關(guān)鍵詞：船閘；大體積混凝土；MIDAS/Civil；水化熱；管冷

中圖法分類號：TU755 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki. slsdkb.2025.05.009

文章編號： 1006-0081（2025）05-0056-07

0 引言

安徽省阜陽市潁上復(fù)線船閘位于淮河第一大支流沙潁河入淮河口最下游，一線船閘與潁上節(jié)制閘之間，船閘級別為V級，設(shè)計(jì)最大船舶噸級為 500t ，兼顧1000t 級，為安徽省重點(diǎn)工程。因該船閘閘室為大體積混凝土，在澆筑過程中內(nèi)外溫差較大，極易造成不同部位自由熱膨脹或收縮，產(chǎn)生拉應(yīng)力和壓應(yīng)力[1，2]，且當(dāng)拉應(yīng)力或壓應(yīng)力超過混凝土抗壓或抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)致使混凝土產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重威脅船閘的安全性和耐久性，降低船閘使用壽命[3-5]。因此，有效控制閘室大體積混凝土水化熱對于保障船閘施工質(zhì)量具有重要意義。

目前工程中主要采用兩種方式解決大體積混凝土開裂問題： ① 溫度控制，包括降低混凝土入模溫度、設(shè)置冷卻水管降溫、加強(qiáng)溫度監(jiān)測和養(yǎng)護(hù)等； ② 改善約束條件，合理分縫分塊、縮小約束范圍，合理安排施工順序[6]。Yang等[]編制了雙層交錯(cuò)非均勻冷卻水管大體積混凝土三維有限元分析程序，成功模擬了大體積混凝土水化溫變效應(yīng)。賀云等[8]基于線單元解耦算法對索塔承臺混凝土水冷澆筑及溫控方案進(jìn)行了模擬研究。李澤江等基于ANSYS軟件分析了承臺混凝土內(nèi)部溫度及應(yīng)力場的分布規(guī)律。丘新溪等[采用MIDAS分析了沉管大體積混凝土水化熱。王祥國等[]采用MIDAS軟件分析了冷管布置等參數(shù)對內(nèi)部水化熱冷卻效果的影響。然而，雖然目前關(guān)于船閘大體積混凝土溫度應(yīng)力的研究較多，但對于管冷溫控技術(shù)的研究相對較少[12]

本文依托潁上復(fù)線船閘實(shí)體工程，在船閘混凝土澆筑工程中引人管冷技術(shù)，運(yùn)用MIDAS/Civil水化熱分析功能，分別構(gòu)建閘室底板、閘室墻及廊道數(shù)值模型，計(jì)算分析混凝土內(nèi)外溫度與應(yīng)力分布情況，重點(diǎn)分析有、無管冷的船閘閘室水化熱發(fā)展變化，研究成果可為船閘閘室大體積混凝土的管冷設(shè)計(jì)研究提供參考。

1工程概況

潁上復(fù)線船閘（圖1）為 IV 級通航標(biāo)準(zhǔn)，尺寸為200m×23m×4m （有效長度 × 閘室凈寬 × 檻上水深），設(shè)計(jì)為單向水頭運(yùn)行，設(shè)計(jì)最大水頭 7.96m ，采用長廊道分散式輸水。主體工程體積龐大，船閘閘室為大體積混凝土，在實(shí)際的設(shè)計(jì)和施工過程中，要重點(diǎn)解決混凝土水化熱引發(fā)的溫度裂縫問題。

2數(shù)值模型建立

2.1 有限元模型

（1）建立無管冷水化熱模型。船閘閘室共分10節(jié)，每節(jié)閘室對稱澆筑，分階段完成，第一階段澆筑中間底板、左右廊道底板；第二階段完成廊道邊墻及頂部澆筑；第三階段完成廊道以上閘室側(cè)墻澆筑。根據(jù)圖1船閘閘室結(jié)構(gòu)尺寸，建立有限元數(shù)值模型，模型采用六面體單元，共60911個(gè)節(jié)點(diǎn)，49590個(gè)單元。無管冷船閘閘室有限元模型見圖2。

