高混凝土拱坝一期水冷温度对水管周边混凝土的影响.pdf

第8 卷 第4 期 中国水利水 电科学研究 院学报 V o 1 ．8 N 。 ．4 2 0 1 0 ~ 1 2 月 J o u rna l o f C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d Hy d r o p o w e r Re s e a r c h D e c e mb e r ， 2 0 1 0 文章编号 ： 1 6 7 2 — 3 0 3 1 ( 2 0 1 0 ) 0 4 — 0 2 9 9 — 0 5 高混凝土拱坝一期水冷温度对水管周边混凝土的影响 唐忠敏 ，李松辉2张国新2刘 毅 ( 1 ． 中国水 电顾 问集 团 成都勘测设计研究院 ，四川 成 都6 1 0 0 7 2 ； 2 ． 中国水利水 电科学研究院 结构与材料研究所 ，北京 1 0 0 0 3 8 ) 摘要 ：混 凝土拱坝一 期水管冷却 一般在 刚浇 筑完混凝 土后采用通水 冷却 1 0 — 2 0 d ，目的是起 到消峰控温 的作用 ， 然而在实际的工程操作 中，施工方有时为了控制最高温度而大限度地降低一期冷却水温 。本文 以锦屏一级高拱坝 为例 ，借助于有 限元计算 ，建立了水管冷却 的精细模型 ，从理论上解决了三个方 面的问题 ，一是是否冷却水温越 低对最高温度的控制就越好 ，二是不 同冷却温度对混凝土周边温度应力 的影 响 ，三是不 同管材( 包括塑料管和铁 管) 对混凝土温度应力 的影响 ，从而为工程实践提供 了一定的依据。 关键词 ：高拱坝 ；一期冷却 ；水温 ；水管 中图分类号 ：T V3 1 5 文献标识码 ：A 1 研究背景 混凝 土 大坝 的体 积一 般 较庞 大 ，在 没有 人 工 冷却 等措 施 的条件 下 ，由于 日照 、水泥 水 化热 等 的 影响，坝体内部温度将升高 1 O ～ 2 O ℃，混凝土最高温度可能达到4 0 ℃以上 ，一般发生在混凝土浇筑后 3 d 左右的时间。混凝土的天然冷却非常缓慢 ，故在混凝土拱坝施工过程 中， 为降低坝体混凝土的温度， 一 般 在坝 体 中需 埋设 大量 的蛇形 冷却 水管 。 混凝土的一期冷却 ，即在混凝土浇筑后初期采用通水冷却 ，目的是起到消峰控温 的作用 。一期 冷却 处 于混 凝 土早 期 ，强 度较 低 。在 实 际施 工 过程 中有 时施 工人 员 为 了有 效地 控 制最 高 温度 ，往往 通过降低水管通水水温的方法对其进行控制 ，这样就会在混凝土冷却水管周边形成较大的温差 ，而 温度应力主要是 由于温差所造成的 ，过大的温差会形成较大的温度应力 ，使得水管周边混凝土存在 一 定的开裂风险。超低温水 的运用能否从根本上有效地控制最高温度 ，以及其对水管周边 的应力造 成多大地影响 ，本文将 以此为研究 目的 ，以锦屏一级高拱坝为例 ，通过有限元计算 ，分析一期冷却 温度 降低对 已浇层 混凝 土 的影响 ，从 而从 理论上 为施 工提 供有 力 的依 据 。 2 温度场及应力场 的有 限元理论 2 ． 1 温度场基本方程 由热传导理论 ，大体积混凝土结构非稳定温度常在某一区域 R内应满足下列 微分 方程 及相 应 的边 界 条件 + + 0 2 __ L + 1 ( o o 一 一 O T2 2 ] = 0 a 。 a v 。 a 2 。 口 a r a f 式 中 ：a 为导 温系数 ； 边界条件是： = ；一 A = q ；一 A = 卢( 一 ) 。其中：A 为导热系数；卢为放热系数；f 为 O n O n ‘ 、 “ 时 间 ；0 为 绝热 温升 。 收稿 日期 ：2 0 1 0 — 0 9 — 0 8 基金项 目：国家科技支撑计划项 目( 2 0 0 8 B A B 2 9 B O 5 ) ；水利部行业公益科研专项 ( 2 0 0 8 0 1 0 0 7 ) ；国家 自然科学重点基金 ( 5 O 9 O 9 1 O 5 ) 作 者简介 ：唐忠敏( 1 9 7 3 一 ) ，男 ，重庆梁平人 ，高级工程 师，主要从事于水工结构设计研究。