复杂施工过程中碾压混凝土冷却水管移位与损坏分析及应用.pdf

水利水电技术第 4 7卷2 0 1 6年第 1期 复杂施工过程 中碾压 混凝土冷却水 管移位与 损坏分 析及应 用 沈扬 ，钟登华 ，李明超 ( 1 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津3 0 0 0 7 2； 2 长江三峡技术经济发展有限公司，北京 1 0 0 0 3 8 ) 摘要 ：冷却水管在碾压混凝土施工中极易受到破坏 ，通过 系统分析复杂施工过程 中碾压混凝土冷却 水管损坏与位移 ，归纳总结 了在施工过程 中可能造成冷却水管破坏的风险因素。将这些因素通过不 同 工况进行分析 ，计算得 出冷却水管损坏与移位情况。将研究所用方法应用于实际工程 ，通过计算分析 冷却水管的位移及 最大压应力，为冷却水管的定位铺设和外观保护提供 了理论参考。 关键词：冷却水管；碾压混凝土施工；损坏与移位 ；力学分析 d o i ：1 0 1 3 9 2 8 j c n k i w r a h e 2 0 1 6 O 1 0 0 9 中图分类号 ：T V 5 4 4 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 0 - 0 8 6 0 ( 2 0 1 6 ) 0 1 - 0 0 4 1 0 5 Ana l y s i s o n d i s pl a c e m e nt a nd da m a g e o f RCC wa t e r - c o o l i ng pi pe du r i ng c o mpl i c a t e d c on s t r uc t i o n a nd i t s a ppl i c a t i o n S HEN Ya ng ， ZHONG De ng h ua ， LI Mi ng c h a o ( 1 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f H y d r a u l i c E n g i n e e ri n g S i m u l a t i o n a n d S a f e t y ，T i a n j i n U n i v e r s i t y ，T i 州 i n 3 0 0 0 7 2 ，C h i n a ； 2 Y a n g t z e T h r e e G o r g e s T e c h n o l o g y E c o n o m y D e v e l o p m e n t C o ，L t d ，B e i j i n g 1 0 0 0 3 8 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： As t h e w a t e r - c o o l i n g p i p e i s p r o n e t O b e d a ma g e d d u rin g RC C c o n s t r u c t i o n，t h e ri s k f a c t o rs t h o s e p o s s i b l y c a u s i n g t h e d a ma g e o f t h e c o o l i n g wa t e r p i p e d u ri n g t h e c o n s t ruc t i o n a r e s u mma r i z e d h e r e i n t h r o u g h a s y s t e ma t i c a l a n a l y s i s ma d e o n b o t h t h e d a ma g e a n d d i s p l a c e me n t o f t h e RCC c o o l i n g w a t e r p i p e d u r i n g t h e c o mp l i c a t e d c o n s t ruc t i o n，an d t h e n t h e d a ma g e a n d d i s p l a c e m e n t o f t h e c o o l i n g w a t e r p i p e a r e c a l c u l a t e d a s w e l 1 A