卡洛特水電站引水系統(tǒng)流道混凝土溫控防裂研究

袁葳　李嬌娜　岳朝俊

摘要：大型水電站引水系統(tǒng)流道結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，施工程序繁多，施工期流道混凝土開裂問題尤為突出。基于卡洛特水電站引水系統(tǒng)流道結(jié)構(gòu)，采用有限單元法開展了混凝土施工期溫度和溫度應(yīng)力仿真分析，主要對外界氣溫、流道厚度尺寸、分縫長度、澆筑溫度等進(jìn)行了對比計(jì)算，分析了進(jìn)水口流道混凝土的易裂部位及裂縫產(chǎn)生的主要影響因素。在此基礎(chǔ)上提出了流道混凝土溫控防裂措施。

關(guān)鍵詞：流道混凝土; 溫度應(yīng)力; 溫控防裂措施; 有限元法; 卡洛特水電站

中圖法分類號： TV315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.026

0引 言

巴基斯坦吉拉姆河目前規(guī)劃有5個梯級水電站，卡洛特水電站是其中第4個梯級。該工程以發(fā)電為主要任務(wù)，布置于吉拉姆河右岸河灣的引水發(fā)電建筑物由進(jìn)水口、4條引水隧洞、地面廠房、尾水渠以及升壓站等主要建筑物組成。其中，4條單機(jī)單洞引水隧洞長度約為303～330 m，洞軸線相互平行，間距27 m，平面上采用直線-弧線-直線布置，立面上依次由上斜段、上彎段、斜直段、下彎段和下平段組成。隧洞洞徑下平段前為9.6 m，下平段漸變至7.9 m，與機(jī)組蝸殼相接[1-2]。

對于引水隧洞流道混凝土，由于混凝土結(jié)構(gòu)異形，約束強(qiáng)烈，最高溫度若得不到有效控制，極易產(chǎn)生裂縫。裂縫一旦發(fā)生，極易造成構(gòu)件內(nèi)部鋼筋銹蝕，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)耐久性，縮短結(jié)構(gòu)正常使用的壽命。特別是對于各類流道混凝土，在水流不斷沖蝕影響下，會加速結(jié)構(gòu)老化破壞，危害結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全。

目前，有關(guān)隧洞混凝土裂縫成因及防裂措施研究已有不少成果[3-8]，如劉強(qiáng)等[3]采用DTSSA軟件對溪洛渡水電站泄洪洞襯砌進(jìn)行仿真分析，提出了預(yù)冷溫控、冷卻水管等溫控措施指導(dǎo)現(xiàn)場施工;司政等[4]提出了采用低熱混凝土、表面保溫及降低澆筑溫度等措施可有效減少泄洪洞襯砌裂縫的出現(xiàn);段寅等[5]歸納了襯砌溫度裂縫產(chǎn)生的主要原因，提出了降低混凝土最高溫度、結(jié)構(gòu)約束等結(jié)構(gòu)抗裂措施;趙路等[7]分析了夏季施工時泄洪洞襯砌混凝土裂縫萌生、擴(kuò)展過程。

本文結(jié)合卡洛特水電站地下工程流道混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行系統(tǒng)地計(jì)算和對比分析[9-15]，分析總結(jié)影響流道襯砌混凝土施工期溫度應(yīng)力大小和影響溫度裂縫產(chǎn)生的主要因素，并研究制定合適的溫控防裂措施，有效提高地下工程抗裂安全性，提升地下工程設(shè)計(jì)的整體水平。

3流道襯砌溫度應(yīng)力主要影響因素

3.1襯砌厚度敏感性分析

為考慮不同襯砌厚度對流道襯砌結(jié)構(gòu)的影響，分別對0.6，0.8，1.0，1.2 m 4種襯砌厚度進(jìn)行敏感性分析。計(jì)算中，分縫長度取12 m，洞室溫度環(huán)境均取為25.0 ℃，地基溫度取為25.0 ℃，基礎(chǔ)圍巖彈模取為30 GPa，混凝土澆筑溫度取為22.0 ℃，無通水冷卻。

圖3～4給出襯砌厚度分別為0.8，1.0 m兩種情況下，混凝土的最高溫度和最大拉應(yīng)力分布云圖。圖5～6為襯砌厚度分別為0.6，0.8，1.0，1.2 m 4種情況下的混凝土溫度及溫度應(yīng)力歷時曲線對比。表5為不同厚度襯砌混凝土溫度及溫度應(yīng)力對比，其中，Tmax表示混凝土最高溫度峰值，σmax表示混凝土施工全過程最大拉應(yīng)力，K為混凝土抗裂安全系數(shù)，按K=εE/σ計(jì)算求得，分析表明：

（1） 圓形襯砌澆筑過程中，混凝土的最高溫度Tmax及最大拉應(yīng)力σmax均發(fā)生在襯砌內(nèi)部，拉應(yīng)力在溫度降至最低時達(dá)到最大。

（2） 圓形襯砌厚度增大，混凝土最高溫度和最大拉應(yīng)力呈現(xiàn)出明顯增大趨勢。其中，襯砌厚度在0.6～1.2 m時，厚度每增大0.1 m，最高溫度相應(yīng)增大0.6～1.4 ℃。而最高溫度每增大1.0 ℃，最大拉應(yīng)力相應(yīng)增大約0.11 MPa，應(yīng)力增幅相對較大。

