東莊水利樞紐工程導(dǎo)流隧洞塔架混凝土溫控仿真分析

師孟悅，楊駿猛，吳 迪

(陜西省東莊水利樞紐工程建設(shè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710011)

1 概述

東莊水利樞紐工程屬大(Ⅰ)型工程，其開發(fā)任務(wù)為“以防洪、減淤為主，兼顧供水、發(fā)電及生態(tài)環(huán)境”[1]。由于涇河是多泥沙河流，加上水庫運(yùn)行方式與其他水庫不同，水庫水溫的研究是東莊混凝土雙曲拱壩溫控設(shè)計的一項(xiàng)重要工作，準(zhǔn)確認(rèn)識庫水水溫分布及變化規(guī)律對東莊水利樞紐工程大壩結(jié)構(gòu)的體型與優(yōu)化設(shè)計、大壩混凝土的溫控標(biāo)準(zhǔn)制定、大壩結(jié)構(gòu)不同時期的溫度應(yīng)力及安全性評估等工作意義重大。

前期有許多專家學(xué)者、工程技術(shù)人員對東莊水利樞紐做了研究，張春生等[2]對東莊水利樞紐工程導(dǎo)流洞布置確定采用右岸單洞大洞徑導(dǎo)流方案和計算導(dǎo)流洞泄流能力。張軍[3]對水工隧洞襯砌混凝土溫控仿真計算理論方法改進(jìn)，提出了基于變系數(shù)廣義開爾文模型的徐變度計算模型和計算松弛系數(shù)的率型迭加算法。肖宏武[4]對東莊水利樞紐工程混凝土雙曲拱壩施工進(jìn)行仿真研究，針對施工進(jìn)度控制難題，提出了基于離散事件仿真理論的高拱壩施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)。李鵬峰[5]構(gòu)建了東莊水庫水動力數(shù)值模型和水環(huán)境數(shù)值模型，解析了各污染因子對庫區(qū)污染物成分的貢獻(xiàn)程度。谷振東[6]對黃金峽水利樞紐表孔壩段混凝土溫控仿真分析，對施工過程進(jìn)行溫度場與溫度應(yīng)力仿真計算，揭示溫度場與溫度應(yīng)力時空分布規(guī)律，提出適合表孔壩段結(jié)構(gòu)、度汛特點(diǎn)的溫控防裂措施建議。黃輝等[7]對DG水電站溢流壩段混凝土施工期溫控仿真分析，對溫控防裂措施的敏感性分析比較，提出了典型時段和特殊部位混凝土溫控防裂措施建議。劉亞朋[8]等對大體積混凝土溫度場仿真分析與溫控監(jiān)測，利用有限元軟件建立了采取表面保溫措施的筏板基礎(chǔ)大體積混凝土溫度場仿真分析模型，從而驗(yàn)證了表面采取保溫措施的有效性。張潤德等[9]對某船閘后澆帶不同澆筑方案的混凝土溫控仿真分析，驗(yàn)證了減小一次性澆筑混凝土的長度能有效降低溫度拉應(yīng)力，提高后澆帶混凝土的抗裂安全性。

2 工程概況

東莊水利樞紐工程位于陜西省禮泉縣和淳化縣交界的涇河下游峽谷，施工期為滿足導(dǎo)流需求在壩址右岸布置了1條導(dǎo)流洞，并在進(jìn)口布置了塔架。塔架進(jìn)口高程擬定為593.0m。位于樁號0～026.0m至0～000.0m之間，順?biāo)飨蜷L度為26.0m，橫水流向最大寬度為28.5m。塔頂高程為653.0m，底板開挖高程為587.0m，總高度66.0m。進(jìn)口閘門孔口為8m×19m(寬×高)，雙進(jìn)口布置，經(jīng)漸變?yōu)?7m×19m(寬×高)方孔與隧洞相接。塔架與后側(cè)邊坡、右側(cè)邊坡之間645.0m高程以下用混凝土回填，充分保證塔體與巖石緊密結(jié)合；645.0m高程以上用石渣回填至塔頂高程，為后期塔架下閘封堵設(shè)備吊裝提供場地和空間。

3 數(shù)值模擬方法選擇及模型建立

3.1 數(shù)值模擬方法選擇

在流體力學(xué)計算中，常用的數(shù)值方法：有限元法(FEM)、有限差分法(FDM)、有限體積法(FVM)等3種方法。對比3個數(shù)值計算方法的優(yōu)缺點(diǎn)，由于本工程較復(fù)雜，有限元方法相比另外2種方法，更適用于處理復(fù)雜區(qū)域，精度高，因此決定采用有限元數(shù)值計算方法。