E — ma i l ：t a n g z m@v i p ． s i n a ． c o rn - -- —— 2 9 9 - --— — 高混凝土拱坝一期水冷温度对水管周边 混凝土 的影响 唐忠敏李松辉 张 国新刘 毅 2 ． 2 应力基本方程温度用增量法求解 ，把时间碱0 分成一系列 时间段 ：A r I 、△ r 2 ⋯⋯、△ ，在时 段△ r 内产生的应变增量为 ： } = ( ) } 一 { 8 n ( z ． ) } = + + } + ) + ： } ( 2 ) 式中 ： { △ ： ) 、 { △ 8 ： ) 、 { △ } 、 { △ ) 和 { △ ： } 分 别 为 弹 性 应 变 增 量 、 徐 变 应 变 增 量、 温 度 应 变 增 量、 自 生体积变形增量和干缩应变增量。 相应地 ，得到由以上因素引起 的节点荷载增量 ，进行单元集成后得到整体的平衡方程 ： 【 K] { △ 6 } = { △ P } ( 3 ) 由 { △ } 与{ △ } 的对应关系，可求得{ △ } ， 累加后得到各个单元r 时刻的 应力 { A o " } = ∑{ } ( 4 ) 3 工程计算实例 3 ． 1 工 程概 述锦 屏 一级 水 电站 位 于 四j i I 省 凉 山彝族 自治 州 木里 县 、盐 源县 交 界处 的雅 砻 江大河 湾 干流河段上 ，属 于大( 1 ) 型工程 ，是 目前世界上在建 的最高拱坝 。永久性建筑物为 1 级建筑物，混凝 土双曲拱坝 ，坝顶高程 I 8 8 5 ． 0 m，建 基面高程 1 5 8 0 ． 0 m，最大坝高 3 0 5 ． O m，拱冠梁顶厚 1 6 m，底厚 6 3 m。大坝设置 了2 5 条横缝 ，将大坝分 为2 6 个坝段 ，横缝 间距在2 0 ～ 2 5 m，平均坝段宽度为2 2 ． 6 m， 施工期不设纵缝 ，通仓浇筑 ，最大浇筑块尺寸约为 3 0 mx 6 0 m，最大浇筑仓面面积超过2O 0 0 m 。锦屏 一 级拱坝具有大尺寸通仓浇筑 、坝体结构复杂和混凝土抗裂性能一般等特点，温控难度较大 。 3 ． 2 计算模 型及 工况 计算模型考虑 了混凝土浇筑施工层 ( 共 4 层 ，每层 1 ． 5 m) ，水管间距 1 ． O mx 1 ． S in，计算材料参数参见表 1 。本文 主要用 C 3 5 混凝土的力学参数为例进行计算分析，计算模型如 图 1 、图 2 所 示 ，计 算 工况见 表 2 。 图 1 整体计算模型 图 2 整体模 型局部 网格放大 表 1 主要热力学参数 _—— 3 0 0 —— — — 高混凝土拱坝一期水冷温度对水 管周边混凝土 的影响 唐忠敏李松辉张国新刘 毅 表2计算工况 注 ：计 算 时考 虑半 均 情 况 ，外 界 散 热 边 界 条 件 为 年平 均 气温 ，取 1 7 ． 2 【 ℃。 3 ． 3 计算结果分析 ( 1 ) 对最高温度 的影响。离水管越近 ，一期冷却水温对混凝土最高温度的影 响越大 ，离水管越 远 ，影响越小。这是 由于温度计一般布置在两层水管中间位置 ，1 1 。 【 = 和 2 ℃冷却水时 ，最高温度分别 是 2 3 ． 9 ℃和 2 2 ． 7 ℃ ，相差 仅 1 ． 2 ~ C 。 ( 2 ) 对 混 凝土周 边 应力 的影 响 。重 点关 注最 上部 一层 浇 筑混 凝土 水管 周边 的 温度应 力 ，选 择典 型 点进 行分 析 ，如 图 3 所 示 ，水管 下部 为老 混凝 土 ，取 距 离水 管周 边不 同距 离 的4 个 点 ( 编号 1 、2 、3 和 4 ) ，水 管上 部 为新 混凝 土 ，取 距 离水 管周 边 不 同距 离 的 4 个 点 ( 编号 5 、6 、7和 8 ) 。这些 典 型点 的 温 度 和应 力过 程如 图 4 一 图 6 所 示 。 ／ ＼ 广 ／ 、 ／ ／ ＼ ＼ ／ ／ ＼ ＼ ／ ／ ＼ ／ ／ ／ ＼ ＼ ＼ ／ ㈠ ＼ ＼ ／ l 1 、5点为水管表面点 ；2 、6点距水管 0 O 0 5 m l l 3 、7点距水管 O 0 3 8 m； 4 、8点距水管 O 0 7 6 m J 图 3 典型点位置 对于水管下部 的老混凝土 ，这一水管通水冷却前 ，混凝土温度较高( 2 O ℃) ，通水冷却时 ，水管 周边混凝土从较高温度迅速 向水温靠近 ，离水管越近 ，温降速度越快 ，在水管周边形成较大的温降 幅度的梯度 ，且水温越低 ，温降幅度的梯度越大 ，铁管导温系数较大 ，温降幅度 的梯度相对塑料管 更 大 。 对于水管上部的新浇筑混凝土 ，混凝土浇筑的同时进行通水冷却 ，水管周边 的混凝土未升至较 高温度 ，保持与水温较为接近的温度。虽然与水管距离的不 同也有一定的温度梯度 ，但是这些部位 的温度与温度梯度是一直保持不变的 ，并没有发生大的变化 。温度降低产生收缩变形 ，温降幅度不 均匀就会使得这一变形不均匀 ，从而产生 自生约束 。因此 ，水管下部的老混凝土 由于温降幅度的不 均匀从 而产 生拉 应力 ，而水 管上 部 的新浇 混凝 土 由于没 有 明显 的温降过 程 ，拉应 力不 大 。 塑料水管通2 ℃冷却水时 ，水管下部最大拉应力 1 ． 6 MP a ，超过容许拉应力值( 1 O d 龄期 ，容许拉应 力 0 ． 8 MP a ) ，离水管越远 ，拉应力迅速衰减 ，离水管4 c m时 ，拉应力等于容许拉应力值 ，表明在水管 周边4 c m的直径范围，存在很大的开裂风险。 ( 3 ) 塑料 管 和铁 管影 响 分析 。塑 料水 管 通 5 ℃、 力分别为 1 ． 3 5 、1 ． 1 0 和0 ． 8 0 MP a 。即1 1 ℃冷却水时 ， 8 ℃和 1 1 ℃冷却水时 ，水管下部管壁处的最大拉应 最大 拉应 力与 容许 拉应力 相 当 。铁 管通 2 q C 、1 1 ℃ 一 3 01 — 高混凝土拱坝一期水冷温度对水管周边 混凝土 的影响 唐忠敏李松辉 张国新 刘 毅 冷却水时 ，水管下部管壁处 的最大拉应力分别为2 ． 7 5 和 1 ． 3 5 MP a 。铁管通 2 ℃时 ，离水管约 6 c m时 ， 拉应力等于容许拉应力值 ，铁管 6 c m的直径范围内存在较大的开裂风险。 总之 ，塑料水 管通 1 l ~ G 水时 ，只要浇筑混凝土 同时通冷却水 ，水管周边应力均不大 。铁管时 ， 水管壁 应力 早期 略微 超标 ，但超 标 幅度不 大 。横 向应 力分 布见 图 7 、图 8 。 ， l k h O 3 6 9 l 2 l 5 1 8 21 龄期／ d ( a ) 2 ℃水时温度过程线 2 2 1 2 5 0 羔 1 5 0 R 毯 O 5 0 0 5 O 一 —● ／ ● — - ～ — ●— 一 啐 ： 免 ， 龄期／ d ( b ) 2 ℃水时 向应力过程线 图4 水 管下部不 同深度点温度及应力过程线 ( 塑料管 2 ~ C 冷水) ～ 、 0 3 6 9 1 2 1 5 1 8 21 龄期 ／ d ( a ) 1 I C水时温度过程线 一 水管表面 + 距水管 O O 0 5 m — 距水管 O 0 3 8 m — 距水管 O 0 7 6 m ．●， 一 事鼍 ● 一 鞫 } ， - 龄期 ／ d ( b ) 1 I ~ C水时X向应力过程线 图 5 水管下部不 同深度点温度及应力过程线 ( 塑料管 1 l ℃冷水 ) ～ I ； J ．粤 1 1／ ／ 曩 — ※ — 鏖 r l 嘲 l 0 3 6 9 l 2 1 5 】 8 2 龄期 ／ d ( a ) 塑料管 2 c c 水时应力过程线 一 抗拉强度 — — 容许拉应力 ～ 一 水管表面 *距水管 0 O 0 5 m — 静。距水管 0 0 3 8 m +距水管 0 0 7 6 m 2 5 1 5 o 5 一 O 5 ． 一 ／ r 产 、 譬 一 “ f 《 } 龄期 ／ d ( b ) 钢管 1 1 ℃水时应力过程线 图6 不 同深度点应力过程线 一 抗拉强度 — 容许拉应力 — 一水管表面 呻 距水管 O ．