（2）建立管冷水化熱模型。在圖2水化熱模型的基礎(chǔ)上，在閘室底板部分增加兩層冷卻管，其余部分不變，建立有管冷船閘閘室有限元模型（圖3）。冷卻管沿混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部均勻布置，在閘室底板布置2層冷卻管，上、下層管通過立管首尾相連。

2.2計(jì)算參數(shù)取值

將船閘閘室水化熱計(jì)算過程分為3個(gè)施工階段：階段一為閘室底板澆筑，澆筑時(shí)環(huán)境溫度為 3°C ；階段二為廊道澆筑，此時(shí)將閘室底板與廊道接觸面的對流邊界鈍化進(jìn)行模擬；階段三為閘室墻澆筑，此時(shí)將廊道與閘室墻接觸面的對流邊界鈍化進(jìn)行模擬，分析時(shí)間為各部位澆筑后 0～1800h ，計(jì)算船閘閘室的溫度場和應(yīng)力場。船閘閘室材料及熱特性值如表1所示。管冷材料及熱特性值如表2所示。

3 結(jié)果及分析

3.1 船閘閘室熱傳導(dǎo)分析

（1）無管冷船閘閘室熱傳導(dǎo)分析。MIDAS/Civil計(jì)算完成后查看每個(gè)分析步驟的溫度分布情況。對不同澆筑部位的船閘閘室對稱剖切（僅展示澆筑后170h溫度場分布），可查看閘室內(nèi)部混凝土的溫度場分布，如圖4所示。由圖4可以看出，船閘閘室具有一般大體積混凝土的水化熱特征，高溫溫度場主要分布于船閘芯部，混凝土表面由于對流作用，溫度值較小，閘室內(nèi)外存在顯著的溫差現(xiàn)象。對比不同階段水化熱分布可以發(fā)現(xiàn)，閘室底板內(nèi)部溫度最高，內(nèi)外溫差最大；澆筑閘底板后進(jìn)一步產(chǎn)生水化熱，高溫主要分布在閘室底板和廊道外側(cè)內(nèi)部實(shí)心部分，閘室內(nèi)外仍保持較大溫差;澆筑閘室墻時(shí)，由于墻體體積較小，產(chǎn)生的熱量較少，且閘室墻與外界對流的墻體面積較大，因而相同澆筑時(shí)間后墻體水化熱值較小，高溫主要來源為閘室底板的殘余熱量。

進(jìn)一步在閘室底板、廊道和閘室墻的內(nèi)部和表面關(guān)鍵位置選擇測點(diǎn)，可得到各測點(diǎn)的溫度發(fā)展曲線。閘室底板內(nèi)部選取節(jié)點(diǎn)N1820（閘室底板1/2高度內(nèi)部點(diǎn)）、N8011（閘室底板1/2高度外部點(diǎn)），表面選取節(jié)點(diǎn)N1873（閘室底板下表面點(diǎn)）N8053（閘室底板上表面點(diǎn)），廊道內(nèi)部選擇節(jié)點(diǎn)N14718、N16319，表面選取節(jié)點(diǎn)N14725、N16308，閘室墻內(nèi)部選取節(jié)點(diǎn)N17548，表面選取節(jié)點(diǎn)N17545。不同位置水化熱變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，船閘閘室混凝土水化熱變化曲線類似拋物線型，內(nèi)部溫度變化較小，外部溫度變化較大。閘室底板澆筑后約5d，水化熱溫度出現(xiàn)峰值，后期溫度緩慢減小。在澆筑 170h 后，N8053

