嚴(yán)寒地區(qū)某水利工程過(guò)水孔防冷激處理研究

于可忱

1 工程概況

某水利樞紐工程位于嚴(yán)寒地區(qū)，氣候條件惡劣，夏季酷熱，多風(fēng)少雨，蒸發(fā)量極大，冬季嚴(yán)寒。經(jīng)計(jì)算，庫(kù)底水溫度較低，又因?yàn)閴误w采用上下游噴涂聚氨酯保溫，壩體溫度難以散發(fā)出去，造成壩體長(zhǎng)期處于高溫區(qū)，相應(yīng)的底孔及引水鋼管過(guò)流時(shí)，低溫庫(kù)水與高溫壩體溫差大，極易引起冷激問(wèn)題，使得壩體產(chǎn)生過(guò)大溫度應(yīng)力，超過(guò)壩體混凝土抗拉強(qiáng)度，產(chǎn)生裂縫。本文對(duì)碾壓混凝土大壩過(guò)流孔洞進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并提出了適合本工程合理設(shè)計(jì)方案，在保證大壩質(zhì)量的情況下，節(jié)約投資，方便施工。

2 過(guò)流孔洞設(shè)計(jì)

2.1 壩體過(guò)流冷激問(wèn)題及防范設(shè)計(jì)

嚴(yán)寒地區(qū)混凝土壩體設(shè)置過(guò)流孔洞時(shí)，由于壩體混凝土溫度高，而水流溫度相對(duì)較低，造成混凝土內(nèi)外溫差過(guò)大，混凝土在溫度荷載的作用下產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致壩體混凝土出現(xiàn)環(huán)狀裂縫；如果裂至廊道部位，水流將會(huì)沿著裂縫進(jìn)入壩體，造成壩體滲漏，壩體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，極易出現(xiàn)漏壩、塌壩事故，危及整個(gè)工程安全。

因此，在過(guò)流孔洞設(shè)計(jì)時(shí)，采用如下設(shè)計(jì)方案：孔壁迎水面采用鋼板護(hù)襯，鋼板壁厚6 mm，采用10 cm肋板加固。鋼板背水側(cè)噴涂硬質(zhì)聚氨酯泡沫5 cm作為保溫隔熱材料。

2.2 壩體溫度場(chǎng)

樞紐工程大壩碾壓混凝土溫控設(shè)計(jì)采用上游面噴涂10 cm聚氨酯、下游采用8 cm聚氨酯進(jìn)行壩體保溫。因?yàn)楸貙与S著壩體澆筑升高同時(shí)施工，造成壩體混凝土內(nèi)部溫度散熱途徑只有層面及冷卻水降溫，散熱效率極低，造成混凝土壩內(nèi)部溫度過(guò)高。山口電站地理位置與本工程氣候條件相近，采用保溫設(shè)計(jì)，運(yùn)行4年后，實(shí)測(cè)壩體內(nèi)部溫度22℃左右。本樞紐工程經(jīng)過(guò)壩體溫度場(chǎng)計(jì)算，大壩建成后壩體溫度場(chǎng)如圖1所示。

圖1 壩體建成后溫度場(chǎng)（單位：℃）

2.3 庫(kù)水溫計(jì)算

壩址工程區(qū)最高氣溫40.9℃，最低氣溫-42.0℃，最大溫差達(dá)到82.9℃；月平均氣溫分布不均，1月份月平均氣溫最低-15.3℃，7月份月平均氣溫最高20.2℃，相差較大。蒸發(fā)量多年平均1 571.8 mm；最大風(fēng)速17.3 m/s，凍土最大深度239 cm。

經(jīng)計(jì)算，庫(kù)水溫沿水深分布見表1。

表1 庫(kù)水溫垂直分布表

2.4 孔洞周圍溫度應(yīng)力計(jì)算

2.4.1 溫度應(yīng)力控制

允許拉應(yīng)力計(jì)算公式為：[σ]=Eεt/K，E為混凝土彈性模量，εt為極限拉伸，K為安全系數(shù)。E和εt都與混凝土齡期有關(guān)，對(duì)于后期混凝土均按齡期90 d計(jì)算，取K=1.4。常態(tài)混凝土極限拉伸值取0.85×10-4，碾壓混凝土極限拉伸值取0.7×10-4。

C25常態(tài)混凝土允許拉應(yīng)力為：

2.4.2 計(jì)算邊界條件

計(jì)算選用有限元分析軟件ANSYS，進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，計(jì)算壩體過(guò)流孔洞受過(guò)流冷激的影響?？變?nèi)過(guò)水溫度取5.0℃，壩體內(nèi)部溫度取30.0℃，則溫差為25.0℃。