O 0 5 m —■ 距水管 0 ， 0 3 8 m +距水管 0 ．0 7 6 l r l 一 抗拉强度 一 容许拉应力 — 一 水管表面 *距水管 0 ．O 0 5 m 叫 距水管 0 ．0 3 8 m +距水管 0 0 7 6 m 一 抗拉强度 一 容许拉应力 — 一 水管表面 叶 距水管 0 O 0 5 m — ■ 距水管 0 ． 0 3 8 m — 一距水管 0 0 7 6 m 图7 钢管周边横向应力 ( 1 1 ℃水 ；单位 ：x l O - MP a ) 图8 塑料管周边横 向应力( H~ c T I ~ ；单位 ： 1 0 ～MP a ) — - - —— 3 0 2 -— — 高混凝土拱坝一期水冷温度对水管周边混凝土的影响 唐忠敏李松辉张国新刘 毅 4 结语 水管冷却是大体积混凝土施工 中一项重要的温控措施 。我国拱坝设计规 范明确规定 ，采用水管 冷却措施时 ，冷却水温与冷却过程中的混凝土最高温度之差不能大于2 5 ℃。本文结合 目前在建的世 界最高拱坝一锦屏一级拱坝 ，根据水管冷却精细模型的有限元计算成果 。分析 了不 同冷却温度和不 同管材对混凝土周边温度应力 的影响情况 ，说 明锦屏一级拱坝采用 2 ℃与采用 1 l ℃水管一期冷却混凝 土最高温度相差不大 ，但对于应力的影响较为明显 。计算表 明，一期冷却时2 ℃冷却水可能在水管周 边产生微裂缝 ，1 1 ℃冷却水且采用塑料水管冷却可满足要求 ，即在施工过程中 ，水管冷却水温不应 小 于 l 1 ℃ ，此 时 ，最 高温 度 与通 水 水温 之 差 为 l 3 ℃ ，故 对 于特 高拱 坝 ，由于 浇筑 块 尺 寸较 大 ，应 力 水平较高 ，对于一期冷却水温应该从严控制。 参考文献 ： [1 ] 朱伯芳 ． 大体 积混凝土温度应力与温度 控制 [ M] ． 北京 ： 中国电力 出版社 ， 1 9 9 9． [2 ] 张 国新 ． 大体 积混凝 土结构结 构施工 期温度 场 、 温度应 力分析 程序包 S A I S 编制说 明及用 户手册 [ R ]． 1 99 4—2 0 05． [3 ] 赵永刚 ． 锦屏一级高混凝土拱坝基 础处理研究 [ D] ． 武汉 ： 武汉大学 ， 2 0 0 3． [4 ] 中国水利水 电科学研究 院 ． 大坝混凝 土开 浇前若 干温控问题专题分析报告 [ R] ． 北京 ：中国水利水电科学 研究 院， 2 0 0 9． Th e i m pa c t o f t he wa t e r -c oo l e d t e m p e r a t ur e i n t he fir s t s t a ge o n th e c on c r e t e a r o und th e wat e r pi pe s i n hi g h c o nc r e t e ar c h da m TANG Zh o ng — mi n ， LI S o ng —h ui ，ZHANG Gu o —x i n ， LI U—Yi ( 1 ． H y d r o c h i n a C h e n g d u E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ，C h e n g d u 6 1 0 0 7 2 ，C h i n a ； 2 ． D e p t ． o fS t r u c t u r e a n d Ma t e r i a l s ，I W HR，B e in g 1 0 0 0 3 8，C h i n a ) Abs t r ac t ： The wa t e r -p i p e c o o l i ng o f t h e c on c r e t e a r c h da m i n t h e fir s t s t a g e g e ne r a l l y a d o pt s wa t e r c o o l — i n g f o r 1 0 — 2 0 d a y s a f t e r j u s t fi n i s h i n g p o u r i n g c o n c r e t e f o r t h e p u r p o s e o f c o n t r o l l i n g t h e ma x i mu m t e mp e r a — t u r e ．