泵站进水流道混凝土施工期温控防裂研究

陆银军，曹邱林，张 扬，陈 蕾，马永法

(1．江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州225009;2．扬州大学 水利科学与工程学院，江苏 扬州225009)

泵站承担着农田灌溉、城市供水、跨区域调水及区域排涝等多项重要任务．我国目前拥有的泵站达50万座，居世界首位．根据近年湖北省41座大型泵站的调查结果，约60%的泵站存在流道裂缝［1－2］，江苏和山东两省在建和已建的泵站流道中也发现了很多裂缝［3］．流道裂缝的存在和发展，不仅影响泵站结构的外观、削弱其承载力，还会带来渗漏、钢筋锈蚀、保护层剥落、混凝土碳化加快等一系列问题［4］．因此，如何防止此类结构裂缝的形成和发展成为建设、设计和施工方都极为关注的问题，也是多年来学术界研究的热点．

本文结合南水北调洪泽站工程，借助于有限单元法［5］，对复杂泵站结构进行建模，并精确模拟进水流道分块、分层施工过程，研究在当地气温、混凝土性能、自生体积变形、地基材料体特性、当地地下水温等因素的影响下，泵站肘形进水流道混凝土在施工期温度场和应力场的变化规律，提出合理、可行的温控手段以降低温度峰值、减小内外温差、控制温降速率、减小高温天气及材料性能的不利影响，预防高温期施工条件下进水流道裂缝的产生．

1 泵站结构基本资料

洪泽泵站布置在洪泽湖大堤后，下部为块基型结构，上部为排架结构，站内共5台机组，其进水流道采用肘形结构．底板分为2块:两孔一联与三孔一联，已于2011年6月初全部浇筑完毕．进水流道初步拟定在7—8月高温季节浇筑．本文以三孔一联机组段为研究对象，模拟进水流道混凝土温度场及应力场在施工期动态变化的过程．根据当地多年平均气温资料，计算时日均气温拟合为其中:t为月份．

泵站主体结构采用C25混凝土浇筑，地基为土基，C25混凝土的导温系数为0．005 17 m2/h，导热系数为7．53 kJ/(m·h·℃)，热线胀系数为9．5×10－6/℃，弹性模量为35 GPa，绝热温升表达式θ=49．0×(1－exp(－0．367×τ2．75))℃．

三联孔底板已在2011年6月11日浇筑完毕，进水流道芯墙混凝土于6月下旬浇筑完毕，进水流道其他部分初步拟定在8月中旬浇筑．

2 计算模型

考虑到泵站三孔一联流道结构的对称性，取1．5个机组段建立有限元模型．在网格剖分时采用空间六面体和五面体等参元模型．计算网格的节点和单元总数分别为48 897和40 217个，计算网格详见图1．

计算域中地基底面及四周侧面取为绝热边界，混凝土结构的对称面为绝热边界，其他为第三类热交换边界．应力场计算时，地基底面视为固定，四周侧面取法向连杆支撑;结构的对称面施加法向约束，其他边界面均为自由变形面．

计算成果分析时考察特征剖面4个、特征点2个，特征剖面位置见图2，特征点在中墩墙位于空箱部位的中下部，特征点1是表面点，特征点2是内部点．特征点和特征剖面的选择依据是计算结果中温度较高区域或应力较大的易裂区域［6］．

图2 特征截面位置示意Fig．2 Schematic diagram of characteristic sections'position

3 数值仿真条件及计算结果

无水管冷却时，浇筑温度为32℃，进水流道肘部采用2．5 cm厚木模板，其他部位用1．8 cm的竹胶模板．龄期10 d拆模，拆模后无保温措施．

图3为整个仿真过程中各特征断面的温度包络图．由图3可见，三联孔进水流道结构大部分区域的温度峰值在65℃左右，少数高温区的温度峰值在70～76℃．高温区主要分布在:①边墩和中墩靠近C20芯墙部位;②进水流道肘部．究其原因在于，靠近芯墙处的墩墙逐渐变厚，该处混凝土尺寸较大，加之流道空腔散热性差，因此，该区域的温度峰值也较其他区域高，依据以往类似工程经验，这些部位有必要采取水管冷却的措施，减小温升幅度，以降低混凝土内部最高温度，预防混凝土开裂．

垂直水流方向的墩墙，越靠近底板，龄期前10 d的应力峰值越大．其中，中墩墙靠底板区域及中墩墙变厚区域的应力峰值远远大于边墩墙相同部位，造成这一现象的主要原因在于，中墩受到的来自周围结构(主要是底板和横河向墩墙)的约束比边墩多，相应地受到周围结构给予的拉应力也较多．所以，在相同情况下，应加强中墩变厚处、中墩空箱部分的防裂措施．

图4为进水流道各特征断面龄期前10 d和20 d的第一主应力包络图．可见:整个中墩截面在龄期10～20 d间的应力增长速度较快，大部分区域的拉应力超过了混凝土的抗拉强度，如进水流道墩墙前半部分、中墩空箱处、中墩后半部分区域等．因此，有必要在顺水流方向的墩墙和横河向墩墙及流道肘部采用水管冷却的温控防裂措施．

图3 进水流道温度包络图Fig．3 Temperature envelope diagram of the inlet

图4 进水流道前10 d和20 d龄期特征断面应力包络图(单位:MPa)Fig．4 Stress envelope diagram of the inlet's characteristic sections in the first 10 and 20 days(unit:MPa)

