河口村水库进水塔底板混凝土温控仿真分析.pdf

第 3 6卷第 1 0期 2 0 1 4年 1 0月 人民黄河 Y EL L O W RI VE R Vo 1 3 6， No 1 0 Oc t 201 4 【 工程建设 管理 】 河 口村水库进水塔底板混凝土温控仿真分析 竹 怀水 ， 徐庆 ， 王永新 ( 黄河勘测规划设计有限公司， 河南 郑州 4 5 0 0 0 3 ) 摘要： 河口村水库进水塔底板混凝土处于基础强约束区， 温控标准严格。如何采取经济合理的温控措施降低温度裂缝 风险及保 证结构安 全 ， 成为整个进水塔 架温控 中的难点 与关键 点。利 用 A N S Y S三维建模对进 水塔 架底 板 混凝 土结构进 行温度控制仿真分析， 计算底板混凝土在高温季节与低温季节的温度场与应力场， 并进行对比分析。结果表明， 高温李 节下浇筑底板混凝土需要采取的温控措施比低温季节施工要严格得多， 且温控成本大， 出现温度裂缝风险较高， 故建议 底板混凝土安排在低温季节施工 。 关键词 ： 底板 混凝土；温度 场；温度应 力；温控仿 真分析 ；河 口村 水库 中图分类号 ：T V 7 3 2 1 文献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 4 1 0 0 3 6 Te mpe r a t u r e Co n t r o l S i mul a t i o n Ana l y s i s f o r Ba s e S l a b o f I n t a ke To we r o f He ko u c u n Re s e r v o i r Z H U Hu a i s h u i ， X U Q i n g ，WA N G Y o n g x i n ( Y e l l o w Ri v e r E n g i n e e ri n g C o n s u l t i n g C o L t d ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 3 ，C h i n a ) Abs t r a c t ：Cri t e rio n o f c o n c r e t e t e mp e r a t u r e c o n t r o l a t b a s e s l a b o f i n t a k e t o we r o f He k o u c u n Re s e r v o i r i s s t ri c t o wi n g t o i t s l o c a t i o n o f s t r o n g c o n s t r a i n t r e g i o n T h e d i f f i c u l t a n d k e y p o i n t f o r t e mpe r a t u r e c o n t r o l is h o w t o r e d u c e t h e r i s k o f c r a c k ing a n d e n s u r e t h e s t r u c t u r a l s a f e t y Te mp e r a t u r e c o n t r o l o f b a s e s l a b o f t h e r e s e r v o i r wa s a na l y z e d wi t h ANS YS 3D mo d e l i n g I t c alc u l a t e d t h e c o n c r e t e t e mp e r a t u r e fie l d a n d t h e r mal s t r e s s f o r h J g h a n d l o w t e mp e r a t u r e s e a s o n s r e s p e c t i v e l y a n d t o ma d e e o n t r a s t i v e