3.2 有限元模型建立

在庫區(qū)長度方向按照1/100比例尺建立的有限元模型。選取全尺寸庫水流場、壩前庫水流場和縮尺流場3種不同的有限元模型，計算庫水流場、溫度場的分布，對比計算結(jié)果。通過結(jié)果分析模型尺寸選取對庫水流場溫度分布是否產(chǎn)生的影響。

3.2.1庫水全區(qū)域足尺有限元模型

根據(jù)設(shè)計資料進(jìn)行全庫區(qū)流場的二維數(shù)計算模型建立，如圖1所示。

圖1 東莊水庫水全區(qū)域足尺有限元模型

3.2.2壩前庫水有限元模型

根據(jù)設(shè)計資料進(jìn)行壩前庫水局部流場的二維數(shù)計算模型建立，如圖2所示。

圖2 東莊水庫壩前庫水有限元模型

3.2.3庫水全區(qū)域縮尺有限元模型

根據(jù)設(shè)計資料進(jìn)行縮尺流場的二維數(shù)計算模型建立，如圖3所示。

圖3 東莊水庫庫水全區(qū)域縮尺有限元模型

3.3 溫控仿真計算模型

通過導(dǎo)流洞塔架混凝土結(jié)構(gòu)、施工等特點(diǎn)分析，應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件三維建模，基巖深度取1.5倍塔高，順?biāo)骷按怪表標(biāo)鞣较蛉〗Y(jié)構(gòu)最大長度的1.5倍，同時為方便建模及單元劃分，考慮對結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化，基巖和塔架結(jié)構(gòu)采用八節(jié)點(diǎn)六面體等參單元，共劃分147394個單元、169184個節(jié)點(diǎn)，三維有限元模型，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)流洞進(jìn)口塔架混凝土三維有限元模型

4 溫控仿真計算

4.1 計算工況

為了確定合理的混凝土溫控方案，同時結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際施工條件，初步擬定以下3種工況進(jìn)行溫度仿真計算，見表1，通過分析比較這幾種工況條件下混凝土內(nèi)部溫升的差別，確定合理的溫控措施。

表1 計算工況

4.2 溫控措施敏感性分析

4.2.1澆筑溫度敏感性分析

工況1和工況2下典型高程中心位置最高溫度包絡(luò)線對比，如圖5所示。

圖5 典型高程中心位置最高溫度包絡(luò)線(工況1、2)

由圖5可知：

(1)工況1下底板中心最高溫度達(dá)46.2℃，左邊墩、中墩及右邊墩中心最高溫度分別達(dá)47.2℃、47.6℃、46.8℃，胸墻及邊墻中心最高溫度分別為41.5℃、41.6℃，隔墻中心最高溫度為40℃；而工況2下底板中心最高溫度達(dá)38.8℃，左邊墩、中墩及右邊墩中心最高溫度分別達(dá)40.0℃、40.5℃、39.7℃，胸墻及邊墻中心最高溫度分別為39.1℃、39.2℃，隔墻中心最高溫度為37.7℃；

(2)工況1和工況2為澆筑溫度控制工況。其中工況1為采用自然入倉，即按1.3.1節(jié)中多年月平均氣溫入倉，但澆筑溫控不低于5℃；而工況2采用控制澆筑為16℃，即當(dāng)混凝土澆筑月份的氣溫高于多年月平均氣溫時，澆筑溫度為16℃，當(dāng)澆筑月份的多年月平均氣溫低于16℃時，按多年月平均氣溫入倉，但澆筑溫度不低于5℃。

(3)底板混凝土安排在2020年7月澆筑，其多年月平均氣溫為25.6℃，工況1澆筑溫度由25.6℃降至工況2的16℃，混凝土內(nèi)部最高溫度平均降低6.5℃，即對于底板混凝土，澆筑溫度每降低1℃，最高溫度可降低約0.7℃。

(4)孔口墩墻混凝土(左邊墩、右邊墩及中墩)自2020年7月中旬開始澆筑至2020年9月初結(jié)束，工況1澆筑溫度由7月份的25.6℃、8月份的24.4℃及9月份的19℃降至工況2的16℃，混凝土內(nèi)部最高溫度平均降低5.7℃，即對于墩墻混凝土，澆筑溫度每降低1℃，最高溫度可降低約0.7℃。

(5)612～653m高程混凝土(主要為胸墻、邊墻及隔墻結(jié)構(gòu))自2020年9月初開始澆筑至2020年12月結(jié)束，工況1澆筑溫度由9月份的19℃降至工況2的16℃(位于612～624m高程)，混凝土內(nèi)部最高溫度平均降低約2.1℃，即對于該部位混凝土，澆筑溫度每降低1℃，最高溫度可降低約0.7℃，而其他部位混凝土(624～653m高程)在10—12月份澆筑，多年月平均氣溫均低于16℃，故對于該部位的混凝土在工況1和工況2下內(nèi)部最高溫度均對應(yīng)一致。

