混凝土冷卻水管布置形式優(yōu)化分析

任喜平 李虎子 焦 雄

(陜西引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710024)

在大體積混凝土工程建設(shè)發(fā)展過(guò)程中，對(duì)常態(tài)混凝土施工過(guò)程中的溫控方案、防裂措施的研究較多，各種措施在工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，敷設(shè)水管通入制冷水降溫的措施在各類(lèi)型的常態(tài)混凝土壩體工程建設(shè)中得到普遍采用。而碾壓混凝土大壩具有節(jié)約水泥、施工快、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在水利工程建設(shè)中被廣泛應(yīng)用。由已建碾壓混凝土大壩的案例可知，因其施工工序和混凝土配合比的特殊性，混凝土的抗剪和早期抗拉強(qiáng)度都較小，在施工期由于混凝土自身的溫度應(yīng)力導(dǎo)致壩體出現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象較多，尤其對(duì)于壩體一些關(guān)鍵部位產(chǎn)生的裂縫，對(duì)大壩的施工過(guò)程和使用功能產(chǎn)生了很大影響，還會(huì)影響到壩體下一階段施工安排，對(duì)后期大壩的安全和穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的隱患。所以，在碾壓混凝土大壩施工過(guò)程中采取合理的溫控措施十分必要，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)踐過(guò)程的不斷總結(jié)，通過(guò)有限元法仿真模擬，在碾壓混凝土施工過(guò)程中參考常態(tài)混凝土溫控措施，經(jīng)過(guò)取長(zhǎng)補(bǔ)短合理的應(yīng)用，碾壓混凝土施工過(guò)程選用通水冷卻的溫控措施可達(dá)到相應(yīng)要求。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭的三河口水利樞紐是調(diào)水工程的調(diào)節(jié)中樞，具有自流供水、可逆機(jī)組抽水儲(chǔ)備水、發(fā)電等綜合效益和功能，大壩為大(2)型碾壓混凝土雙曲拱壩，河床壩段的壩體原設(shè)計(jì)高度145m，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工中根據(jù)壩基開(kāi)挖過(guò)程揭露的地質(zhì)情況抬高3.5m，實(shí)際最大壩高141.5m，壩體頂部弧長(zhǎng)369m，河床段壩體壩基37m，其余壩段均為岸坡段壩體，工程大壩主體、消力塘及導(dǎo)流洞封堵等大體積混凝土總量約為11419m3，其中碾壓混凝土約為9360m3。三河口碾壓混凝土大壩總平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 三河口大壩總平面布置圖

2 有限元計(jì)算方法

在混凝土壩仿真分析中，溫度是基本作用荷載，壩體溫度變化是一個(gè)熱傳遞問(wèn)題，用有限元法求解有下面幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：?容易適應(yīng)不規(guī)則邊界；?在溫度梯度大的地方，可局部加密網(wǎng)格；?容易與計(jì)算應(yīng)力的有限單元法程序配套，將溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和徐變變形三者統(tǒng)一在一個(gè)程序計(jì)算中。仿真應(yīng)力計(jì)算中需考慮混凝土溫度、徐變、水壓、自重、自生體積變形和干縮變形等的作用。

本文選用在大型有限元軟件ANSYS上進(jìn)行深層二次開(kāi)發(fā)的“高壩結(jié)構(gòu)施工期至運(yùn)行期全過(guò)程溫度場(chǎng)、溫度應(yīng)力場(chǎng)三維有限元仿真分析軟件”，根據(jù)本工程特點(diǎn)選用、增加、修改不同的功能模塊，縮短仿真分析周期，為施工期溫度監(jiān)測(cè)及反饋分析提供了快捷的技術(shù)支持。溫度場(chǎng)仿真分析的核心技術(shù)是通水冷卻的等效負(fù)熱源系數(shù)法和冷卻水管的精細(xì)模擬，它既能等效地考慮通水冷卻的作用、減小模型規(guī)模、提高仿真分析的效率，又能考慮不同部位混凝土的冷卻效果。應(yīng)力場(chǎng)仿真分析模塊能考慮混凝土力學(xué)性能參數(shù)隨齡期的變化、混凝土徐變、混凝土的自生體積變形等因素的影響，有多種混凝土本構(gòu)模型可供選用，如彈性模型、彈塑性模型、損傷模型、斷裂力學(xué)模型等。