a n a l y s i s T h e r e s u l t s s h o w t h a t s t ric t e r t e mp e r a t u r e c o n t r o l me a s u r e s mu s t b e t a k e n i n h i g h t e mp e r a t u r e s e a s o n t h a n i n l o w t e mp e r a t u r e s e a s o n I t i s a d v i s e d t h a t t h e b a s e s l ab o f i n t a k e t o we r s h o u l d b e c o n s t ruc t e d i n l o w t e mp e r a t u r e s e a s o n f o r hig h r i s k o f c r a c k i n g a n d c o s il y me a s u r e s i n h i g h t e mp e r a t u r e s e a s o n Ke y wor d s ：b a s e s l a b c o n c r e t e；t e mp e r a t u r e fi e l d；t h e rm a l s t r e s s ；t e mp e r a t u r e c o n t r o l s i mu l a t i o n a n a l y s i s ；He k o u c u n Re s e r v o i r 水利工程 的进水塔架 尺寸 一般 小于混凝 土重力坝 、 混凝土 拱坝、 昆 凝土闸墩等巨型混凝土结构， 是介于大体积混凝土与 结构混凝土之间的准大体积混凝土。在物理意义上， 这类结构 的水泥水化热难以及时发散， 在体 内积累了大量不必要的热 量 ， 致使混凝土内部温度大大高于环境温度； 在力学意义上 ， 这 类结构因温度上升或下降受到约束后而产生的应力已经大到 不得不采取适当措施来防止其开裂的程度； 在几何意义上， 这 类结构整体上并不能和混凝土坝等巨型结构相 比较， 但是局部 浇筑的混凝土块可能比较大。因此 ， 对其温度场及温度应力的 分析在整个结构的应力分析中起着重要作用， 不容忽视， 尤其 是底板混凝土的温度应力 ， 其处于强约束区域， 是产生裂缝乃 至危及结构安全的主要因素， 也是整个结构温控中的难点与关 键点。笔者结合河 口村水库工程泄洪洞进水塔架底板混凝土 的施工 ， 进行了不同浇筑季节下的混凝土温控仿真分析研究。 1 工程概况 河 口村水库位于黄河一级支流沁河最后一段峡谷出口处， l 2O 距河南省济源市 2 2 k m， 是控制沁河洪水 、 径流的关键工程 ， 也 是黄河下游防洪工程体系的重要组成部分。工程沿坝轴线从 右往左依次为混凝土面板堆石坝、 溢洪道、 引水发电洞、 1 泄洪 洞及 2 泄洪洞 。本次研究 的主要对 象是 2 泄洪 洞塔架 底板混 凝土， 该泄洪洞进口高程为 2 1 0 0 m， 塔顶高程为 2 9 1 0 i n 。其 中塔基底板尺寸为 4 3 m x 2 5 m( 顺水流方向 垂直水流方 向) ， 最大厚度 5 m， 具体尺寸见图 1 。 图 1 底板 结构 ( 单位 ： m) 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 6 1 1 作者简介： 竹怀水( 1 9 6 9 一) ， 男， 河南郑州人， 高级工程师， 主要从事水利水电 工程设计 工作 。 E ma i l ： z h s o n e 1 6 3 c o m 人 民 黄 河2 0 1 4年第 1 0期 2 计算原理与方法 2 1 温度场仿真分析 混凝土空间温度场在计算区域内满足等效负热源法的等 效热传导方程： OT =。( c 3 2 T ( TO 一 ) + ( 1 ) 式中： T为混凝土温度， ； T o为混凝土初始温度， ； 为冷 却水管的进 口水温， o C； a为导温系数 ， m。 