黃金峽水利樞紐泵站廠房溫控措施研究

董航凱 晏安平 唐 寅

(1.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710024；2.中國水利水電第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310004)

黃金峽水利樞紐是陜西省引漢濟(jì)渭工程主水源地[1]。黃金峽水利樞紐泵站廠房壩段大體積混凝土受內(nèi)外溫差、溫度最大降幅等多種因素影響，極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂縫發(fā)生[2-3]。因此，需針對(duì)泵站廠房壩段大體積混凝土溫度應(yīng)力及其控制標(biāo)準(zhǔn)開展深入研究[4]，分析不同溫控措施下，大體積混凝土在施工期和運(yùn)行期的溫度應(yīng)力分布規(guī)律[5]。在大體積混凝土領(lǐng)域，低熱混凝土[6]、熱帶地區(qū)混凝土[7]、碾壓混凝土[8]等相關(guān)研究表明溫控措施是重要的防裂手段[9]；冷卻水管和表面保溫是目前泵站廠房壩段大體積混凝土溫控防裂最主要的技術(shù)方案[10-11]。本文基于ANSYS有限元軟件建模[12-13]，結(jié)合大體積混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算原理[14]，在黃金峽水利樞紐泵站廠房壩段針對(duì)無溫控、僅保溫以及保溫+通水冷卻三種措施開展仿真計(jì)算分析[15]，給出泵站廠房壩段大體積混凝土溫度場和應(yīng)力場變化規(guī)律[16]，分析混凝土抗裂能力變化，為實(shí)際工程提供參考[17]。

1 大體積混凝土溫度場計(jì)算原理

1.1 溫度場及應(yīng)力場基本原理

溫度場分析的基本方程為

(1)

式中：a為混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h；T為表溫度，表示溫度場中某坐標(biāo)處的溫度，是關(guān)于時(shí)間τ以及空間變數(shù)(x，y，z)的函數(shù)；τ為時(shí)間，h；θ為水泥硬化過程中產(chǎn)生的混凝土的絕熱溫升，℃。

在計(jì)算復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的整體應(yīng)變增量時(shí)，考慮四種不同的應(yīng)變增量綜合作用影響，見式(2)。在考慮應(yīng)力隨時(shí)間變化關(guān)系時(shí)，將時(shí)間劃分成等間隔時(shí)段，假設(shè)在每一時(shí)段應(yīng)力隨時(shí)間線性變化，以此減少計(jì)算量，見圖1。

圖1 應(yīng)力隨時(shí)間增量圖

由于應(yīng)力是以時(shí)間為自變量的增函數(shù)，在時(shí)段Δτn內(nèi)，總應(yīng)變增量為各類應(yīng)變增量之和，可通過下式計(jì)算：

(2)

1.2 水管冷卻的等效算法溫度場基本理論

冷卻水管實(shí)際上可以看成熱匯，當(dāng)平均考慮全長為L的水管管段的冷卻效果時(shí)，混凝土平均溫度的計(jì)算公式如下：

(3)

式中：T0為冷卻開始時(shí)混凝土初始溫度；Tw為水管進(jìn)口處的水溫；Tm為沿水管全長L的管段混凝土平均溫度；Φ(τ)為系數(shù)，其取值與混凝土冷卻時(shí)間以及冷卻水管參數(shù)有關(guān)。

由式(3)得到

Tm=Tw+Φ(τ)(T0-Tw)

(4)

式(3)和式(4)中的Φ(τ)可由下式計(jì)算：

Φ(τ)=e-pτs

(5)

其中

(6)

式中：a為混凝土導(dǎo)溫系數(shù)；λ為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)；D為等效圓柱體外半徑；cw為冷卻水的比熱；ρw為冷卻水的密度；qw為冷卻水的流量。

2 工程概況及模擬方案

2.1 工程概況

黃金峽水利樞紐為混凝土重力壩，河床式泵站，泵站廠房壩段采用大體積混凝土澆筑，高程413.5m以下結(jié)構(gòu)采用C2825F150W8(三)一期混凝土；高程413.5m以上采用C2830F150W8(二)一期混凝土。電站、泵站壩段位于左岸，左側(cè)接左岸非溢流壩段，右側(cè)連接廠壩導(dǎo)墻，由1個(gè)安裝場段和3個(gè)機(jī)組段組成。

選取黃金峽5號(hào)和6號(hào)泵站廠房壩段建模，見圖2。模型單元總數(shù)232243個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)151410個(gè)。模型計(jì)算采用殘留比法，溫度邊界為地基表面，底部及側(cè)面為絕熱邊界，從澆筑日期向前推算30年開始地基溫度場計(jì)算，獲取澆筑日地基溫度。

圖2 整體計(jì)算模型

2.2 模擬方案

5號(hào)和6號(hào)泵站廠房壩段尺寸下部小，上部大(厚3m)。黃金峽泵站電站進(jìn)度計(jì)劃見表1。機(jī)組施工進(jìn)度見圖3。按照施工進(jìn)度，在黃金峽水利樞紐泵站廠房壩段針對(duì)無溫控、保溫以及保溫+通水冷卻三種措施開展仿真計(jì)算，分析壩體溫度和應(yīng)力變化規(guī)律。