p p l i e d t h e s t u d y r e s ult t o the a c t u al p r o j e c t ，s o m e the o r e t i c al r e f e r e n c e s f o r p o s i t i o n i n g a n d p l a c i n g t h e c o o l i n g wa t e r p i p e a s we l l a s t h e p r o t e c t i o n o f i t s a p p e a r a n c e a r e p r o v i d e d t h rou g h t h e c alc u l a t i o n a n d an aly s i s ma d e o n t h e d i s p l a c e me n t a n d t h e m i mu m c o mp r e s s i v e s t r e s s Ke y wo r d s：w a t e r c o o l i n g p i p e ；R CC c o n s t ruc t i o n；d i s p l a c e me n t a n d d a ma g e；me c h a n i c al a n aly s i s 1 研究背景 碾压混凝土 由于水泥用 量大大减少 、绝 热温升 较低 ，其温度控制问题开始并未得到足够重视。后 来 经研究发现碾压混凝土 由于大量掺用 粉煤灰 ，水 化热散发延迟 ，而碾压混凝 土上升速度快 ，使施工 过程 中层面散 热不够 ，混凝 土 内部温度仍较 高 ，后 期 降温幅度大 j ，且 在实 际工程 中，一 些早期 的 碾压混凝土坝也 出现 了较 多裂缝 。因此 ，目前采用 预埋冷却水管 的方法进行碾 压混凝土温度控制 ，已 Wa te rRe s o u r c e s a n dHy d r o p o we r En g i n e e r i n g V o 1 4 7 No I 得到广泛应 用 。然而 ，与常态混凝土相 比 ，在碾 压混凝 土施工 过程 中冷却水 管的铺设精度 和完好性 往往难以保证。 针对这些问题 ，研究人员从 优化温 控方案 、改 收稿 日期 ：2 0 1 4 0 3 2 0 基金项 目：国家重点基础研究发展 “ 9 7 3 ” 计划 ( 2 0 1 3 C B 0 3 5 9 0 4) ；国家 创新研究群体科学基金( 5 1 0 2 1 0 0 4 ) ；教育部新世纪优秀人 才计划 ( N C E T 一 1 2 0 4 o 4 ) 。 作者简介 ：沈扬 ( 1 9 8 4 一)，男 ，工程 师。 4 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 沈扬， 等复杂施工过程中碾压混凝土冷却水管移位与损坏分析及应用 进施工工艺等不 同角度来试 图解决 。例如 ，朱岳 明 和张建斌 结合某大坝碾压混凝 土施 工 ，仿真分析 了冷却水管 温控措施对大坝高温期连续施工 时温度 场的控制性作 用 ；X i e和 C h e n 通 过计算分析不 同 冷却水管布置方案对碾压混凝土拱坝温度分布 的影 响 ，确定 了合理 的设计方案 ；张 国新 等 对蓄水前 的碾压混凝土拱 坝封拱温度进行 了仿 真分析 ，表 明 通水冷却能够有效减小 运行期 的温度 荷载。在施工 工艺方面 ，方波浪和苗卉 7 3 分析 了冷却水管在龙滩 碾压混凝土重力 坝施工 中易产生的问题 ；戴波 和程 纲 为针对 冷却水管易在施工 中受到破坏 而失去作 用 ，并在铺设 过程 中延 长 了层 面覆盖 时间 的问题 ， 提 出采取延后 4 8 h通水冷却的措施 。总的来说 ，目 前 的措施虽 然对冷却 水管 的保 护起 到 了一定 作用 ， 但 目前问题仍然很严重。例如某工程碾压混凝 土坝 段施工 ，埋设冷却水管 3 7 2组 ，固结灌浆后统计完 好 的水管仅剩余 1 8 1组 ( 完好率 4 8 7 ) ，8 1组完 全堵死失效 ( 堵塞率 2 1 8 ) 。 为 了有效地降低碾压混凝 土施工过程 中冷却水 管损坏与移位的风险 ，本 文首先通过 系统分 析可能 导致冷却水管破坏的因素并进行分类 ，进 而针对 其 关键 因素对 冷却水 管在不 同施 工 阶段作受 力分析 ， 计算分析其移位位移和损坏情况 ；结合 实际工程对 铺设方案进行计算 分析 ，为提高水管完好率提供新 的分析手段 。 