d ； 为混凝土最终 绝热温升， ； r为时间， d ； ( r ) 为无热源水管冷却效果函数 ； ( r ) 为有热源的水管冷却效果函数。 另外 ， 为确保需要 的温度场， 还应满足以下初始条件和边 界条件。 初始条件 ： T = ( ， Y ， z ， 0 )= 边界条件： 第一类边界条件为混凝土表面温度等于已知温 度边界 ， 即 T= ( ， y ， Z ， r )= ， Y ， z ， r ) ( ， y ， ， r ) 为 时 间 7 - 和空间( ， Y ， ) 的已知函数 ； 第二类边界为绝热边界条件， 即 =0 ； 第三类边界是热交换边界 ， 即 z 0 T 0 + z + 2 ； OZ + d凡 A d ( T )= 0， l 、 z z ： 为边界面对总体坐标的方向余弦， = A ( 为热交换系数 ， k J ( m d ) ； A为导热系数， k J ( m d ) ) ， 为环境温度 ， 。 根据变分原理 ， 且考 虑混凝土 的浇筑计 划 、 水化 热温 升 、 通 水冷却情况、 环境气温和太阳辐射热等因素， 对方程( 1 ) 在空间 区域用有限单元离散， 在时间域用差分法离散， 可得到向后差分 的有限元计算递推方程， 最终计算出施工期混凝土的温度场。 2 2 应力场仿真分析 求出温度场后， 通过有限元隐式解法求徐变应力场， 计算 公式如下 ： j = P + P ：+ P +a v ： ( 2 ) 式中： K为刚度矩阵； A 8 为节点位移增量； P 为外荷载引起 的荷载增量 ； 为徐变引起的荷载增量； P 为温度 引起的 荷载增量 ； 为自身体积变形引起的荷载增量。 应力增量 A o n 可按下式求解 ： Ao n = D ( B A $ 一 s ：一 一A e ： ) ( 3 ) 式中： s ： 为徐变应变增量； A e 为温度应变增量； ：为 自身 体积变形增量； D 为第 n时段的弹性矩阵； 为应变与位移的 转化矩阵 。 = 1+ 2+ 一+A o = A o n ( 4 ) 由式( 2 ) 解出各节点位移增量后， 代入式 ( 3 ) 可算出各单 元应力增量 ， 按式( 4 ) 累加后， 即可得到各单元应力 。 3 计算模型及参数 3 1 计算模型与边界条件 采用 A N S Y S对 2 泄洪洞底板混凝土结构进行三维建模。 模型中地基深度方向取结构厚度的 1 5倍 ， 上 、 下游顺水流方 向取结构长度的 1 5倍。离散中混凝土结构及岩体采用空间 8 节点六面体等参实体单元 ， 共有节点 1 9 4 9 2个 ， 单元 1 7 0 9 4 个。其中三维坐标系均以顺水流方向为 Y轴， 指向下游为正； 以垂直水流方向为 X轴 ， 指向右岸为正； 以竖直方向为 z轴， 竖 直向上为正。具体计算模型见图2 。 图 2 底板混凝土三维计算模型 模型中边界条件考虑地基四周施加法向约束， 基底施加三 向约束 ， 基础计算域边界视为绝热边界。 3 2 基岩及混凝土热力学参数 坝址区谷坡覆盖层较薄， 大部分基岩裸露。工程区以花 岗 片麻岩 、 寒武系岩层等为主。泄洪洞塔架底板混凝土主要 以 C 2 5三级配为主， 其中流道表面5 0 a m厚为 C 5 0二级配混凝土 ， 由试验得到的混凝土配合比确定基岩及混凝土热力学参数， 见 表 1 。 表 1 基岩、 混凝土热力学性 能参数 注： 表中绝热温升计算公式采用复合指数公式0 ( r ) = o o ( 1 一 e 。 ) 拟合， 其中： 为绝热温升值， ； O o 为最终绝热温升， ； a 、 6为试验参数。 根据相关试验数据， 对混凝土弹性模量按复合指数公式分 别进行拟合。 C 2 5混凝土弹性模量拟合公式为 E( 7 ) ：3 3 1 2 7 8 ( 1一e - 0 5 8 8 。 ) C 5 0混凝土弹性模量拟合公式为 E( r )：4 1 8 9 1 6 ( 1一e - 1 瑚5 t O 凹 ) 3 3 浇筑计划 根据结构设计要求， 底板混凝土在距上游 1 3 2 m处设置一 条施工缝。 