點(diǎn)水化熱溫度再次增大，分析原因可知，連續(xù)澆筑混凝土后，閘室底板上表面點(diǎn)N8053變?yōu)閮?nèi)部點(diǎn)，溫度再次隨時(shí)間呈拋物線式變化。N8011點(diǎn)溫度亦由于廊道澆筑對閘室底板產(chǎn)生熱傳導(dǎo)的原因而產(chǎn)生波動(dòng)。廊道澆筑后，廊道各測點(diǎn)的溫度均隨時(shí)間呈現(xiàn)拋物線式變化，表面點(diǎn)增大速度明顯小于內(nèi)部點(diǎn)。廊道澆筑5d左右，溫度達(dá)到峰值。N16308和N16319點(diǎn)溫度在850h 后再次增大，其增大原因與閘室底板測點(diǎn)N8053相同。閘室墻在第35d澆筑，閘室墻的各測點(diǎn)溫度發(fā)展同樣呈拋物線式，但由于閘室墻與外界存在對流的墻體面積大，各測點(diǎn)溫度增大至峰值后迅速下降。

（2）管冷水化熱模型熱傳導(dǎo)分析。同理，對不同位置的管冷船閘閘室進(jìn)行對稱剖切（僅展示澆筑后170h 溫度場分布），如圖6所示。有管冷船閘閘室各測點(diǎn)的水化熱溫度變化如圖7所示。

進(jìn)一步計(jì)算船閘閘室各構(gòu)件不同條件下的溫度值與差值，結(jié)果如表3所示。由圖7及表3可以看出，與無管冷水化熱溫度相比，設(shè)置管冷后閘室底板的內(nèi)外溫差及最高溫度明顯下降，最大內(nèi)外溫差由 26.71°C 降為 16.56^°C ，小于 25^°C ，滿足抗裂要求?；炷翝仓耐瑫r(shí)在管內(nèi)通人冷水，形成循環(huán)水，可以及時(shí)散發(fā)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的水化熱，能有效降低混凝土內(nèi)部的溫升趨勢。閘室底板澆筑后7d左右，內(nèi)部溫度達(dá)到峰值，內(nèi)外溫差達(dá)到最大，因而冷水停止流入時(shí)間應(yīng)為閘室底板澆筑 170h ○

由圖7可以看出，閘室底板的管冷設(shè)置對廊道和閘室墻的溫度變化趨勢基本無影響。設(shè)置管冷后，廊道和閘室墻的最大內(nèi)外溫差均低于 25^°C ，滿足要求。

3.2船閘閘室溫度應(yīng)力分析

（1）無管冷船閘閘室溫度應(yīng)力。無管冷船閘閘室不同位置的溫度應(yīng)力見圖8（僅展示澆筑后 170h 溫度場分布），船閘閘室各測點(diǎn)應(yīng)力變化曲線和容許抗拉強(qiáng)度見圖9，圖中“S”表示測點(diǎn)應(yīng)力，“A”表示容許抗拉強(qiáng)度，不同測點(diǎn)的設(shè)置與熱傳導(dǎo)分析相同。

由圖8、9可以看出，閘室墻表面承受拉應(yīng)力，內(nèi)部承受壓應(yīng)力。澆筑廊道后，原有閘室墻表面點(diǎn)變?yōu)閮?nèi)部點(diǎn)，水化熱溫度高于表面點(diǎn)而發(fā)生膨脹，其受力狀態(tài)由受拉轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌?；隨著溫度緩慢降低，內(nèi)部點(diǎn)發(fā)生較大收縮，由受壓逐漸轉(zhuǎn)為受拉狀態(tài)。廊道尺寸較小，受底板水化熱溫度影響較大，廊道澆筑完成后受底部閘室底板熱傳遞影響，各測點(diǎn)承受拉應(yīng)力，隨著廊道水化熱釋放，內(nèi)部水化熱增加，溫度升高，各測點(diǎn)由受拉狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，后期溫度的降低，使得廊道受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)化為受拉狀態(tài)。閘室墻的應(yīng)力發(fā)展均呈現(xiàn)拋物線，與廊道應(yīng)力變化類似。澆筑初期，混凝土內(nèi)外溫差使得內(nèi)部受壓、外部受拉；隨著溫度下降，內(nèi)部點(diǎn)發(fā)生較大收縮，產(chǎn)生張拉應(yīng)力。對比可以發(fā)現(xiàn)，閘室底板測點(diǎn)部分時(shí)間段拉應(yīng)力超出施工中容許抗拉強(qiáng)度，應(yīng)采取防裂措施，廊道和閘室墻的應(yīng)力曲線均居于容許抗拉強(qiáng)度曲線的下方，滿足要求。

