渦河蒙城樞紐建設(shè)工程船閘底板冬季施工溫度場(chǎng)仿真分析

陳 杰 朱明星 王旭光 魯文妍

（1.蒙城縣水利局 蒙城 233500 2.安徽省淮河河道管理局 蚌埠 233000 3.南京水利科學(xué)研究院 南京 210029）

1 工程概況

渦河蒙城樞紐建設(shè)工程船閘位于安徽省亳州市蒙城縣王集鄉(xiāng)全集村樞紐建設(shè)工程左側(cè)，為Ⅳ級(jí)船閘。閘室有效尺度為240m×23m×4.2m（長(zhǎng)×寬×門檻水深），采用整體式鋼筋混凝土倒“Π”型結(jié)構(gòu)，順?biāo)飨蚍殖?12 節(jié)，每節(jié)分縫長(zhǎng)度20m。底板總寬38.8m，厚2.8m，采用C25 混凝土澆筑。底板橫向尺寸較大，為減小沿橫向的約束，底板均設(shè)置后澆帶，分左塊、中間塊、右塊澆筑。閘室底板澆筑塊最大方量15.6×20×2.8=874m3，厚度大于1m，屬大體積混凝土。根據(jù)施工計(jì)劃，底板混凝土澆筑安排在冬季，由于大體積混凝土水化熱效應(yīng)顯著，易受環(huán)境低溫影響產(chǎn)生開裂，危害船閘結(jié)構(gòu)安全，因此必須對(duì)底板溫度進(jìn)行嚴(yán)格有效的控制。

冬季低溫環(huán)境下澆筑閘室底板等大體積混凝土，混凝土表面散熱較快，做好溫控防裂措施的關(guān)鍵在于控制混凝土降溫速率和里表溫差，可通過(guò)提高混凝土外部溫度（如覆蓋保溫層）和降低混凝土內(nèi)部溫度（如冷卻水管）實(shí)現(xiàn)。本文采用混凝土溫度場(chǎng)理論和有限元方法，集成混凝土內(nèi)部冷卻水管的牛頓冷卻方程和迭代算法，對(duì)蒙城船閘底板開展三維溫度場(chǎng)仿真分析，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)條件，以底板斷面加權(quán)平均溫度的降溫速率及里表溫差為主要控制指標(biāo)，提出一套船閘底板冬季施工溫控防裂方案，為確保工程施工質(zhì)量提供技術(shù)支撐。

2 冷卻水管的模擬

由于船閘底板體積較大，溫度峰值較高，需要布設(shè)冷卻水管。冷卻水管采用管徑32mm 的鑄鐵管，底板水管均按水平布設(shè)，單路水管的總長(zhǎng)度控制在200m 以內(nèi)。通過(guò)建立管冷單元模擬冷卻水管，在布置水管的位置處搜索依附的熱傳導(dǎo)單元結(jié)點(diǎn)，形成管冷單元，冷卻水流向與路徑指向一致，在冷卻邊界上的熱能交換滿足牛頓冷卻方程，即：

式中：hw為冷卻邊界上的放熱系數(shù)；Aw為冷卻水管表面積；為冷卻水管管壁溫度；為冷卻水溫度；D 為管徑；l 為管冷單元長(zhǎng)度；Ts,in、Ts,out分別為冷卻水管進(jìn)、出管壁溫度；Tw,in、Tw,out分別為進(jìn)、出口冷卻水溫。

式中：qcool為冷卻水帶走的熱量； Qw為冷卻水的流量；ρw為冷卻水的密度；cw為冷卻水的比熱。

根據(jù)熱能守恒原理，聯(lián)立式（1）、式（2），求解出口水溫Tw,out，即：

水管冷卻溫度場(chǎng)的迭代計(jì)算：首先采用“恒定水溫法”，即管冷單元的結(jié)點(diǎn)溫度均等于進(jìn)口處的水溫；作為求解溫度場(chǎng)的初始邊界溫度，進(jìn)而求解出混凝土水管冷卻溫度場(chǎng)；根據(jù)求解出的溫度場(chǎng)和進(jìn)口冷卻水溫，按式（3）沿程逐步計(jì)算出管冷單元結(jié)點(diǎn)的溫度，作為之后求解溫度場(chǎng)的初始邊界，依次迭代，至溫度場(chǎng)及冷卻水溫均趨于穩(wěn)定時(shí)，迭代結(jié)束，即可求解出真實(shí)的水管冷卻混凝土溫度場(chǎng)及冷卻水的沿程水溫變化規(guī)律。