将整个底板分为上下游两部分， 本研究考虑分缝分块 和总工期要求， 底板混凝土浇筑拟按表2两种浇筑计划进行。 表 2 底板 混凝 土浇筑计划 3 4 计算工况及温控标准 按照表 2中的两种浇筑计划， 比选两者满足温控标准所需 采取的温控措施 ， 以期分析两者的合理性与经济性。两种浇筑 1 2l 人 民 黄 河2 0 1 4年第 1 0期 计划下拟选定的仿真分析计算工况见表 3 。 表 3 计算工况 底板混凝土处于强约束区， 其允许的最高温度控制标准由 允许基础温差及准稳定温度决定。按照 混凝土重力坝设计规 范 ( S L 3 1 9 -2 0 0 5 ) 并结合结构浇筑块尺寸， 该工程允许基 础温差取 1 9； 底板混凝土准稳定温度均值取 9 8， 由此得 到底板混凝土允许的最高温度控制标准为 2 8。 4 结果分析 根据底板混凝土 的分缝位置 ， 为 比较两 种浇筑计划下 不 同 工况温控措施的差异， 分别选取上游段 1 3 2 m和下游段 2 9 8 m 中心线典型位置作为关键点( 见图3 ) 。经过温控仿真分析 ， 得 到底板混凝土典型位置温度包络线及典型点温度 、 应力过程线。 上 游段中 心 线 下 游段中 心线 图3 温度包络线及典型点位 置 ( 1 ) 由图4可知 ， 在工况条件下， 高温季节浇筑的底板混 凝土最高温度出现在上游段 2 0 8 5 m高程， 为 3 4 2， 超过允 许最高温度约 6 2， 整个底板混凝土的最高温度均无法满足 温控标准。由图 5可知 ， 在工况二温控措施下， 上下游均能满 足相应的温控标准。由图 6可知， 低温季节浇筑时， 仅通过工 况一温控措施就可满足拟定的温控标准。 _匕 游最高温度包络线 l 2 2 挺 温度代 图 4 工况一高温季节浇筑时温 度包络线 帽 温度代 图 5 工况二高温季节浇筑时温度包络线 脚 褪 温度代 图 6 工况一低温季节浇筑时温度包络线 ( 2 ) 对两种施工季节下满足温控标准时对应的工况下的底 板混凝土绘制温度、 应力过程线( 见图7一图 1 0 ) ， 可见， 高温季 节浇筑和低温季节浇筑下的温度、 应力过程线变化形式基本一 致， 混凝土浇筑前 2 3 d温度上升很快 ， 45 d达到最高温度 ， 然后温度下降， 当上层混凝土浇筑后 ， 在热传递作用下， 下层混 凝土温度会再次略有上升； 同工况、 同季节下应力的变化趋势 与温度变化趋势相反， 随着温度的下降， 应力不断上升。由于 计算中未考虑保温效果， 后期混凝土温度随气温变化较大， 因 此为避免表面发生裂缝， 在施工过程中应该特别注意表面保温 措施。 窖 一 一 一 昌 = 瓮 若 昌 肆 辛 砗 ：幸 辛 I I I I 1 1 1 s 高 高 昌 嗣 高 昌 日期 图 7 工况二高温季节浇筑时 A点温度、 应力过程线 磊 日期 图 8 工况=高温季节浇筑时 B点温度、 应力过程线 日 期 图 9 工况一低温季节浇筑时 A点温度 、 应力过程线 ( 3 ) 通过比较可知 ， 高温季节施工时需要采取 的温控措施 要比低温季节采取的温控措施严格得多。 ( 下转第 1 3 5页) 赠 人 民 黄 河2 0 1 4年第 1 0期 根据 2 0 0 5年以来的实际观测结果， 除黄河调水调沙期间， 其他时段引水平均含沙量约为 2 5 k g m ， 比条渠出 口设计含 沙量还小， 已经没有设置集中沉沙区的必要。考虑到今后仍然 会出现引水含沙量较高的情况， 也为了充分利用条渠下游堆沙 空间， 可将沉沙条渠的上游 4 k m部分全部变池为渠 ， 再设置 5 0 0 m的扩散段与下游衔接， 仅保留沉沙条渠下游很小部分用 于沉沙。采取此项工程措施， 不仅可以充分利用条渠下游 5 0 0 多万 m 的堆 沙空间 ， 上游池改渠后 又可增加 4 0 0万 m 的堆 放 区。按目前年平均引水 3亿 m 计算 ， 即使所引泥沙全部堆放 在剩余空间， 现沉沙条渠仍可继续使用 1 5 a左右 ， 如果加上在 当地实施泥沙制品项 目， 充分利用泥沙资源， 该沉沙条渠则有 长期可持续运用的可能。 