为了对结构的温度及应力水平进行详细考察，选取了应力值较大的处于空箱部位中墩墙的表面点1和内部点2，给出了它们30d龄期的温度与应力历时曲线(见图5)．由图5可明显看出:表面点1在龄期1．5 d达到温度峰值54．4℃，内部点2在1．75 d达最高温度60．8℃，该部位在龄期2 d时，内外温差最大，为8．9℃．

图5 特征点的温度历时曲线和应力历时曲线Fig．5 Time-history curves of temperature and stress at points 1 and 2

由图5(b)可见:尽管内外温差不大，但由于混凝土材料化学反应剧烈，温升迅速，表面点1的拉应力在龄期前3 d就一直接近甚至超过了抗拉强度．因此，结合图5(a)中的温度历时曲线，有必要添加适量的缓凝剂，以推迟水化反应时间，为温控削峰、减小内外温差争取时间．而内部点2在龄期10 d以后，拉应力超过抗拉强度，说明该部位的混凝土在温降阶段非常容易开裂，一旦开裂，很可能发展成贯穿性裂缝．因此，对于这种化学反应剧烈、温升快且在高温季节浇筑的流道内部混凝土，必须采用内部通水冷却与加强表面保温相结合的措施来减小内外温差，降低混凝土内部混凝土的应力水平．

4 结语

泵站的肘形进水流道是常见的易裂区域，通过对洪泽泵站工程进水流道施工期温度场及应力场进行仿真计算及结果分析，同时结合类似工程经验，认为需要采取以下温控措施来预防施工期混凝土开裂:控制浇筑温度在28℃以内，同时采用塑料管冷却及拆模后的表面保温措施．冷却水采用当地深井水，浇筑初始时刻开始通水，混凝土龄期2 d时结束通水，冷却水管流量控制在流量3～6 m3/h;混凝土表面拆模后立即贴2 cm厚的聚乙烯苯板，保温材料到第2年3月底拆除．实际施工结果表明，该措施防裂效果显著，肘形进水流道浇筑至今未发现贯穿性裂缝．

［1］刘光临，朱以文．大型泵站水工建筑物裂缝分析［J］．武汉水利电力大学学报，1997，30(2):1-5．(LIU Guang-lin，ZHU Yi-wen．Crack analysis of large pump station structure［J］．Journal of Wuhan University of Hydraulic and Electric Engineering，1997，30(2):1-5．(in Chinese))

［2］唐金平．樊口泵站混凝土裂缝及沉降缝渗漏处理技术［J］．长江科学院院报，2008，25(6):110-112．(TANG Jin-ping．Leakage processing technology on concrete cracks＆settling seams in Fankou pumping station［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2008，25(6):110-112．(in Chinese))

［3］张平．南水北调东线万年闸泵站混凝土温控防裂措施［J］．南水北调与水利科技，2008，6(1):271-273，276．(ZHANG Ping．The concrete temperature control and cracking prevention of the Wannianzha pump station in the South-to-North Water Diversion Project［J］．South-to-North Water Diversion and Water Science＆Technology，2008，6(1):271-273，276．(in Chinese))

［4］王铁梦．工程结构裂缝控制［M］．北京:中国建筑工业出版社，1997．(WANG Tie-meng．Crack control of engineering structure［M］．Beijing:China Architecture＆Building Press，1997．(in Chinese))

［5］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，1999．(ZHU Bo-fang．Temperature stress and control of mass concrete［M］．Beijing:China Electric Power Press，1999．(in Chinese))

［6］张国新，罗健．鱼简河RCC拱坝的温度应力仿真分析及温控措施研究［J］．水利水电技术，2005(5):26-29．(ZHANG Guo-xin，LUO Jian．Simulation and study on thermal stress and temperature control measures for Yujianhe RCC arch dam［J］．Water Resources and Hydropower Engineering，2005(5):26-29．(in Chinese))

［7］李昕鹏．大体积混凝土裂缝控制［J］．施工技术，2011(增刊1):52-53．(LI Xin-peng．Crack control of mass concrete［J］．Construction Technology，2011(Suppl1):52-53．(in Chinese))

［8］吴忠明，李守义，赵长伟，等．某水电站溢流坝段温控计算研究［J］．水利与建筑工程学报，2008(4):77-80．(WU Zhong-ming，LI Shou-yi，ZHAO Chang-wei，et al．Calculation and research on temperature control in overflow section of a certain hydropower station［J］．Joural of Water Resources and Architectural Engineering，2008(4):77-80．(in Chinese))

［9］苏骏，田乐松．大体积混凝土温控技术及热工计算［J］．安徽理工大学学报:自然科学版，2010(2):5-7．(SUJun，TIAN Le-song．Temperature control technology and thermal calculation for massive concrete［J］．Journal of Anhui University of Science and Technology(Natural Science)，2010(2):5-7．(in Chinese))

［10］李俊杰，胡军，康飞，等．大顶子山溢流坝长闸墩温度应力仿真计算分析［J］．水电能源科学，2006(1):37-39．(LI Jun-jie，HU Jun，KANG Fei，et al．Numerical simulation of temperature field and stress field of sluice piers for Dadingzi Mountain spillway dam［J］．Water Resource and Power，2006(1):37-39．(in Chinese))