對(duì)于不同施工方案和溫控方案，通過(guò)改變相應(yīng)參數(shù)，如不同混凝土膠凝材料水化熱性能、澆筑層厚度、間歇天數(shù)、冷卻水管間距、冷卻時(shí)間、冷卻水管的熱學(xué)力學(xué)參數(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)計(jì)算過(guò)程中中間結(jié)果輸出的可視化，分析校核計(jì)算結(jié)果的合理性，實(shí)現(xiàn)高壩溫度應(yīng)力仿真分析這一復(fù)雜過(guò)程的自動(dòng)化和智能化。

3 冷卻水管的溫控有限元分析

3.1 計(jì)算模型

三河口水利樞紐大壩的大部分壩體為岸坡壩段，河床壩段長(zhǎng)度較小，本文在有限元模擬仿真計(jì)算過(guò)程中選取岸坡壩段作為壩體冷卻水管布置分析的典型壩段，混凝土、壩基圍巖、冷卻水管等采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元建立三維有限元仿真空間模型，模擬過(guò)程共劃分53350個(gè)單元。岸坡壩段計(jì)算網(wǎng)格剖分見(jiàn)圖2，混凝土材料分區(qū)見(jiàn)圖3。

3.2 計(jì)算工況

結(jié)合三河口水利樞紐壩址區(qū)氣溫資料及混凝土生產(chǎn)的預(yù)冷方案，大壩混凝土壩體進(jìn)行仿真模擬計(jì)算的澆筑溫度見(jiàn)表1。

圖2 岸坡壩段計(jì)算網(wǎng)格剖分圖

圖3 混凝土材料分區(qū)

表1 用于計(jì)算的混凝土澆筑溫度

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度計(jì)劃安排壩體岸坡混凝土壩段在4月開(kāi)始澆筑，大壩河床壩段的基礎(chǔ)墊層、壩頂澆筑2.0m厚的常態(tài)混凝土，大壩碾壓混凝土在澆筑過(guò)程中采用每層厚3m的澆筑方式，每個(gè)碾壓層澆筑的間歇時(shí)間為10天?；炷恋纳a(chǎn)11月至次年3月采用自然拌和，4—10月采用制冷水和骨料預(yù)冷拌和，壩體混凝土內(nèi)部鋪設(shè)冷卻水管通過(guò)制冷水進(jìn)行降溫冷卻，布置的水管間距由1.5m×3.0m逐漸加密至1.5m×1.5m，制冷水的通水時(shí)間根據(jù)壩體溫度測(cè)量的數(shù)據(jù)和氣候條件設(shè)為15～20天，冷卻水管的通水流量為1.5m3/h，大壩常態(tài)混凝土區(qū)域采用C2825常態(tài)混凝土，碾壓混凝土區(qū)域采用C9025，大壩岸坡壩段施工溫控計(jì)算方案見(jiàn)表2，不同方案岸坡段混凝土的最大溫度云圖見(jiàn)圖4。

表2 岸坡壩段施工溫控計(jì)算方案

圖4 岸坡壩段混凝土最大溫度云圖

方案1不通水，由計(jì)算結(jié)果可知：壩體岸坡的基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)壩段防滲層的最大溫度介于31.83～37.23℃之間，壩體內(nèi)層的三級(jí)配區(qū)域混凝土最大溫度介于31.16～37.25℃之間，都不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最大溫度26℃；壩體基礎(chǔ)弱約束區(qū)防滲層最大溫度介于31.9～32.62℃之間，壩體內(nèi)層三級(jí)配區(qū)域混凝土最大溫度介于31.97～32.66℃之間，都不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最大溫度28℃。岸坡壩段的混凝土澆筑施工進(jìn)入脫離約束區(qū)階段后，壩體碾壓混凝土施工過(guò)程中的澆筑溫度、最大溫度隨月份不同不斷變化?？傮w可以看出，岸坡壩段混凝土在施工過(guò)程中的最大溫度除1月外都達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。只有通過(guò)敷設(shè)的冷卻水管進(jìn)行通水冷卻降溫，混凝土最大溫度才能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但也無(wú)法達(dá)到總進(jìn)度要求規(guī)定的時(shí)間內(nèi)接縫灌漿施工12～15℃的溫度要求，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程溫控方案不可行。

方案2布置間距1.5m×3.0m冷卻水管，由計(jì)算結(jié)果可知：壩體岸坡的基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)壩段防滲層和壩體內(nèi)層三級(jí)配區(qū)域混凝土的最大溫度各介于28.5～31.84℃和27.33～31.02℃之間，都不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最大溫度26℃； 壩體基礎(chǔ)弱約束區(qū)的上游面防滲層最大溫度介于28.44～28.89℃之間，不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最大溫度28℃，壩體內(nèi)層三級(jí)配區(qū)域的混凝土最大溫度介于27.59～28.04℃之間，接近設(shè)計(jì)要求的最大溫度28℃，脫離約束區(qū)混凝土大溫度施工過(guò)程能夠滿(mǎn)足各階段的溫度要求。

