張悅 溫新捷 殷慶 張春君 劉斌

摘要：為研究水電站阻抗式調(diào)壓室施工期溫度及溫度應力特征，基于溫度場和溫度應力場計算的基本原理，在通用大型有限元計算軟件ANSYS基礎上編制了二次開發(fā)程序，結合阻抗式調(diào)壓室結構特點，對白鶴灘水電站6#阻抗式尾水調(diào)壓室的溫度場及溫度應力場進行了有限元仿真計算。根據(jù)仿真計算結果，提出了通過采取控制澆筑溫度及通水冷卻等溫控防裂措施，分流墩最高溫度控制標準為42℃，為白鶴灘水電站調(diào)壓室施工過程中的溫度控制及防裂設計提供依據(jù)。

關鍵詞：混凝土；溫度裂縫；施工仿真；阻抗式調(diào)壓室

中圖分類號：TV313

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.030

大體積混凝土結構因混凝土水化熱可能會產(chǎn)生施工期的溫度裂縫。在混凝土壩施工過程中會采用嚴格的溫控措施，但其溫度裂縫問題仍然尤為突出。而其他大體積混凝土結構如大型調(diào)壓室、水閘、船閘等建筑物，施工期的溫度應力往往被忽視，通常情況下混凝土澆筑過程中不采取溫控措施。調(diào)壓室等結構在運行期會受高速水流沖刷，一旦發(fā)生裂縫，混凝土會產(chǎn)生空蝕，裂縫在水流的作用下逐漸貫通，會影響結構的正常使用、縮短其使用壽命。因此，對于這些類型的大體積混凝土結構，施工期的溫度仿真計算很有必要。

國內(nèi)外對大體積混凝土溫控防裂的研究已取得比較豐碩的成果，但學者們關注的焦點通常集中在大壩大體積混凝土結構。對于地下工程大體積混凝土結構，目前國內(nèi)外的研究相對較少。特別是地下廠房的調(diào)壓室，為優(yōu)化其結構型式，研究通常集中在三維流場的仿真計算分析，目前國內(nèi)外沒有開展針對調(diào)壓室的溫控研究，相關規(guī)范也沒有對調(diào)壓室溫度應力的計算作詳細說明。Takayama等針對混凝土材料、施工方法以及氣候等現(xiàn)場影響因素，試驗分析混凝土早齡期溫度及應變，提出了防止裂縫的方法措施。曾昭揚等 研究了混凝土拱壩中“誘導縫”的開裂可靠性、等效強度和設置位置問題，并在砂牌混凝土拱壩工程中得到應用。段亞輝等基于三峽永久船閘輸水洞襯砌施工期溫度與應力監(jiān)測作了一系列研究，利用實測資料計算分析輸水隧洞襯砌混凝土邊墻和頂拱的溫度應力，提出了大型隧洞襯砌混凝土施T期的溫控有效措施。朱岳明等結合姜唐湖退水閘工程、曹娥江大閘等工程，研究建議在閘墩混凝土內(nèi)部采用水管降溫方式降低早期混凝土的內(nèi)部溫度峰值。

筆者在參考國內(nèi)外相關研究的基礎上，針對阻抗式調(diào)壓室的結構特點，結合溫度場和溫度應力場計算的基本原理，在通用大型有限元計算軟件ANSYS基礎上編制二次開發(fā)程序，對阻抗式尾水調(diào)壓室的溫度場及應力場進行有限元計算。結合阻抗式調(diào)壓室施T仿真計算的結果，分析調(diào)壓室溫度場以及溫度應力場的特征，以期為調(diào)壓室類似結構的大體積混凝土施T期抗裂安全評價及各項安全系數(shù)的確定提供參考。

1計算原理

1.1溫度場計算原理

根據(jù)熱量平衡原理，固體熱傳導基本方程為初始條件為

T=T0（x，y，z）

（2）

第一類邊界條件：

T=Ts

（3）

第三類邊界條件：式中：x、y、z為坐標：τ為時間；α為混凝土的導溫系數(shù)，α= λ/cρ，λ為混凝土的導熱系數(shù)，c為比熱容，ρ為密度；θ為材料的絕熱溫升；hf為對流換熱系數(shù)；Tf為物體周圍的流體溫度；Ts為物體表面的溫度；T為混凝土的溫度；n表示表面外法線方向。

1.2溫度應力計算原理

混凝土在復雜應力狀態(tài)下的應變增量主要由彈性應變增量、徐變應變增量、溫度應變增量、白生體積變形應變增量以及干縮應變增量等構成引，即

2計算模型及條件

2.1有限元模型

基于溫度及溫度應力計算的基本原理，選取白鶴灘水電站6#阻抗式尾水調(diào)壓室為研究對象，計算結構段為尾水調(diào)壓室流道襯砌，包括底板以及邊墻，襯砌厚度3.0m，圍巖為Ⅲ類圍巖。圍巖范圍徑向取2倍開挖半徑，巖體和襯砌統(tǒng)一采用空間八節(jié)點等參單元，整體模型共劃分三維塊體單元118499個，襯砌中央橫斷面處混凝土塊體單元尺寸不超過0.6m。調(diào)壓室有限元模型見圖1。

阻抗式調(diào)壓室結構部位主要包括流道襯砌底板和邊墻、分流墩以及阻抗板，材料均為C9030泵送混凝土。施工中混凝土由底板白下而上澆筑，底板、邊墻、分流墩、阻抗板均分兩次澆筑。同一部位的兩個澆筑層混凝土澆筑間隔期為7d；底板、邊墻澆筑的間隔期為31d；分流墩的澆筑與流道襯砌的邊墻同步，分流墩、阻抗板澆筑的間隔期為31d。各部位混凝土均在澆筑完成3d后拆除模板，隨后灑水養(yǎng)護至下一混凝土澆筑層施工開始。筆者在ANSYS軟件中使用生死單元的方法來模擬施工過程。