6 堆沙高地风沙防护措施 沉沙条渠 经过 2 0 a的运 行 ， 目前 两侧 堆 积 泥沙 1 2 0 0多 万 m ， 形成宽 1 0 02 8 0 m、 高 1 6 m、 长7 k m的庞大沙垄。如 果不及时实施堆沙高地风沙防护措施 ， 清淤泥沙势必对周围生 态环境造成严重影响， 沉沙条渠长期运用的可行性就会大打折 扣。为此 ， 灌区管理部门于2 0世纪 9 0年代后期开展了引黄灌 区泥沙农田化技术研究和实践 ， 采用秸秆覆盖培肥改土、 选用 0 -。-0 ( 上接第 1 2 2页) 就施工难度与成本而言， 工况二温控措施在一 般工程施工时难以做到， 需要从混凝土骨料预冷措施、 加冰拌 合、 冷却水制冷设备、 混凝土运输方式及浇筑强度等方面重点 控制， 中间投入的成本要 比低温季节施工时大； 就结构特点而 言， 该工程混凝土方量要 比混凝土拱坝、 重力坝等巨型结构小 很多， 在施工时投入大型骨料预冷设备、 制冰设备、 冷却水制冷 设备等亦不经济； 就类似工程 比较而言 ， 基础部位的混凝土结 构起浇时 限一般建议安排在 低温季节。 芝 嚣 一 收 埘 甭 再 再 再 再 日 期 图 l O 工况一低 温季节浇筑时 点温度、 应力过程线 ( 4 ) 如果因进度需要而将底板混凝土安排在高温季节施工 时， 除了应采取必要的骨料预冷、 加冰拌合及通水冷却等措施 外， 还应考虑采用低热水泥， 原 因是高温季节浇筑时混凝土温 度应力大， 使用低热水泥能明显提高抗裂安全系数 ； 同时施 工时应特别注意采取薄层浇筑， 安排在低温时段施工 ， 加强浇 筑强度， 避免中间经历午后的高温时段。浇筑完成后， 还要对 适宜作物品种 。 等技术在高地进行农作物种植， 结合植树种草 等方法， 取得了显著成效， 基本控制了堆沙高地的风沙危害， 为 沉沙条渠长期运行打下了坚实基础。 7 结语 在灌区现行引水情况下 ， 采取缩短沉沙条渠、 沉沙区下移 、 条渠上游池改渠等措施 ， 可达到充分利用剩余堆沙空间的目 的。再辅以实施泥沙制品项 目， 利用清淤泥沙制造实用建筑材 料， 加强堆沙高地风沙防护等 ， 可使沉沙条渠的使用年限至少 延长 1 5 a ， 在相当长的时间内不必考虑开辟新 的沉沙区， 从而 节约大量宝贵的土地资源。 参考文献 ： 1 商丘市科学研究所 三义寨引黄工程沉沙条渠泥沙运行规律观测研究 R 商丘： 商丘市科学研究所， 1 9 9 8 2 刘长余 开发利用引黄泥沙资源 大力发展灰砂砖生产 G 卞玉山 山东 科学引黄供水的研究与实践 北京： 中国科学技术出版社， 1 9 9 4 ： 1 1 6 1 2 1 3 宋铁岭 ， 周文治 三义寨引黄灌区泥沙农田化技术研究成果简介 J 人民 黄河， 2 0 0 0 ， 2 2 ( 6 ) ： 4 4 4 5 【 责任编辑许立新 】 +。 +- - - - 混凝土表面采取保温措施 ， 以防止外界热量倒灌， 建议铺设保 温隔热材料， 如有条件， 可以进行仓面喷雾， 以降低施工区域环 境温度 。 5 结语 进水塔底板混凝土处于基础部位强约束区， 温控标准较严 格。通过温控仿真分析 ， 对比高温季节浇筑与低温季节浇筑两 种条件下的温度应力情况可知， 高温季节浇筑所采取的温控措 施要比低温季节浇筑所采取的温控措施严格得多 ， 温控成本较 大 ， 出现温度裂缝的风险性较高， 因此一般情况下建议底板混 凝土安排在低温季节浇筑。 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： 中国水利水电出版 社 1 9 9 9 2 黄玮， 万福磊， 郑家祥 ， 等 溪洛渡拱坝陡坡段施工期温度应力仿真分析 J 水电站设计， 2 0 0 7 ， 2 3 ( 4 ) ： 8 1 3 3 长江水利委员会长江勘测 规划设计 研究 院 S L 3 1 9 -2 0 0 5混凝土重 力坝设 计规范 S 北京 ： 中国水利水 电出版社 ， 2 0 0 5 4 彭坤， 黄达海 低热硅酸盐水泥在闸墩混凝土中的应用研究 J 云南水力 发 电， 2 0 1 0， 2 6 ( 6 )： 5 15 5 【 责任编辑张华岩】 l 35