平面的交點一定滿足式(3)和(4),聯(lián)立兩式,求得:如果式(5)中分母為0,則表示直線與平面平行,即直線與平面沒有交點.求解出t后,然后將t代入式(1)即可求得交點O的坐標(biāo)異號,則說明點O在三角形ABC內(nèi)部.即水管穿過該單元.

3 冷卻水管的溫控效果和布置方案優(yōu)化研究

3.1 計算模型

由于在構(gòu)建模型時,水管的斷面面積遠(yuǎn)小于壩體的斷面面積,所以需要將壩體進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格劃分,共32 627個網(wǎng)格,采用8節(jié)點6面體單元.以該壩某壩段為研究對象,模擬橫縫灌漿、跳倉等影響.考慮到主要研究基礎(chǔ)溫差、上下層溫差和內(nèi)外溫差的問題,選取24 m高壩段作為研究對象,如圖2所示.

圖2 有限元模型及水管布置情況

3.2 方案比較

結(jié)合拱壩典型澆筑塊進(jìn)行冷卻水管的敏感性分析,分別對水管排布、不同通水溫度、不同通水時間和不同通水流速的冷卻效果設(shè)計不同方案進(jìn)行比較,溫度歷程曲線取壩高4.5 m處中心點與表面點進(jìn)行分析,該高程為強約束區(qū),如果強約束區(qū)的溫度滿足要求,那么整個拱壩也滿足要求,方案見表1.

表1 不同水管冷卻方案

3.3施工期溫度場仿真分析成果

采用上述計算條件分別進(jìn)行了多種不同水管布置方案的計算.根據(jù)計算結(jié)果繪制出澆筑完成時刻溫度場分布、各高程特征點的溫度歷程曲線以及內(nèi)外溫差歷程曲線.

由圖3～5可知:通水溫度越高,混凝土內(nèi)部高溫的區(qū)域越大;混凝土內(nèi)部溫度隨通水溫度的降低而降低,外表面溫度基本一致,以至混凝土內(nèi)外溫差隨通水溫度的降低而升高.以此得出通水溫度越低更有利于降低混凝土的內(nèi)部溫度,從而降低大體積混凝土內(nèi)部溫度.

圖3 不同通水溫度的溫度云圖

由圖6～8可知:通水時間越長,混凝土內(nèi)部的高溫區(qū)域越小,混凝土的內(nèi)部溫度越低,外表面溫度基本一致,以至混凝土內(nèi)外溫差隨通水溫度的降低而升高,以此得出通水時間越長更有利于降低混凝土的內(nèi)部溫度,從而降低大體積混凝土內(nèi)部溫度.

圖6 不同通水時間的溫度云圖

圖7 方案4、1、5中心點與表面點溫度歷程圖

由圖9～11可知:水管間距越大,混凝土內(nèi)部高溫的區(qū)域越大;混凝土內(nèi)部溫度隨著水管間距的增大而增大,由于外表面溫度一致,從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)外溫差也隨著水管間距的增大而增大.

圖8 方案4、1、5中心點與表面點溫差歷程圖

圖9 不同水管間距的溫度云圖

圖10 方案1、6中心點與表面點溫度歷程圖

圖11 方案1、6中心點與表面點溫差歷程圖

綜上所述:冷卻水溫越低越有利于加快混凝土內(nèi)部溫度釋放的速度;通水時間越長越有利于降低混凝土內(nèi)部溫度;水管間距越小越有利于混凝土內(nèi)部釋放溫度.通水溫度越低、通水時間越長以及水管間距越小越有利于降低混凝土內(nèi)部溫度.對于通水溫度對比,3種方案下中心點溫度、內(nèi)外溫差較為明顯,故選擇最小值方案(方案1)能夠更好地達(dá)到降溫效果;對于通水時間對比,3種方案下中心點最高溫度、內(nèi)外溫差差別不大,故選擇中間值方案(方案1)即可達(dá)到降溫效果,以及經(jīng)濟最優(yōu);對于水管間距對比,兩種方案下中心點溫度、內(nèi)外溫差差距較大,故選擇最小值方案(方案1)可以更好的降低混凝土內(nèi)部溫度.由此可見,方案1降溫最為明顯、經(jīng)濟最優(yōu)、布設(shè)簡單.所以最優(yōu)方案為通水溫度10℃、通水時間20 d、水管間距1.5 m×1.5 m.

4 結(jié) 論

本文運用數(shù)值方法計算分析了不同通水時間、不同冷卻水溫以及不同水管間距對混凝土冷卻效果的影響.根據(jù)各影響因素分析,得出結(jié)論如下:

1)將水管劃分成水管單元,采用沿程分段積分的方法,計算精度得到了提高,能夠更為真實的反應(yīng)冷卻效果.

2)冷卻水溫越低越有利于加快混凝土內(nèi)部溫度釋放的速度;通水時間越長越有利于降低混凝土內(nèi)部溫度,但考慮到經(jīng)濟效益的影響,可以適當(dāng)?shù)目s短通水時間;水管間距越小越有利于混凝土內(nèi)部釋放溫度.又由于表面點溫度幾乎一致,故冷卻水管各參數(shù)對混凝土內(nèi)外溫差有顯著影響,對于大體積混凝土應(yīng)合理選擇冷卻方案,從而節(jié)約成本,提升經(jīng)濟效益.

3)工程位于西南山區(qū),晝夜溫差大,氣候反復(fù)無常,因此可為其他類似工程的冷卻方案提供參考.