3 計(jì)算模型

3.1 混凝土熱力學(xué)參數(shù)

船閘底板混凝土標(biāo)號(hào)為C25，其熱力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)混凝土配合比通過(guò)熱力學(xué)試驗(yàn)測(cè)定。熱膨脹系數(shù)采用HR-3 混凝土熱物理參數(shù)測(cè)試儀測(cè)定，水化熱測(cè)試采用TAM AIR II 熱導(dǎo)式等溫量熱儀進(jìn)行。試驗(yàn)測(cè)得絕熱溫升曲線如圖1所示，熱力學(xué)參數(shù)值見表1。

3.2 幾何模型及邊界條件

底板沿水流方向具有近似軸對(duì)稱性，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，同時(shí)也便于查看內(nèi)部溫度場(chǎng)，采用1/4 對(duì)稱模型（見圖2）進(jìn)行計(jì)算。地基均采用對(duì)稱位移邊界，計(jì)算域?qū)ΨQ面熱力學(xué)邊界為絕熱邊界。

日環(huán)境溫度采用正弦函數(shù)曲線，根據(jù)施工進(jìn)度安排和當(dāng)?shù)貧鉁?，取日環(huán)境溫度0～10℃。混凝土澆筑溫度15℃。底板側(cè)面采用2cm 厚木模板（散熱系數(shù)4.3 kcal/ m2·h·℃）。通過(guò)不斷調(diào)整底板表面散熱系數(shù)模擬不同保溫措施，確定底板頂表面散熱系數(shù)為3 kcal/ m2·h·℃（覆蓋1cm 厚工業(yè)棉被可達(dá)到）。根據(jù)計(jì)算，底板溫度在第3d 左右達(dá)到峰值，里、表各部位因散熱條件不同而略有差異，故通水時(shí)長(zhǎng)按72h 模擬。

4 溫度場(chǎng)分析

4.1 斷面加權(quán)平均溫度

冬季施工底板溫度裂縫的產(chǎn)生主要是由于溫差以及降溫收縮受到約束造成的，因此混凝土受拉破壞主要發(fā)生在降溫階段，控制溫度裂縫的關(guān)鍵是降低溫差和減小降溫速率?？刂平禍厮俾实哪康氖墙档突炷翝仓w在降溫階段因內(nèi)外約束產(chǎn)生的拉應(yīng)力，所以這里采用斷面加權(quán)平均溫度的降溫速率控制，以避免采用局部點(diǎn)降溫速率控制產(chǎn)生過(guò)于嚴(yán)格的效果。其中斷面加權(quán)溫度Tmean指根據(jù)圖3各溫度測(cè)點(diǎn)代表區(qū)段長(zhǎng)度占厚度權(quán)值，對(duì)各測(cè)點(diǎn)溫度進(jìn)行加權(quán)平均得到的值，計(jì)算公式如下：

表1 材料熱力學(xué)參數(shù)表

表2 底板溫度場(chǎng)特征值表

4.2 溫度場(chǎng)特征值

通過(guò)計(jì)算獲得閘室底板溫度場(chǎng)，溫度特征值統(tǒng)計(jì)見表2。由表2可知，底板最高溫度為61.85℃，小于70 ℃；混凝土最大溫升為46.85 ℃，小于50℃；里表最大溫差24.40℃，小于25℃；斷面加權(quán)平均溫度降溫速率為1.94℃/d，小于2℃/d。表明該方案各項(xiàng)溫度指標(biāo)滿足規(guī)范要求。為了便于規(guī)律性分析，表2中在給出斷面加權(quán)平均溫度降溫速率的同時(shí)，給出了表、中、底各部分的降溫速率。

4.3 溫度場(chǎng)分布規(guī)律

船閘底板溫度包絡(luò)云圖見圖4。表面溫度峰值為42.80℃，內(nèi)部溫度峰值為61.85℃?？梢姳砻鏈囟认鄬?duì)較低，底板內(nèi)部因散熱差溫度較高，冷卻水管附近溫度有明顯降低。