圖3 5號(hào)和6號(hào)泵站機(jī)組施工進(jìn)度

表1 黃金峽泵站電站進(jìn)度計(jì)劃

保溫材料參數(shù)按下式計(jì)算：

(7)

式中：va為風(fēng)速，m/s，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取年均風(fēng)速1.2m/s。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土內(nèi)埋設(shè)的冷卻水管的間距一般為1.5m(水平)×1.5m(澆筑層厚)，基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)水平間距加密至1.0m，對(duì)于2.0m以上層厚增加一層水平間距1.5m的冷卻水管。

3 溫度場和應(yīng)力場分析

3.1 溫度場分析

3.1.1 無措施下泵站廠房壩段仿真分析

圖4為泵站廠房壩段混凝土澆筑完畢10天(729d)時(shí)的壩體溫度分布圖。壩體澆筑完成日期為2021年12月30日，處于低溫季節(jié)，壩體混凝土表面溫度為5.2℃左右。廠房壩段基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)的混凝土溫度為15.7～16.4℃；廠房壩段基礎(chǔ)弱約束區(qū)的混凝土溫度為12.4～18.5℃；廠房壩段脫離約束區(qū)的下游側(cè)混凝土溫度為21.4～33.7℃。廠房壩段混凝土的溫度整體高于下游側(cè)泵站總出水管附近混凝土的溫度。原因是前者于高溫季節(jié)澆筑，而后者混凝土澆筑時(shí)間是10—11月，且出水管道加大了混凝土的散熱面。脫離約束區(qū)的上游側(cè)混凝土溫度為8.5～13.3℃，溫度較上游側(cè)更低，原因是上游側(cè)閘門井和流道增加了混凝土的散熱能力。

圖4 泵站廠房壩段混凝土澆筑完畢10天(729d)時(shí)的壩體溫度分布

泵站廠房壩段內(nèi)部最高溫度分布見圖5。壩體內(nèi)部峰值溫度能夠達(dá)到43.1℃左右，大部分區(qū)域混凝土最高溫度為18.2～30.0℃，且主要分布在2020年6—8月澆筑的下游側(cè)高程408～416m的壩體混凝土處。廠房壩段大體積混凝土散熱能力較差是產(chǎn)生溫度分布的主要原因。其他混凝土最高溫度較高區(qū)域有：壩體上游側(cè)高程396～399m的廊道下游側(cè)(基礎(chǔ)弱約束區(qū)上游側(cè))混凝土，最高溫度達(dá)到38.7℃；壩體上游側(cè)高程421～436m(脫離基礎(chǔ)約束區(qū)上游側(cè))混凝土，最高溫度達(dá)到37.1～41.1℃。

圖5 泵站廠房壩段內(nèi)部最高溫度分布

3.1.2 保溫和保溫+通水冷卻措施下泵站廠房壩段仿真分析

泵站廠房壩段混凝土在不同溫控措施下內(nèi)部最高溫度分布見圖6和圖7。僅采取保溫措施后，混凝土最高溫度與無措施工況相比，增加了2.8℃左右；下游側(cè)大體積混凝土表面最高溫度，較無措施工況增加了2.2℃。采取保溫+通水冷卻措施后，混凝土的最高溫度較僅采取保溫措施工況減少了4.6℃；下游側(cè)大體積混凝土表面最高溫度，較僅采取保溫措施工況減少了0.4～2.2℃。

圖6 保溫措施下壩體混凝土內(nèi)部最高溫度分布

圖7 保溫+通水冷卻措施下壩體混凝土內(nèi)部最高溫度分布

可以看出，保溫措施能夠有效減小泵站廠房大體積混凝土內(nèi)溫度分布不均的情況，降低外界溫度變化的影響，同時(shí)保溫+通水冷卻措施能夠在此基礎(chǔ)上有效地減小混凝土表面最高溫度，進(jìn)一步削減溫度峰值，改善大體積混凝土溫度分布不均現(xiàn)象。

3.2 應(yīng)力場分析

在基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)選取T2、T4為內(nèi)部特征點(diǎn)。在基礎(chǔ)弱約束區(qū)選取T6、T8為特征點(diǎn)。在脫離基礎(chǔ)約束區(qū)內(nèi)部選取T12、T14為特征點(diǎn)?？紤]無溫控、僅保溫和保溫+通水冷卻的溫控措施工況對(duì)泵站廠房壩段混凝土的影響，分析混凝土從開始澆筑到澆筑3年時(shí)段內(nèi)的應(yīng)力歷程變化規(guī)律。