2.2初始條件及邊界條件

地溫分布通常較為穩(wěn)定均勻，地表深10 m以上地溫基本上就是年平均氣溫。尾水調(diào)壓室深埋地下，因此圍巖初始溫度均取多年平均氣溫（ 25℃），溫度場計算中在圍巖邊界處均取恒溫條件。施工仿真過程中，圍巖及調(diào)壓室混凝土與空氣接觸的邊界均取第三類邊界條件。氣溫的年周期變化過程采用《水工建筑物荷載設計規(guī)范》（DL5077-1997）中的余弦函數(shù)來模擬：式中：Ta為t時刻的環(huán)境氣溫；A為多年平均氣溫；B為氣溫年變幅；C為最高氣溫距離1月1日的天數(shù)。

調(diào)壓室混凝土澆筑溫度取16℃。溫度應力計算中，在圍巖邊界各個面施加法向約束。

3施工過程溫度及溫度應力仿真

這里主要研究在無溫控措施施工的情況下，尾水調(diào)壓室內(nèi)部溫度及溫度應力的變化發(fā)展規(guī)律。由于分流墩尺寸比流道襯砌及阻抗板的大，因此選取調(diào)壓室分流墩上代表點，分析其溫度及溫度應力特征。在分流墩中間斷面選取5個代表點，見圖2。

3.1溫度場計算結果

無溫控措施下，各代表點的溫度歷時曲線見圖3。從澆筑時起，分流墩混凝土的溫度場經(jīng)歷了水化熱溫升、溫降并最終隨環(huán)境氣溫周期變化三個階段。由于混凝土水化速率會隨時間減小，因此混凝土溫度在到達峰值后，結構表面溫度開始趨同于洞內(nèi)氣溫，逐漸隨氣溫作周期性（年）變化。由于熱交換條件不同，因此分流墩圍巖側代表點（點②）和中間代表點（點①、點⑤）的溫度變化一般滯后于洞內(nèi)氣溫變化周期，表面與空氣接觸的代表點（點④）年周期溫度變化約等于洞內(nèi)氣溫變化。

3.2溫度應力仿真結果

尾水調(diào)壓室在施工期所受荷載主要為溫度荷載、自重以及混凝土徐變產(chǎn)生的荷載。自重按施工澆筑過程分層施加，不考慮圍巖白重和徐變。

在不采取溫控措施的情況下，溫度應力歷時曲線見圖4，各代表點最大拉應力及最小抗裂安全系數(shù)見表1。由表1可知，各代表點都不滿足抗裂安全要求（《混凝土重力壩設計規(guī)范》（SL319-2005）中，抗裂安全系數(shù)取值不小于1.5），因此必須采取溫控措施。

由圖4各代表點的應力歷時曲線可以看出，調(diào)壓室分流墩約束自由面上點的散熱條件好、溫升小、溫降速度快，這些位置的溫度應力往往較?。欢釛l件不好的內(nèi)部點，溫升高、溫降大，但溫降時間長、溫降速度慢。內(nèi)部混凝土由于彈性模量增大，因此其后期溫度應力往往比較大，這一特征意味著分流墩在溫度應力的作用下，易從內(nèi)部開裂，甚至造成貫通裂縫。這是阻抗式調(diào)壓室混凝土與通常意義的水工大體積混凝土（易于從表面開裂）的不同之處，在實際施工中需要注意。

4溫控措施及溫控標準

4.1溫控方案的選取

因無溫控措施情況下抗裂安全系數(shù)不滿足要求，故需采取溫控措施。通過在編制的溫控計算程序中改變相應計算參數(shù)，擬定了不同溫控方案（見表2，其中方案1為無溫控措施方案）進行計算，直至各代表點最小抗裂安全系數(shù)計算值滿足要求。各項方案溫度計算結果對比見表3，各代表點最小抗裂安全系數(shù)計算結果對比見表4。

4.2溫控標準及溫控措施

結合溫度應力的計算結果，采用方案4的溫控措施可滿足溫控防裂要求，因此推薦白鶴灘水電站6#阻抗式尾水調(diào)壓室分流墩采用如下溫控措施：澆筑溫度為16℃；分兩層澆筑，間隔時間為7d，第二層澆筑后3d拆模，拆模后灑水養(yǎng)護28d；布置水管進行通水冷卻，水管水平間距為1m、垂直間距為0.75m，通水溫度為13℃，通水時間建議為18d，通水流量45m^3/d。相應的溫度控制標準：分流墩最高溫度控制為42℃。

5 結 語

大型水電站阻抗式調(diào)壓室結構（阻抗板、分流墩和流道等）通常襯砌規(guī)模大，一次澆筑的混凝土體積較大，且運行期承受的水壓力較大，受力情況較為復雜，因此這類結構施工質量的要求往往較高。溫度荷載為大體積混凝土施下期裂縫產(chǎn)生的主要因素之一。以白鶴灘水電站6#阻抗式尾水調(diào)壓室為例，建立了阻抗式調(diào)壓室的三維有限元模型，對調(diào)壓室混凝土溫度場及應力場進行了仿真計算。結合仿真計算結果以及《混凝土重力壩設計規(guī)范》（SL 319-2005）相關的溫控標準，對調(diào)壓室分流墩的施工給出推薦的溫控方案，制定了相應的溫控標準。該研究可為白鶴灘水電站調(diào)壓室施工過程中的溫度控制及防裂設計提供依據(jù)。