建立孔洞的三維有限元模型，為避免周邊約束對(duì)孔洞計(jì)算結(jié)果的影響，邊界左右兩側(cè)采用水平向約束，上下兩側(cè)采用鉛垂向約束。

2.4.2.1 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型中，孔洞周圍混凝土強(qiáng)度標(biāo)號(hào)C25，主要物理力學(xué)參數(shù)值見表2，水、混凝土主要熱力學(xué)參數(shù)值見表3，聚氨酯硬質(zhì)泡沫材料參數(shù)值見表4。

表2 C25混凝材料主要物理力學(xué)參數(shù)值

表3 水、混凝土主要熱力學(xué)參數(shù)值表

表4 聚氨酯硬質(zhì)泡沫材料參數(shù)值表

2.4.2.2 計(jì)算工況及結(jié)果

為研究過(guò)水孔洞受過(guò)水冷激溫度應(yīng)力分布，按不噴涂隔熱材料和噴涂隔熱材料分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：

（1）不噴涂隔熱材料。應(yīng)力主要由溫度場(chǎng)通水后降低產(chǎn)生，溫度相差越大，通水時(shí)溫度場(chǎng)變化產(chǎn)生的應(yīng)力也越大。從表5可見，孔洞周圍混凝土在通水時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的溫降荷載及環(huán)向應(yīng)力，結(jié)構(gòu)全斷面受拉且超過(guò)混凝土溫度應(yīng)力允許值應(yīng)力。

（2）噴涂隔熱材料。隔熱材料會(huì)阻止熱量傳遞，隔絕過(guò)流冷水與混凝土，不會(huì)產(chǎn)生較大的溫降荷載，環(huán)向應(yīng)力在混凝土允許溫度應(yīng)力內(nèi)。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表5，環(huán)向應(yīng)力如圖2所示。

表5 環(huán)向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表 MPa

圖2 環(huán)向應(yīng)力圖（噴涂隔熱材料；單位：Pa）

3 工程應(yīng)用

3.1 導(dǎo)流底孔冷激產(chǎn)生裂縫

樞紐工程采用河床分期導(dǎo)流，壩體設(shè)置導(dǎo)流底孔過(guò)流后期封堵，導(dǎo)流底孔體型圖如圖3所示。

圖3 導(dǎo)流底孔體型圖

施工期導(dǎo)流底孔模板拆除后，在拆模完成后8#壩段左側(cè)墻面發(fā)現(xiàn)1條豎向裂縫，右側(cè)墻面發(fā)現(xiàn)5條豎向裂縫；9月9日，右側(cè)墻面發(fā)展為15條（14條為豎向裂縫，1條為壩下游層間裂縫）。裂縫深度測(cè)試經(jīng)過(guò)取芯30 cm深度進(jìn)行查看，個(gè)別深度超過(guò)30 cm，后續(xù)未繼續(xù)進(jìn)行裂縫深度檢測(cè)。后續(xù)在導(dǎo)流底孔左邊墻973.5 m高程澆筑面發(fā)現(xiàn)5條裂縫，右邊墻發(fā)現(xiàn)5條裂縫；導(dǎo)流底孔地面發(fā)現(xiàn)9條裂縫。

3.2 永久底孔處理

根據(jù)計(jì)算結(jié)果及8#導(dǎo)流底孔出現(xiàn)的裂縫情況，對(duì)10#壩段永久底孔采用保溫設(shè)計(jì)，體型如圖4所示。

圖4 導(dǎo)流底孔永久保溫模板示意圖

施工期采用圖4的永久模板，后期不拆除，作為抗沖耐磨鋼襯材料，經(jīng)后期埋設(shè)的溫度計(jì)及應(yīng)力應(yīng)變計(jì)檢測(cè)結(jié)果顯示。永久底孔周邊混凝土溫度不隨外界氣溫的變化而變化，溫度應(yīng)力遠(yuǎn)低于混凝土本身的抗拉強(qiáng)度，永久底孔無(wú)裂縫產(chǎn)生。

4 結(jié)論及建議

通過(guò)熱-結(jié)構(gòu)耦合方式，計(jì)算出嚴(yán)寒地區(qū)過(guò)流孔洞過(guò)流冷激時(shí)，不噴涂隔熱材料時(shí)，運(yùn)行期過(guò)流孔洞內(nèi)外側(cè)因混凝土溫度與通水溫度之間溫差，產(chǎn)生超過(guò)混凝土允許的溫度拉應(yīng)力，極易造成裂縫。噴涂隔熱材料后，能有效阻止熱量傳遞，產(chǎn)生較小的環(huán)向應(yīng)力，保證了工程的安全運(yùn)行，對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)同類工程設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。