（2）有管冷船閘閘室溫度應(yīng)力。圖10為有管冷船閘閘室部分階段溫度應(yīng)力，圖11為船閘閘室各測點(diǎn)應(yīng)力發(fā)展曲線和容許抗拉強(qiáng)度。進(jìn)一步計(jì)算船閘閘室各構(gòu)件不同條件下的拉應(yīng)力，對比如表4所示。

由圖10，11及表4可以看出，閘室底板混凝土體積大，水化熱高，無管冷時(shí)混凝土拉應(yīng)力最大達(dá)到 2.31MPa ，超出施工容許抗拉強(qiáng)度值 1.95MPa ，不滿足要求；設(shè)置管冷后，循環(huán)冷水可以及時(shí)散發(fā)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的水化熱，減小混凝土內(nèi)外部溫差，降低拉應(yīng)力，使其滿足施工要求（ lt;1. 95 MPa）。由圖10可以看出，閘室底板的管冷設(shè)置對廊道和閘室墻的拉應(yīng)力值基本無影響，廊道和閘室墻產(chǎn)生的拉應(yīng)力均低于各自容許抗拉強(qiáng)度，滿足要求。

3.3 船閘閘室管冷設(shè)計(jì)分析

基于上述分析可知，船閘閘室管冷應(yīng)根據(jù)混凝土產(chǎn)生的水化熱、升溫降溫情況、混凝土緩凝時(shí)間、澆筑工藝及外界環(huán)境情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。對于船閘閘室底板而言，混凝土厚度較大，應(yīng)布設(shè)管冷?；谏鲜鲇?jì)算分析，當(dāng)混凝土厚度小于 2m 時(shí)，應(yīng)設(shè)置一層冷卻管，當(dāng)混凝土厚度不小于 2m 時(shí)，應(yīng)設(shè)置多層冷卻管，根據(jù)計(jì)算，不同冷卻管的層間距宜為0.5～1.0m 。實(shí)際施工時(shí)，冷卻管應(yīng)按“弓”字型平面布設(shè)，短邊為 2m ，冷卻管外緣混凝土厚為50～75cm 。根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，現(xiàn)場船閘閘室澆筑時(shí)采用層間距為 1.0m 的兩層冷卻管設(shè)置于閘室底板，具體如圖12所示?，F(xiàn)場施工監(jiān)測結(jié)果表明：設(shè)置管冷后，船閘閘室混凝土最大內(nèi)外溫差均低于25^°C ，拉應(yīng)力也均低于各自容許抗拉強(qiáng)度，滿足溫度和施工要求。

4結(jié)論

本文運(yùn)用MIDAS/Civil水化熱分析功能，建立實(shí)體單元模型，分析船閘閘室大體積混凝土澆筑的溫度傳導(dǎo)與應(yīng)力變化規(guī)律，同時(shí)對比有、無管冷的船閘閘室水化熱發(fā)展變化，提出船閘閘室大體積混凝土的管冷設(shè)計(jì)方法，得出如下結(jié)論。

（1）與無管冷水化熱溫度相比，設(shè)置管冷后閘室底板的最高溫度及內(nèi)外溫差下降，閘室底板澆筑大約5d，溫度達(dá)到峰值，后期溫度緩慢下降，最大內(nèi)外溫差由 26.71°C 降為 16.56⁹C ，小于 25^°C ，滿足抗裂要求。

（2）無管冷時(shí)閘室底板混凝土最大拉應(yīng)力達(dá)到2.31MPa ，不滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)管冷后最大拉應(yīng)力減小至 1.16MPa ，符合最小容許抗拉強(qiáng)度 1.95MPa 要求。

（3）冷卻管的設(shè)計(jì)層數(shù)由混凝土的厚度決定，厚度小于 2m 時(shí)，宜布設(shè)一層，厚度不小于 2m 時(shí)，應(yīng)布設(shè)多層，層間距一般為 0.5～1.0m 。現(xiàn)場施工監(jiān)測表明：設(shè)置管冷后，船閘閘室混凝土最大內(nèi)外溫差和拉應(yīng)力滿足溫度和施工要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]尤祥，何娟，歐陽偉，等.小溪灘船閘大體積混凝土水化熱分析[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，16（3）：67-71.

