大型豎井貫流式泵站混凝土施工期溫降速率與拉應(yīng)力增速的關(guān)系

張?zhí)m蘭，陸生華，李 禹，張程鵬，強(qiáng) 晟

（1·紹興市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 紹興 312000；2·南京路橋工程有限公司，江蘇 南京 210098；3·河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

1 問題的提出

近年來，泵站大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工中往往采用商品混凝土，泵送方式，膠凝材料含量較大，導(dǎo)致水化熱溫升較高，自身體積變形較大，同時(shí)，其澆筑溫度隨氣溫波動(dòng)很大，難以控制澆筑溫度。因此，采用商品混凝土澆筑的泵站，溫控防裂難度很大[1-2]，夏季尤甚。據(jù)以往類似工程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)的研究成果，泵站類大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期和初運(yùn)行期很容易出現(xiàn)裂縫[3]。因此，有必要通過溫控防裂研究，提出可靠的溫控防裂措施，盡量減少施工期及運(yùn)行期結(jié)構(gòu)的溫度裂縫，為結(jié)構(gòu)的施工過程提供技術(shù)指導(dǎo)[4-5]。

在混凝土大壩澆筑中，常用冷卻水管控制混凝土的最高溫度和溫降速率，大壩混凝土澆筑塊的形狀和尺寸相對(duì)比較接近，且澆筑溫度能夠得到較好的控制，故在同一期冷卻過程中的各澆筑塊溫降速率指標(biāo)差異不大。但文中研究的大型豎井貫流式泵站結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，各澆筑塊的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸差異很大，如果參考大壩的有關(guān)溫控指標(biāo)，采用相同的溫降速率進(jìn)行控制，容易導(dǎo)致部分區(qū)域拉應(yīng)力增速太快，可能超過抗拉強(qiáng)度而致裂。因此，有必要研究確定不同結(jié)構(gòu)部位溫降速率的合理指標(biāo)，采用不同的溫降速率指標(biāo)來控制不同部位的拉應(yīng)力增速。為了達(dá)到這個(gè)控制目標(biāo)，需先探究不同部位溫降速率與拉應(yīng)力增速的關(guān)系，再?gòu)闹写_定各部位的合理溫降速率指標(biāo)。

一般來說，溫控防裂模擬中的大體積混凝土結(jié)構(gòu)的有限元模型單元數(shù)量龐大，在保證計(jì)算精度的前提下，采用等效冷卻算法，以便減少計(jì)算復(fù)雜度和計(jì)算量。該算法的特點(diǎn)是有限元模型中并無實(shí)際水管單元，同一個(gè)有限單元內(nèi)部的溫度場(chǎng)比較均一[6-7]，以馬山泵站工程為例加以說明。

2 工程簡(jiǎn)介

馬山閘強(qiáng)排及配套河道工程作為紹虞平原重要的排澇工程，主要位于紹興市越城區(qū)。主要由馬山泵站工程、馬山大河治理工程、湖泊調(diào)蓄工程、水系連通工程及橋梁工程等組成。馬山泵站布置于馬山大河與曹娥江交匯口右岸，與現(xiàn)狀馬山閘并排布置。馬山泵站主要由內(nèi)河側(cè)連接段、泵房、外江側(cè)連接段等建筑物組成。

馬山泵站的泵房段長(zhǎng)55.60 m，寬105.50 m，共設(shè)置有4臺(tái)單機(jī)流量50 m3/s的豎井貫流泵。泵房段順?biāo)鞣较蛟O(shè)置1道分縫，順?biāo)鞣较驅(qū)⒈梅糠譃?段（進(jìn)水段和出水段），長(zhǎng)度分別31.85 m，23.75 m；泵房段垂直水流方向共分為2聯(lián)，每聯(lián)分別布置2臺(tái)機(jī)組，垂直水流方向的每一聯(lián)長(zhǎng)度均為31.50 m。底板厚度大多為2.00 m；泵站水泵機(jī)組中心距14.30 m、15.72 m，進(jìn)水流道邊墩厚為4.35 m，中墩厚為4.30 m，縫墩厚為2.85 m。出水流道單孔流道中間設(shè)隔墩，厚1.50 m。出水流道邊墩厚4.60 m，中墩厚4.80 m，縫墩厚為3.10 m。泵房段塊基垂直水流方向總長(zhǎng)度為63.02 m。

3 有限元模型與計(jì)算參數(shù)

對(duì)泵站出水流道段結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，出水流道段的有限元模型見圖1，單元總數(shù)為63 331，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為107 981。進(jìn)水流道段的有限元模型見圖2，單元總數(shù)為96 599，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為107 981。圖中地基單元未顯示。

圖1 出水流道有限元模型圖

圖2 進(jìn)水流道有限元模型圖

溫度場(chǎng)仿真計(jì)算中，地基的四周和底面為絕熱面，上表面為散熱邊界。結(jié)構(gòu)縫面當(dāng)未被覆蓋時(shí)為散熱邊界，被相鄰混凝土覆蓋后為絕熱邊界。其他表面均為散熱邊界。應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算中，地基的四周和底面施加法向約束，上表面為自由邊界。結(jié)構(gòu)永久縫面及其他表面均為自由邊界[8]。計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)表