針對(duì)基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)，特征點(diǎn)順流向應(yīng)力歷程對(duì)比見圖8。與無措施工況相比，在僅保溫工況下，內(nèi)部特征點(diǎn)T2和T4處最大順流向應(yīng)力減小0.1MPa，后期順流向應(yīng)力減小0.3MPa；在保溫+通水冷卻工況下，內(nèi)部混凝土特征點(diǎn)T2和T4，最大順流向應(yīng)力減小1.0MPa，后期順流向應(yīng)力減小0.7MPa。基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)特征點(diǎn)橫流向應(yīng)力歷程對(duì)比見圖9，內(nèi)部混凝土特征點(diǎn)T2和T4處最大橫流向應(yīng)力減小 0.1～0.2MPa。在保溫+通水冷卻工況下，相對(duì)僅保溫工況，內(nèi)部混凝土特征點(diǎn)T2和T4，最大橫流向應(yīng)力減小0.9MPa。

圖8 不同溫控措施下廠房壩段基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)特征點(diǎn)順流向應(yīng)力歷程對(duì)比

圖9 不同溫控措施下廠房壩段基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)特征點(diǎn)橫流向應(yīng)力歷程對(duì)比

針對(duì)基礎(chǔ)弱約束區(qū)，特征點(diǎn)順流向應(yīng)力歷程對(duì)比見圖10。相對(duì)無措施工況，在僅保溫工況下，內(nèi)部混凝土特征點(diǎn)T6最大順流向應(yīng)力減小0.1MPa；T8最大順流向應(yīng)力減小0.3MPa。在保溫和通水冷卻工況下，相對(duì)僅保溫工況，內(nèi)部混凝土特征點(diǎn)T6最大順流向應(yīng)力增加0.1MPa；T8最大順流向應(yīng)力減小0.4MPa?；A(chǔ)弱約束區(qū)特征點(diǎn)橫流向應(yīng)力歷程對(duì)比見圖11，在僅保溫工況下，相對(duì)無措施工況，內(nèi)部混凝土特征點(diǎn)T6最大橫流向應(yīng)力幾乎無變化；電站流道附近T8最大橫流向應(yīng)力減小0.3～0.6MPa。在保溫和通水冷卻工況下，相對(duì)僅保溫工況，內(nèi)部混凝土特征點(diǎn)T6最大橫流向應(yīng)力下降0.2MPa；電站流道附近T8最大橫流向應(yīng)力減小0.5～0.6MPa。

圖10 不同溫控措施下廠房壩段基礎(chǔ)弱約束區(qū)特征點(diǎn)順流向應(yīng)力歷程對(duì)比

圖11 不同溫控措施下廠房壩段基礎(chǔ)弱約束區(qū)特征點(diǎn)橫流向應(yīng)力歷程對(duì)比

針對(duì)脫離基礎(chǔ)約束區(qū)，特征點(diǎn)順流向應(yīng)力歷程對(duì)比見圖12。僅保溫工況下，相對(duì)無措施工況，內(nèi)部混凝土特征點(diǎn)T12順流向應(yīng)力減小0.1～0.5MPa。在保溫和通水冷卻工況下，相對(duì)僅保溫工況，內(nèi)部混凝土特征點(diǎn)T12，順流向應(yīng)力前期壓應(yīng)力減小0.4MPa，后期幾乎無變化；特征點(diǎn)T14前期壓應(yīng)力減小0.5MPa，后期拉應(yīng)力下降0.4MPa。脫離基礎(chǔ)約束區(qū)特征點(diǎn)橫流向應(yīng)力歷程對(duì)比見圖13，在僅保溫工況下，相對(duì)無措施工況，內(nèi)部混凝土特征點(diǎn)T12橫流向應(yīng)力減小0.3～0.5MPa；表面特征點(diǎn)T14，橫流向應(yīng)力后期增加0.1MPa。在保溫和通水冷卻工況下，相對(duì)僅保溫工況，內(nèi)部混凝土特征點(diǎn)T12，橫流向應(yīng)力前期的壓應(yīng)力減小0.4MPa，后期應(yīng)力下降0.1MPa；T14前期壓應(yīng)力減小0.4MPa，后期拉應(yīng)力下降0.5MPa。

圖12 不同溫控措施下廠房壩段脫離基礎(chǔ)約束區(qū)特征點(diǎn)順流向應(yīng)力歷程對(duì)比

圖13 不同溫控措施下廠房壩段脫離基礎(chǔ)約束區(qū)特征點(diǎn)橫流向應(yīng)力歷程對(duì)比

4 結(jié) 論

a.對(duì)于廠房壩段大體積混凝土，溫控措施能夠有效減小大體積混凝土溫升峰值。保溫措施對(duì)表面及流道附近混凝土的抗裂能力提升幅度高于對(duì)內(nèi)部混凝土抗裂能力的提升幅度。

b.外界約束對(duì)于溫度應(yīng)力同樣具有影響，對(duì)于泵站廠房壩段強(qiáng)約束區(qū)、弱約束區(qū)與脫離約束區(qū)分別采取不同溫控措施，有助于溫控防裂措施精準(zhǔn)有效。

c.保溫+通水冷卻的溫控方法與單獨(dú)保溫的溫控方法相比，能夠顯著緩解因溫差產(chǎn)生的應(yīng)力問題，有助于減輕泵站廠房大體積混凝土開裂現(xiàn)象，使泵站廠房壩段更具有安全性、適用性、耐久性。