方案3布置間距1.5m×2.0m冷卻水管，由計(jì)算結(jié)果可知：壩體岸坡段基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)上游側(cè)防滲面和內(nèi)部三級(jí)配區(qū)域的最大溫度各介于27.47～30.54℃和26.45～29.82℃之間，都不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最大溫度26℃；壩體基礎(chǔ)弱約束區(qū)上游側(cè)的防滲面和內(nèi)部三級(jí)配最大溫度各介于27.42～27.82℃和26.62～27.01℃之間，都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最大溫度28℃。壩體岸坡壩段敷設(shè)間距1.5m×2.0m冷卻水管后，脫離約束區(qū)域的壩體混凝土最大溫度逐漸減小，能夠達(dá)到施工過(guò)程中各階段的溫度要求。

方案4布置間距1.5m×1.5m冷卻水管，壩體岸坡段基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)上游側(cè)防滲面和內(nèi)部三級(jí)配區(qū)域的最大溫度各介于25.72～26.8℃和24.75～26.45℃之間，最大溫度略高于設(shè)計(jì)要求的26℃，但在冷卻水管加密敷設(shè)至1.0m×1.5m后，混凝土的最高溫度能夠滿(mǎn)足要求；壩體基礎(chǔ)弱約束區(qū)上游側(cè)的防滲面和內(nèi)部三級(jí)配區(qū)域的最大溫度介于26.61～26.97℃和25.84～26.19℃之間，都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最大溫度28℃。布置間距1.5m×1.5m水管后，脫離約束區(qū)域的壩體混凝土最大溫度變小，滿(mǎn)足施工過(guò)程中各階段的溫度要求，富裕度進(jìn)一步增大。

綜上所述，碾壓混凝土拱壩澆筑過(guò)程埋設(shè)的制冷水管從1.5m×3.0m逐漸加密至1.5m×1.5m后，壩體岸坡段碾壓混凝土按照3m升層澆筑過(guò)程中基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)上游側(cè)防滲面和內(nèi)部三級(jí)配區(qū)域混凝土最大溫度略有超標(biāo)現(xiàn)象，但當(dāng)該區(qū)域壩體混凝土內(nèi)部冷卻水管加密至1.0m×1.5m后，經(jīng)復(fù)核計(jì)算混凝土最大溫度完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；岸坡壩段脫離約束區(qū)隨著壩體內(nèi)布設(shè)的冷卻水管逐步加密，混凝土的最大溫度超越程度不斷縮小，當(dāng)埋設(shè)的制冷水管逐步加密到間距1.5m×1.5m時(shí)，澆筑混凝土的最大溫度完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用三維有限元仿真模擬的方法，計(jì)算分析了秦嶺南北氣候分界區(qū)域特殊地帶碾壓混凝土拱壩澆筑過(guò)程埋設(shè)的制冷水管從1.5m×3.0m逐漸加密至1.5m×1.5m過(guò)程中壩體內(nèi)各區(qū)域的最大溫度值，從計(jì)算分析結(jié)果可以看出，大壩混凝土澆筑過(guò)程中岸坡壩段的約束區(qū)和非約束區(qū)混凝土內(nèi)部分別布置間距1.0m×1.5m和1.5m×1.5m的冷卻水管通水冷卻時(shí)，完全能使壩體混凝土最大溫度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但在通水冷卻降溫過(guò)程中，要做好大壩內(nèi)部溫度的監(jiān)測(cè)工作，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)減少通水時(shí)間，以便節(jié)省成本。壩內(nèi)冷卻水管的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)壩體碾壓混凝土溫度有著較大的影響，引漢濟(jì)渭三河口大壩大體積碾壓混凝土澆筑過(guò)程選擇更為合理的冷卻方案，能夠有效地提高經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)省成本。三河口水利樞紐位于秦嶺腹地南北氣候分界地帶，當(dāng)?shù)氐臍夂蚍磸?fù)無(wú)常、溫度變化幅度較大，對(duì)三河口大壩碾壓混凝土冷卻水管的分析研究，可為該地區(qū)類(lèi)似工程碾壓混凝土冷卻方案設(shè)計(jì)起到一定參考作用。