2 碾压混凝土施工过程中冷却水管破坏 因素 分析 在冷却水管铺设完毕后 ，主要存在三个方面的破 坏风险 ：( 1 ) 后一个坯层碾压混凝土下料 、摊铺和碾 压的过程 中均会不 同程度地造成已铺设的冷却水管移 位 ，使冷却水管的实际布置位置与原规划不符。( 2 ) 在混凝土下料和碾压过程中，施工机械移动时有可能 直接压破冷却水管 。( 3 ) 施工结束后 ，固结灌浆等钻 孔作业打断冷却水管 ，造成水泥灌浆大量堵死冷却水 管的情况 。 基于这三个方面 ，分别从影响冷却水管的内外部 环境归纳 总结引起碾压混凝土冷却水管移位与损坏问 题 ，具体分析如下 ：( 1 ) 铺层厚度，在冷却水管铺设 完毕后 ，后一个坯层铺设的厚度通过传递施工机械的 碾压动力及 自重产生对冷却水管的不利影响。( 2 ) 碾 压混凝土材料 ，下料过程中骨料对冷却水管的挤压造 成水管移位 ，以及锋利骨料在碾压过程 中对冷却水管 造成的割裂损坏。( 3 ) 碾压机械 ，碾压机械在施工过 程中对冷却水管造成的直接碾压移位与破坏。( 4 结灌浆，固结灌浆打孔位置是根据事先设计好的i ，令 水管铺设线路图来调整避让 ，由于冷却水管在施 1 j 、 j 程中可能产生移位 ，可能造成打孑 L 时破坏冷却水竹 造成水管漏水和灌浆堵塞水管 的情况 。( 5 ) 冷却水 铺设方向，由于冷却水管的铺设结构呈 网状 ，小 位的冷却水管铺设 方 向与碾压混凝土的铺 料方 l 同，导致冷却水管的受力及移位情况不 同。( 6 ) 冷 水管 质量 ， 目前 碾压 混 凝土 冷却 水 管 基本 均 永 P V C材料 ，避免 了钢管 的多接头 问题 ，加快 r施 进度 ，但管壁厚度及其承载力极限性能降低 ，往施 l 机械振捣 、骨料摩擦力及挤压力作用下增加 _ r 冷卸 管的漏水概率。( 7 ) 固定装置，固定装置及其施 好坏，直接影响到冷却水管的移位幅度 ，也对后j l I j 结灌浆打孑 L 对冷却水管的破坏产生了间接影响 由此可见 ，在上述内外部因素作用下，冷却水 的移位与损坏是难以避免的 ，主要发生在碾压混凝 平仓和碾压填筑阶段 。水管的移位使上下层管线发 错动偏差 ，又导致固结灌浆 打孑 L 对冷却水管造 成啦 坏 ；二者虽然属于不 同阶段 ，但是又 紧密火联 此 ，计算分析冷却水管在碾压施工过程中的移位 0 坏情况 ，相应调整后期钻孔位置 ，能够有效降低水 的破坏率。 3 不同施工阶段冷却水管受力与计算分析 在碾压混凝土铺设 碾压施工过程 r f 1 ，冷 、1 j 爪 受到多种因素的扰动影响 ，主要包括 四个 阶段 ： 管 、填料 、平仓 和碾压 。通过对冷却水管进 行爰 f 分析 ，从而计算分析各 因素对水管强度及移 化化l ： 的影响。 3 1 冷却水管受力分析 3 1 1 水 平力 ( 1 ) 下料阶段。冷却水管同时承受竖 向和水 、 i 载 ，而竖向荷载大于水平荷载 ，故产生横 向变形 图 1 ) ，按静止土压力计算截面处水平混凝 上 卜 度 e e = c Ho 式中 ， 为侧压力系数 ；y 为碾压混凝土容 咀； 为混铺层表面至水管轴线所处平面的高度。 P s ：e s DP 式 中，D 为冷却水管外直径 ；P 为每米管 j 的总 压 力 。 ( 2 ) 平仓阶段。冷却水管在碾压混凝土坝 甲 _ 程 中受到的扰动较大，除了上述侧压力作用外 ， 水利水 电技术第 4 7卷2 ( ) j 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石建杰南水北调工程北京大宁调蓄泵站流道比选与优化研究 l-一 _ 弋 、 、 I 、 ， c + _f 一 3 8 O 进水流道设计方案对水泵装置性 能的影响， 为泵站的设计提供参考 依据，大幅度降低模型试验费用。 ( 2 ) 大宁调蓄泵站簸箕形进 水流道水力性能优 良，可为水泵 叶轮 室进 口提供 较为理 想 的流 态 ，且 流道 形状 简 单 ，尺寸 较 小 ，施工方便 ，能较好地满足本 工程的使用要求。 ( 3 ) 进水流道水力设计优化 可有效地改善进水流道出口水流 条件 ， 优化后 ，本工程水泵装置 效率提高了 1 0 8 。 