Ho we v e r， c on t r a c t o r s r e du c e t he c o l d wa t e r t e mpe r a t u r e t o t he g r e a t e s t e x t e n t i n t he fir s t s t ag e i n o r — d e r t o c o n t r o l t h e m a x i m u m t e m p e r a t u r e i n t h e p r a c t i c a l p r o j e c t s ．B y me a n s o f t h e fi n i t e e l e me n t c a l c u l a — t i o n a n d t h e p r e c i s i o n mo d e l e s t a b l i s h me n t for wa t e r - p i p e c o o l i n g ， t h e p a p e r t a k e s J i n g p i n g I Hi g h Ar c h D a m for a n e x a mp l e t o s o l v e t h e p r o b l e ms t h e o r e t i c a l l y i n t h r e e a s p e c t s ．T h e fi r s t i s t o fin d o u t wh e t h e r t h e l o w e r t h e t e mp e r a t u r e o f t h e c o o l i n g w a t e r i s ， t h e b e t t e r t h e max i mu m t h e mp e r a t u r e i s c o n t r o l l e d； t h e s e c o n d i s h o w d i f f e r e n t c o o l i n g t e mp e r a t u r e s aff e c t t h e t e mp e r a t u r e s t r e s s o f t h e s u r r o u n d i n g c o n c r e t e， t h e l a s t i s h o w v a rio u s p i p e p r o d u c t s ， i n c l u d i n g p l a s t i c a n d s t e e l p i p e s ， a f f e c t t h e c o n c r e t e t e mp e r a t u r e s t r e s s ． T h e fi n d i n g s o f t h e p a p e r w i l l p r o v i d e a b a s i s for t h e p r o j e c t p r a c t i c e s ． Ke y wor d：hi g h a r e da m ；first -t i me- c o o l i n g；wa t e r t e mpe r a t ur e； p i p e ( 责任编辑 ：王冰伟 ) — -—— 30 3 - 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