綜上所述，混凝土澆筑溫度每降低1℃，其內(nèi)部最高溫度平均可降低約0.7℃。澆筑溫度對混凝土中心點(diǎn)的最高溫度有很大影響。

4.2.2初期通水冷卻敏感性分析

因塔架混凝土結(jié)構(gòu)尺寸相對較薄，特別是624～653m部位，水管布置方式較受限制，本工程僅考慮在587～624m高程部位布置冷卻水管(水平間距×垂直間距)，對通水溫度、水管間距采用等比較分析其降溫效果。

(1)通水水溫敏感性分析

工況3和工況4下典型高程中心位置最高溫度包絡(luò)線對比，如圖6所示。

由圖6可知：

圖6 典型高程中心位置最高溫度包絡(luò)線(工況3、4)

工況3下底板中心最高溫度達(dá)33.6℃，左邊墩、中墩及右邊墩中心最高溫度分別達(dá)35.0℃、34.9℃、34.9℃，胸墻及邊墻中心最高溫度分別為33.5℃和33.4℃，隔墻中心最高溫度為33.4℃；而工況4下底板中心最高溫度達(dá)33.3℃，左邊墩、中墩及右邊墩中心最高溫度分別達(dá)34.7℃、34.6℃、34.6℃，胸墻及邊墻中心最高溫度分別為33.4℃和33.4℃，隔墻中心最高溫度為33.4℃。

工況3和工況4為通水水溫控制工況。因一期通水僅在587m～624m高程部位布置，故624m高程以上最高溫度二者一致，而624m高程以下部位，通水冷卻水溫每降低3℃，最高溫度平均下降約0.2℃。

綜上所述，一期通水冷卻，水溫每降低1℃，其內(nèi)部最高溫度平均可降低約0.07℃。由此可見，通水水溫降溫效果不太顯著。

(2)水管間距敏感性分析

工況3和工況5下典型高程中心位置最高溫度包絡(luò)線對比，如圖7所示。

圖7 典型高程中心位置最高溫度包絡(luò)線(工況3、5)

由圖7可知：

工況3下底板中心最高溫度達(dá)33.6℃，左邊墩、中墩及右邊墩中心最高溫度分別達(dá)35.0℃、34.9℃、34.9℃，胸墻及邊墻中心最高溫度分別為33.5℃、33.4℃，隔墻中心最高溫度為33.4℃；而工況5下底板中心最高溫度達(dá)31.0℃，左邊墩、中墩及右邊墩中心最高溫度分別達(dá)32.2℃、31.9℃、32.3℃，胸墻及邊墻中心最高溫度分別為32.9℃、32.9℃，隔墻中心最高溫度為33.0℃；

工況3和工況5為水管間距控制工況。因一期通水僅在587～624m高程部位布置，故624m高程以上最高溫度兩者一致，而624m高程以下部位，水管水平間距均為1.0m，垂直間距由工況3的3.0m變?yōu)?.5m后，最高溫度平均下降約2.2℃。

綜上所述，一期通水冷卻時，將水管垂直間距加密1倍后，其內(nèi)部最高溫度平均可降低約2.2℃。由此可見，水管間距對溫度影響較顯著。

5 結(jié)論

綜合前述計算的溫度及溫度應(yīng)力分析結(jié)果，推薦導(dǎo)流洞進(jìn)口塔架混凝土基本溫控措施如下：

(1)優(yōu)化水泥配合比及品種，可以有效降低混凝土的絕熱溫升。

(2)對于7—9月澆筑的混凝土，對于624m高程以下部位控制澆筑溫度不高于14℃，624m高程以上部位控制澆筑溫度不高于16℃，10月至次年4月澆筑的混凝土，按自然入倉，但不低于5℃。

(3)位于587～624m高程部位混凝土采取一期通水冷卻，水管間距按1.0m×1.5m，通水水溫18℃，通水歷時14d。

(4)加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)，對于7—9月澆筑的混凝土，可采用灑水養(yǎng)護(hù)或流水養(yǎng)護(hù)；對10月—次年4月澆筑的混凝土建議采取薄膜養(yǎng)護(hù)。

(5)在10月—次年4月，對已澆筑的混凝土采取表面保護(hù)措施，應(yīng)選擇效果好且便于施工的保溫材料，對于永久暴露面的混凝土，滿足保溫后其表面等效放熱系數(shù)≤74kJ/(m2·d·℃)的要求。