郭利霞 強 晟

（河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院,南京 210098）

在水工混凝土結(jié)構(gòu)施工中,常埋設(shè)冷卻水管以滿足混凝土溫控要求.國內(nèi)一般采用鐵管作為冷卻水管因為鐵管導(dǎo)熱性能好,施工方法成熟,但鐵管費用較高,接頭常發(fā)生滲漏或堵管.因此,國外有許多工程都使用軟管代替鐵管.軟水管主要特點為鋪設(shè)方便快捷,接頭方便,但導(dǎo)熱性能不如黑鐵管.軟冷卻水管在國外有較多的成功經(jīng)驗,在國內(nèi)運用不多,僅在二灘工程大規(guī)模采用[1-2].軟水管研究相對也很少,朱伯芳[3]對聚乙烯水管計算方法進行研究,黎汝潮[4]采用試驗驗證了其可行性,但還有必要對不同材質(zhì)冷卻水管從早期,后期及管壁應(yīng)力等等各方面進行溫降防裂對比研究.軟管材質(zhì)一般有塑料,橡膠和聚乙烯等,但是軟水管的導(dǎo)熱系數(shù)較低,為了改善這種弱導(dǎo)熱性,使得鋼絲網(wǎng)塑料復(fù)合管得到推廣,圖1就是現(xiàn)有常用的一種鋼絲網(wǎng)塑料復(fù)合管.在仿真過程中,軟水管的邊界當(dāng)作第三類邊界處理.

圖1 鋼絲塑料復(fù)合管

1 水管冷卻溫度場計算原理

冷卻水管屬于強制對流換熱,對流換熱系數(shù)足夠大,鐵管管壁可近似視為第一類冷卻邊界；否則應(yīng)視為第三類吸熱邊界,在理論上會更嚴(yán)密些.當(dāng)為第一類冷卻邊界時,可表示為

式中,Tw（t）為管內(nèi)冷卻水溫,沿程變化,且事先只知道其入口水溫；Γ0為水管冷卻邊界,如圖2所示.

圖2 有水管冷卻時的溫度場邊界條件示意圖

水管沿程水溫的增量計算采用[5]

式中,qw,cw和ρw分別為冷卻水的流量、比熱和密度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；n為混凝土與水管之間混凝土面的外法線.

一般冷卻水的入口溫度已知,就可以利用上面的公式,對每一根冷卻水管沿水流方向逐段推求沿程管內(nèi)水體的溫度.水管的沿程水溫計算與溫度梯度?T/?n有關(guān),因此帶冷卻水管的混凝土溫度場是一個邊界非線性問題,溫度場的解無法一步得出,必須采用迭代解法逐步逼近真解.

利用空間有限單元法和時間差分法,三維不穩(wěn)定溫度場的有限單元法求解理論詳見文獻[6-8].

2 水管降溫防裂效果分析

杭州某大型混凝土泵站總長51.5m,寬52.3m,有4條流道.塊型底板在垂直水流方向中間位置設(shè)伸縮縫一道,進口段順?biāo)鞣较蜷L18.1m,高16.3 m,底板厚約1.5m.采用C30、C25商品混凝土,9月中旬施工,地基為砂土,相關(guān)參數(shù)見表1,鋼模板支護,表面覆蓋1.5cm大壩保溫被.

表1 材料參數(shù)

為了對比研究,內(nèi)部分別采用HDPE（high density polyethylene）管和鋼絲網(wǎng)塑料復(fù)合管及鐵管進行冷卻降溫,水管層距×管距約為0.85m×0.7m,冷卻水溫10℃,流速1.20m/s,流量5.43m3/h,混凝土進倉就開始通水,通水持續(xù)時間為6 d,且每隔1d水流換向.考慮工程的結(jié)構(gòu)形式和底板的布置特點以及結(jié)構(gòu)的對稱性,取典型的第二流道對稱結(jié)構(gòu)計算,網(wǎng)格剖分時采用空間六面體和五面體等參單元,計算模型的單元和結(jié)點總數(shù)分別為39743和34963個,有限元計算模型如圖3所示.