（3） 襯砌厚度在0.6～0.8 m時，抗裂安全系數(shù)能達(dá)到1.85～2.33;當(dāng)襯砌厚度增大至1.0～1.2 m時，抗裂安全系數(shù)降低至1.65～1.54甚至更低，抗裂安全系數(shù)越低，開裂風(fēng)險(xiǎn)越大。此時為確保厚層襯砌結(jié)構(gòu)的抗裂安全，需要采取措施降低襯砌混凝土內(nèi)部最高溫度。

3.2分縫長度敏感性分析

為考慮不同分縫長度對流道襯砌結(jié)構(gòu)的影響，分別對6，9，12，15 m 4種分縫長度進(jìn)行敏感性分析。計(jì)算中，襯砌厚度取0.8 m;除分縫長度外其他溫控計(jì)算參數(shù)同3.1節(jié)。表6給出混凝土分縫長度分別為6～15 m不同工況條件下溫控主要計(jì)算成果對比，分析表明：

（1） 改變分縫長度，對最高溫度Tmax影響較小，主要影響混凝土拉應(yīng)力σmax大小。相同溫度條件下，澆筑塊分縫長度增大，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)約束系數(shù)增大，從而產(chǎn)生更大的溫度應(yīng)力。當(dāng)L達(dá)到15 m及以上，內(nèi)部最大拉應(yīng)力將增大至1.90 MPa以上，抗裂安全系數(shù)降低至1.6以下。

（2） 施工時，建議將分縫長度控制在9～12 m內(nèi)，特殊部位應(yīng)進(jìn)一步降低分縫長度，減小結(jié)構(gòu)約束，提高混凝土抗裂安全。

3.3澆筑溫度敏感性分析

降低混凝土澆筑溫度是有效降低混凝土最高溫度的常用手段。為考慮不同澆筑溫度對流道襯砌結(jié)構(gòu)抗裂安全的影響，分別對澆筑溫度為18，20，22，24，26 ℃ 5種工況進(jìn)行了敏感性分析。計(jì)算中，襯砌厚度取0.8 m;除澆筑溫度外其他溫控計(jì)算參數(shù)同3.1節(jié)。表7給出了混凝土澆筑溫度為18～26 ℃時的溫控主要計(jì)算成果對比，分析表明：

（1） 澆筑溫度對流道襯砌混凝土內(nèi)部最高溫度Tmax及溫度應(yīng)力σmax影響均較大。澆筑溫度每升高1 ℃，內(nèi)部混凝土最高溫度峰值約增加0.45 ℃，最大拉應(yīng)力相應(yīng)增加約0.10 MPa。

（2） 降低混凝土澆筑溫度，可有效降低襯砌混凝土內(nèi)部最高溫度和最大拉應(yīng)力，進(jìn)而提高混凝土抗裂安全系數(shù)。施工時，對于易裂部位，應(yīng)采取骨料預(yù)冷、加冰拌和等措施適當(dāng)降低澆筑溫度，必要時進(jìn)行通水冷卻，以保證流道襯砌結(jié)構(gòu)部位整個施工全過程的抗裂安全。

3.4洞室氣溫敏感性分析

洞室環(huán)境溫度是影響流道襯砌結(jié)構(gòu)的主要因素之一。為研究不同洞室氣溫對流道襯砌結(jié)構(gòu)抗裂安全的影響，分別對20～35 ℃范圍內(nèi)不同洞室氣溫進(jìn)行敏感性分析。計(jì)算中，襯砌厚度取0.8 m;除洞室氣溫外其他溫控計(jì)算參數(shù)同3.1節(jié)。表8給出洞室氣溫為20～35 ℃不同工況下的溫控主要計(jì)算成果對比，分析表明：

（1） 由于襯砌結(jié)構(gòu)較薄，洞室氣溫對襯砌混凝土內(nèi)部最高溫度Tmax及溫度應(yīng)力σmax影響均較大。洞室氣溫每增加1 ℃，內(nèi)部混凝土最高溫度峰值增加約0.6 ℃，最大拉應(yīng)力相應(yīng)增加約0.07 MPa。

（2） 降低洞室氣溫，可有效降低襯砌混凝土最高溫度和最大拉應(yīng)力，進(jìn)而提高混凝土抗裂安全系數(shù)。施工過程中應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)，降低洞室環(huán)境溫度，提高流道襯砌施工期抗裂安全。

4結(jié) 論

引水系統(tǒng)流道混凝土結(jié)構(gòu)異形，約束強(qiáng)烈，在高溫季節(jié)澆筑時應(yīng)力大、易產(chǎn)生裂縫。本文采用三維有限元方法對卡洛特水電站引水系統(tǒng)流道襯砌混凝土進(jìn)行施工期溫度和應(yīng)力仿真分析，研究表明：

（1） 采取措施降低混凝土最高溫度、降低流道襯砌結(jié)構(gòu)約束是減小溫度應(yīng)力、提高結(jié)構(gòu)抗裂安全最有效的手段。

（2） 施工過程中可通過采取骨料預(yù)冷、加冰拌和及遮陽保溫等措施降低混凝土澆筑溫度;通過加強(qiáng)洞內(nèi)通風(fēng)、增加洞內(nèi)噴霧或?yàn)⑺却胧┙档投磧?nèi)環(huán)境溫度。

（3） 設(shè)計(jì)階段可通過增設(shè)冷卻水管、控制分縫分塊長度，降低混凝土最高溫度、溫度應(yīng)力，提高抗裂安全能力。

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（編輯：黃文晉）