4 計(jì)算工況及特征點(diǎn)位置

流道段底板混凝土于2021年1月份澆筑，并按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行通水冷卻和表面保溫；流道層混凝土分一層于2021年6月份澆筑；3.45 m高程以上混凝土于2021年7月份澆筑。對(duì)流道及上層混凝土模擬通水冷卻，達(dá)到將水化熱溫升降低20 ℃的效果；墩墻側(cè)面采用木模板，5 d后拆模。在不同的計(jì)算工況中，混凝土的溫降速率分別為1.0 ℃/d ，2.0 ℃ /d，3.0 ℃/d等，通水時(shí)長(zhǎng)分別為15 d，10 d，8 d。

圖3為流道段特征剖面位置示意圖；表2為特征點(diǎn)位置坐標(biāo)表。

表2 特征點(diǎn)位置坐標(biāo)表

圖3 流道段特征剖面位置示意圖 單位：m

5 仿真計(jì)算結(jié)果

圖4為分流隔墻早齡期混凝土溫度歷時(shí)曲線圖，圖5為分流隔墻早齡期混凝土應(yīng)力歷時(shí)曲線圖。從圖4~5可知：流道層分流隔墻底部混凝土受溫降速率影響較為明顯。溫降速率越快，拉應(yīng)力增速越快，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。

圖4 分流隔墻早齡期混凝土溫度歷時(shí)曲線圖

圖5 分流隔墻早齡期混凝土應(yīng)力歷時(shí)曲線圖

圖6為流道中墩早齡期混凝土溫度歷時(shí)曲線圖，圖7為流道中墩早齡期混凝土應(yīng)力歷時(shí)曲線圖。從圖6~7可知：流道層中墩底部混凝土受溫降速率影響更為明顯。溫降速率越快，拉應(yīng)力增速越快，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。這與中墩的絕對(duì)厚度較大、同等條件下溫度峰值更高有關(guān)。

圖6 流道中墩早齡期混凝土溫度歷時(shí)曲線圖

圖7 流道中墩早齡期混凝土應(yīng)力歷時(shí)曲線圖

圖8為集水井側(cè)墻早齡期混凝土溫度歷時(shí)曲線圖，圖9為集水井側(cè)墻早齡期混凝土應(yīng)力歷時(shí)曲線圖。從圖8~9可知：流道集水井側(cè)墻底部混凝土受溫降速率影響同樣較為明顯。但通水時(shí)間較長(zhǎng)使得溫降幅度過大，后期溫度小幅回彈。這與邊墩較分流隔墻厚度更大、中墩厚度更小有關(guān)。

圖8 集水井側(cè)墻早齡期混凝土溫度歷時(shí)曲線圖

圖9 集水井側(cè)墻早齡期混凝土應(yīng)力歷時(shí)曲線圖

流道層的墩墻有厚（最厚4.80 m）有薄（最薄1.50 m）、有長(zhǎng)有短，且約束程度也不同，對(duì)比不同溫降速率和通水時(shí)間的工況計(jì)算結(jié)果（見圖10），由圖10可知，溫降速率越大拉應(yīng)力增速也越大，但不同部位的混凝土增速差異較大。

圖10 不同溫降速率下特征點(diǎn)的拉應(yīng)力增速圖

厚度小于1.00 m的特征點(diǎn)12（上部墻體）和特征點(diǎn)7（分流小墩門槽），拉應(yīng)力增速都較大；特征點(diǎn)9（集水井側(cè)墻）厚度2.00 m，雖然不是很薄，但其所在位置結(jié)構(gòu)約束很大，此處拉應(yīng)力增速最大；厚度在3.00 m以上的流道墩墻的特征點(diǎn)6和特征點(diǎn)8，拉應(yīng)力增速較小。如果對(duì)這些不同部位的混凝土施以相同的溫降速率和冷卻時(shí)長(zhǎng)，溫降速率大的部位很容易發(fā)生拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度的情況。因此，需要對(duì)泵站不同部位混凝土的溫降速率和冷卻時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行精細(xì)化控制。

6 溫降速率指標(biāo)建議值

經(jīng)過計(jì)算分析，馬山泵站不同部位的溫降速率建議值見表3。對(duì)于出水流道分流隔墻（厚度≤1.50 m）和集水井側(cè)墻，建議的溫降速率為1.0 ℃/d；對(duì)于進(jìn)水流道厚度≤2.00 m的部位，建議的溫降速率為2.0 ℃/d；對(duì)于進(jìn)出水流道其余厚度較厚的墩墻，建議的溫降速率為3.0 ℃/d。底板和上部墻體建議的溫降速率分別為3.0 ℃/d和1.5 ℃/d。

表3 馬山泵站不同部位的溫降速率建議值表 單位：℃/d

7 結(jié) 論

（1）大型豎井貫流式泵站結(jié)構(gòu)和約束都比較復(fù)雜，不同部位混凝土施工期溫降速率與拉應(yīng)力增速總體成正比。

（2）如采用統(tǒng)一的溫降速率和通水時(shí)長(zhǎng)，易導(dǎo)致較薄的結(jié)構(gòu)部位溫降幅度過大、早齡期拉應(yīng)力過大，較厚的結(jié)構(gòu)部位溫降幅度過小，后期拉應(yīng)力過大。

（3）通過對(duì)泵站不同位置輔以合適的溫降速率，可以使泵站各個(gè)位置的拉應(yīng)力盡可能減小，使得拉應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)的安全要求。截至2021年9月，按照建議溫降速率控制的部位，已達(dá)到預(yù)期的防裂效果。