圖3 有限元模型

經(jīng)過仿真計算,針對冷卻及其溫控防裂效果這一問題,主要有以下幾點結(jié)論:

（1）冷卻降溫效果及早期應(yīng)力問題.從圖4～5可以看出,無論是內(nèi)部點,還是表面點,與鋼絲塑料復(fù)合管,HDPE管冷卻后對應(yīng)的特征點相比,采用鐵管冷卻后的溫度峰值最低,溫降速度也最快,采用HDPE水管表面點通水6 d從34.8℃降到24.3℃,降幅才10.5℃,而采用鋼絲網(wǎng)塑料復(fù)合管6d溫度從33.4℃到20.5℃,降幅竟然達到12.9℃.采用鐵管表面溫度則從31.9℃降到16.9℃,降溫達到15.0℃,這都是因為鐵管的導(dǎo)熱性能要明顯好于鋼絲塑料復(fù)合管和HDPE管.但溫降速度過快的話,使得局部降溫過快,會出現(xiàn)中間部位混凝土受到雙重自生拉應(yīng)力,甚至發(fā)展成深層裂縫.

圖4 不同水管底板表面點溫度應(yīng)力

（2）管壁應(yīng)力問題.采用水管冷卻這一溫控制方案時,由于冷卻水溫通常較低,以往的工程實踐表明,若通水不當(dāng),管壁上有可能會出現(xiàn)“管壁裂縫”,甚至在通水后期有可能會因為溫降過快沿著水管走向引起水平縫的出現(xiàn),這是水管冷卻這一溫控方案較為不利的一個方面.

從圖6可知,采用鐵管冷卻后,通水期間管壁上的應(yīng)力明顯大于采用HDPE水管和復(fù)合管時,尤其是鐵管壁在水流換向時,存在明顯的溫度驟變過程,因此更易導(dǎo)致“管壁裂縫”的產(chǎn)生.從這個角度來看,采用鐵管冷卻時,優(yōu)勢與不足同時存在.相對而言,采用HDPE和復(fù)合管冷卻比采用鐵管冷卻出現(xiàn)管壁裂縫的可能性更小些.

圖6 水管管壁點的溫度應(yīng)力歷時曲線

（3）后期應(yīng)力問題.采用 HDPE水管冷卻以后,早期溫度峰值會有一定程度降低,基礎(chǔ)溫差減小,因此后期底板內(nèi)部出現(xiàn)的拉應(yīng)力也有一定程度的減小,但相比鋼絲塑料復(fù)合管,后期應(yīng)力還是很大的.如圖7內(nèi)部點采用HDPE水管冷卻最大拉應(yīng)力為 1.73 MPa,會有開裂的可能；而采用鋼絲網(wǎng)塑料復(fù)合管最大拉應(yīng)力則為1.60 MPa,不至于開裂,至于鐵管則使得安全系數(shù)更大,可見鐵管,鋼絲塑料復(fù)合管冷卻效果好于HDPE水管,降低底板產(chǎn)生裂縫的可能性.

圖7 底板內(nèi)部點長期應(yīng)力

3 結(jié) 論

在相同的外在保溫條件下,鐵管的冷卻降溫效果最好,可以很好地抑制早期表面裂縫和后期內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生,但容易由于降溫過快產(chǎn)生管壁混凝土裂縫；鋼絲網(wǎng)塑料復(fù)合管冷卻效果也很好,且不至于產(chǎn)生管壁冷縫與銹蝕開裂；HDPE管冷卻效果最差.實際工程中,根據(jù)工程現(xiàn)場的實際情況經(jīng)過精細的仿真計算分析來確定所需水管、合理的水管層距和間距及冷卻過程.需要說明的是,整個施工過程結(jié)束后,要采用膨脹性水泥砂漿對軟水管空腔進行灌漿回填,以增強結(jié)構(gòu)的整體密實性和軟水管的耐久性.

[1]陳秋華.二灘拱壩溫度控制設(shè)計與實踐[J].水電站設(shè)計,1998,14（3）:39-44.

[2]王成祥.高強聚乙烯管在二灘拱壩混凝土水管冷卻中的應(yīng)用[J].水電站設(shè)計,1995,11（4）:37-39.

[3]朱伯芳.聚乙烯冷卻水管的等效間距[J].水力發(fā)電,2002（1）:20-22.

[4]黎汝潮.三峽工程塑料冷卻水管現(xiàn)場試驗與研究[J].中國三峽建設(shè),2000（5）:20-24.

[5]朱岳明,徐之青,賀金仁等.混凝土水管冷卻溫度場的計算方法[J].長江科學(xué)院院報,2003,20（2）:19-22.

[6]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社,1998.

[7]馬躍峰,朱岳明,劉有志等.姜唐湖退水閘泵送混凝土溫控防裂反饋研究[J].水力發(fā)電,2006,32（1）:33-35.

[8]強 晟,朱岳明,吳世勇等.錦屏一級高拱壩溫度場和應(yīng)力場仿真分析[J].水電能源科學(xué),2007,25（2）:50-52.