图3 优化后的泵站簸箕形流道单线( 高程单位： m；尺寸单位：m m ) 参考文献 ： 1 严登丰 泵站过流设施与截流闭锁装置 M 北京：中国水利 因此由下式可计算水泵效率 水电 出 版 社， 2 0 0 0 叼水泵 ： p g Q H一 ( 5 ) 叼 水 泵 3 计算知，优化前泵装置效率为7 3 8 l ，优化后 泵装置效率为7 4 8 9 ，达到 泵站设计规范 ( G B T 5 0 2 6 5 -2 0 1 0 ) 的要求 。 由上述计算对比可知 ，进水流道优化后 ，在同流 量下， 簸箕形流道出口断面的流速分布匀度提高了 0 9 7 和水流入泵平均角度提高了 1 4 5 。 ， 有效地改 善了水泵的进水条件， 装置最高效率提高了 1 0 8 。 4 结论 ( 1 ) 数值模拟方法能快速方便地分析和比较不同 2 3 4 5 6 郭永鑫 ， 郭新蕾，石建杰，等 泵站进水流道三维紊流数值模 拟及体型优化研究 c 第五届全国水力学与水利信息学会议 论文集 2 0 1 1 陆林广 ，周济人 ，叶健 ，等 簸箕形进水 流道的优 化水力设计 J 水利学报， 1 9 9 7 ( 9 ) ：3 1 3 5 朱红耕 ，袁寿其 ， 刘厚林 ，等 进水 流道对 立式 混流泵 装置能 量特性 的影 响 J 江苏大学学报 ，2 O o 7 ，2 8 ( 1 )：4 6 - 5 0 戚兰英。石建杰，耿宏彬，等 南水北调来水调入密云水库调 蓄工程梯级泵站机组选型设计与研究 J 水利水电技术， 2 0 1 5 ，4 6 ( 9 ) ：6 9 - 7 4 关醒凡 轴流泵和斜流泵：水力模型设计试验及工程应用 M 北京 ：中国宇航 出版社 ， 2 0 0 9 ( 责任编辑欧阳越) ( 上接第4 4页) 参考文献 ： 2 3 4 5 T a t re S B S e h r a d e r E k T h e r ma l c o n s i d e r a t i o n s f o r r o l l e r - e o mp a c t e d c o n c r e t e J A m e r i c a n C o n c re t e I n s t i t u t e J o u rn al，1 9 8 5 ，8 2 ( 2 ) ： 1 1 9 - 1 2 8 朱伯芳 ，许平 碾压混凝 土重力坝 的温度应力与温度控制 J 水利水电技术，1 9 9 6 ， 2 7 ( 4 ) ： 1 8 - 2 5 张国新 碾压混凝土坝的温度控制 J 水利水电技术，2 0 0 7 ， 3 8 ( 6 )： 4 1 46 朱岳 明，张建斌 碾压混凝 土坝 高温期连续施工采用冷却水 管 进行温控的研究 J 水利学报，2 0 0 2 ， 3 3 ( 1 1 ) ： 5 5 5 9 Xi e Ho n g we i ，C h e n Ya o l o n & I n fl u e n c e o f t h e d i ff e r e n t p i p e c o o l i n g s c h e m e o n t e m p e ra t u re d i s tr i b u ti o n i n R C C a r c h d a m s J C o m m u - n i c a t i o n si n N u m e ri c a l Me t h o d s i n E n g i n e e ri n g ，2 0 0 5( 2 1 ) ： 7 6 9 一 6 7 8 9 1 0 1 2 7 7 8 张国新 ，杨波 ，张景华 RC C拱坝 的封拱温度与温度荷载研究 J 水利学报，2 0 1 1 ， 4 2 ( 7 ) ： 8 1 2 8 1 8 方波浪，苗卉 龙滩工程碾压混凝土大坝冷却水管埋设工艺及 效果分析 J 水利建设与管理 ，2 0 1 1 ( 3 ) ： 8 1 2 戴波，程纲为 龙滩大坝高温条件下施工技术的研究及实践 J 水力发电，2 0 0 6 ， 3 2 ( 9 ) ： 4 5 - 4 7 唐振科 履带推土机的顶推力分析与计算 J 华北水利水电 学报 ，1 9 9 1 ( 1 ) ：2 0 - 2 4 吴文峰 地下埋管的受力分析及结构优化研究 D 南京：河 海大学 ，2 0 0 1 温庆杰钢筋混凝土圆管涵受力性能的试验及理论研究 D 长沙：湖南大学， 2 0 0 4 刘慧滑坡作用下埋地管线反应分析 D 大连：大连理工大 学 ，2 0 0 9 ( 责任编辑郭利娜 ) 水利水电技术第4 7卷2 0 1 6年第1期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m