［2］鄧柏旺．南新涇泵閘大體積混凝土閘底板溫度應(yīng)力場有限元計(jì)算分析［J]．水利水電快報(bào)，2024，45（增1）：51-56.

［3]李琳，彭書成，郭信鋒，等．基于FC 材料的大體積混凝土抗裂性能提升研究［J]．人民長江，2022，53（11）：153-157.

[4]鄧春林，范洪浩，張琴飛．船閘工程混凝土裂縫控制技術(shù)[J].水運(yùn)工程，2015（3）：123-127.

[5]王鐵夢．工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M].北京：中國電力出版社，1999.

[6]朱文明，王華，湯建宏.船閘大體積混凝土溫控技術(shù)應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2022（2）：214-218.

[7]YANG J，HU Y，ZUO Z，et al. Thermal analysis of mass con-crete embedded with double-layer staggered heterogeneouscooling water pipes[J].Applied Thermal Engineering，2012（35）：145-156.

[8]賀云，賀金龍，余棚，等.索塔承臺大體積混凝土溫度控制研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2020，17（2）：372-378.

[9]李澤江，賀金龍，余棚，等．索塔承臺大體積混凝土溫度及應(yīng)力場監(jiān)測與有限元分析[J]：鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2020，17（11） ：2892-2900.

［10]丘新溪，豐收，呂建兵，等.大體積混凝土沉管隧道溫度場的數(shù)值仿真分析[J]．路基工程，2020（1）：125-130.

[11］王祥國，彭一凡，楊孟剛．高鐵簡支鋼管拱橋拱座大體積混凝土水化熱及溫控措施研究[J]．鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2020，17（3）：549-555.

[12]陳明華，靳良．船閘大體積混凝土水化熱溫度監(jiān)控及有限元仿真分析[J].水運(yùn)工程，2020（3）：98-103，154.

（編輯：江燾，舒忠磊）

Hydration heat analysis and pipe cooling design of large volume concrete in ship locks based on MIDAS/Civil

QI Yueqiang1，CONG Chengnan2

（1.Shandong HuangheShuncheng WaterConservancyandHydropowerEngineringCo.Ltd.，Jinan25o32，China；2.Zangqi Yellow RiverAffairsBureau，Jinan 25oo32，China）

Abstract：In order to reduce the adverse efects produced bybulk concreteduring the heat ofhydration，relying on the physical engineringof the Yingshang double track shiplock，the MIDAS/Civil hydration heat analysis function was innovativeusedto establishasolidunit model toanalyze the temperature transitionsandstress changesofthe massconcrete pouring inthe ship lock chamber.At the same time，the development and changes of hydration heat in the ship lock chamber withor without pipecooling were compared，and apipe cooling design method forlarge volume concrete inship lock chambers was proposed.The research results indicated that pipe cooling could reduce the temperature diference insideand outsideof the ship lock chamber，reduce the tensile stressof theconcrete，andavoid theoccurrenceof temperature cracks. When the concrete thickness was less than 2m，a layer of pipe cooling should be designed. When the concrete thickness was no less than 2m ，it was advisable to design multi-layer pipe cooling.It was recommended to have a layer spacing of 0.5 to 1.0m .The research results can provide a reference for the design and research of pipe cooling for large volume concrete of ship lock chambers in rivers such as the Yangtze River.

Key words：navigation lock ； mass concrete;MIDAS/Civil; heat of hydration；pipe cooling