底板溫度表面、內(nèi)部、底部特征點(diǎn)時(shí)程對(duì)比曲線見圖5。可以看出：表面最先達(dá)到溫度峰值（約48h），且降溫速率最大（表面最大降溫速率3.80℃/d），這是由于表面散熱條件好，水化熱產(chǎn)熱速率先升后降，一旦水化熱產(chǎn)熱速率和表面散熱速率相等，表面即達(dá)到溫度峰值，隨著水化熱產(chǎn)熱速率的繼續(xù)降低，表面開始快速降溫。內(nèi)部在54h 左右達(dá)到溫度峰值，溫度峰值高于表面，降溫速率略低（內(nèi)部最大降溫速率2.30℃/d），這是由于內(nèi)部散熱條件差，溫升階段水化產(chǎn)熱量與散熱量差值大，造成較高的溫度峰值；底板內(nèi)部散熱速率低，當(dāng)表面達(dá)到溫度峰值時(shí)，底板內(nèi)部產(chǎn)熱速率仍然大于散熱速率，仍處于溫升階段，較高的峰值加大了內(nèi)部降溫絕對(duì)值，但由于散熱速率低，導(dǎo)致內(nèi)部降溫速率仍低于表面。底部因不斷向附近地基傳熱，溫升緩慢，在表面和內(nèi)部已達(dá)峰值開始降溫時(shí)仍在緩慢升溫。

圖1 混凝土絕熱溫升曲線圖

圖2 船閘底板溫度場(chǎng)仿真模型圖

圖3 斷面加權(quán)平均溫度取點(diǎn)示意圖

圖4 船閘底板溫度包絡(luò)云圖

圖5 船閘底板特征點(diǎn)時(shí)程曲線圖

綜上，船閘底板表面最先達(dá)到溫度峰值（約48h），中部次之（約54h），底部最后（溫度峰值較低，溫升較慢）。在表面溫升階段（約澆筑后48h 內(nèi)）采取冷卻水管通水降溫的同時(shí)頂部保溫措施應(yīng)稍緩（如僅覆蓋一層土工布保濕），有利于初期混凝土水化熱的散失，從而降低溫度峰值；一旦降溫開始（澆筑后48h 左右，具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定），則需停止冷卻水降溫，同時(shí)注意采取棉被覆蓋等加強(qiáng)表面保溫，減小內(nèi)外溫差導(dǎo)致的溫度應(yīng)力。

4.4 現(xiàn)場(chǎng)溫控情況

仿真結(jié)果表明，底板側(cè)面采用2cm 厚木模板，前期采取通水冷卻、頂表覆蓋土工布保濕，當(dāng)?shù)装鍧仓?8h 左右底板頂部覆蓋1cm 厚工業(yè)棉被保溫，底板溫度指標(biāo)可滿足規(guī)范要求。

蒙城船閘底板施工時(shí)，施工方采用了該保溫降溫方案，早期通水冷卻、覆蓋土工布保濕，降溫期（約48h 左右，具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)控制）采取頂部覆蓋工業(yè)棉被保溫等措施，并及時(shí)調(diào)整管冷通水強(qiáng)度，有效控制了混凝土澆筑溫度指標(biāo)。目前最后一塊底板已澆筑完成，外觀整體良好，未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫。

5 結(jié)語(yǔ)

船閘底板屬大體積混凝土，在冬季施工時(shí)易受環(huán)境低溫影響產(chǎn)生開裂，為減少溫度裂縫的產(chǎn)生，確保工程質(zhì)量，本文采用混凝土溫度場(chǎng)理論和有限元方法，集成混凝土內(nèi)部冷卻水管的牛頓冷卻方程和迭代算法，對(duì)蒙城船閘底板開展三維溫度場(chǎng)仿真分析，提出底板側(cè)面采用2cm 厚木模板，前期采取通水冷卻、頂表覆蓋土工布保濕，當(dāng)?shù)装鍧仓?8h左右降溫階段停止通水冷卻、頂部覆蓋1cm 厚工業(yè)棉被保溫的溫控實(shí)施方案。該方案經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施取得了較好的防裂效果，表明本文的研究方法是正確的、提出的保溫降溫方案是有效、合理的，可為類似工程冬季施工提供參考■