复杂约束条件下大体积混凝土冷却降温过程优化分析

井向阳

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072； 2.国家能源水电工程技术研发中心高混凝土坝分中心，四川成都610072)

随着连续、快速施工工艺的发展，以及混凝土掺合料的广泛使用，大体积混凝土施工过程中的温度回升和降温速率过快、温降幅度过大等问题愈发突出，不利于混凝土的区间温度梯度控制[1-2]。

修建在不平整建基面上的混凝土坝，其约束条件复杂，在遭遇极端气温变化时易出现裂缝。若采用常规的水管冷却设计思路，即分期(一期、二期)冷却，虽然可以控制坝体的内部温度，但是其温度拉应力水平却普遍偏高[3-5]。

本文以我国西南地区某混凝土拱坝陡坡坝段为例，对其水管冷却过程做了优化设计，并采用数值分析方法验证其可行性。

1 工程概况

我国西南地区某水电站，位于四川省境内，挡水建筑物采用常规混凝土拱坝，最大坝高305 m，大坝设置25条横缝，将坝体分为26个坝段，采用四级配混凝土(C18040、C18035、C18030)进行浇筑，其主要温控设计要求和控制标准为：①考虑坝体厚度较大以及下部已封拱区域对上部坝体的约束作用，全坝定义为约束区。②大坝采用温差控制标准△T≤14 ℃。③大坝混凝土出机口温度全部按照7 ℃进行控制，浇筑温度按照5～11 ℃进行控制。④大坝混凝土内部最高温度控制标准为Tm≤Td+△T，最终控制标准为26～29 ℃。⑤大坝混凝土接缝灌浆温度为12～15 ℃。⑥大坝混凝土相邻块高差不大于12 m，整个大坝最高与最低坝块高差要求控制在30 m以内，层间间歇期为5～14 d，两相邻坝块的浇筑间歇时间不得小于72 h。⑦悬臂高度控制要求。孔口坝段允许最大悬臂高度不大于50 m；非孔口坝段允许最大悬臂高度不大于60 m。⑧大坝混凝土冷却分为一期、中期和二期3个阶段，各期通水温度和目标温度等见表1。

表1 大坝混凝土各期通水控制标准

2 水管冷却优化设计

以拱坝左岸16号坝段为例，研究了改进的通水冷却方案，其主体思想是水管冷却5个参数的优化[2]，降温过程见图1。在时间上，将通水冷却过程简化为通水控温(A区)和缓慢降温(B区)两个区。

(1)对于A区，通水冷却的目的主要是控制混凝土的温度峰值，起到削峰作用。此阶段应适当提高冷却强度，水温可采用8～10 ℃的制冷水，流量可加大至2.0～2.5 m3/h，一般持续7～10 d左右，待混凝土温度不再上升后，再逐渐减小通水强度。

(2)对于B区，采用小温差、长期-间歇冷却、小流量、往复循环通水[6]，持续时间约110～130 d。整个B区的通水过程，可通过调控水温、流量和水流方向3个参数来保持温度变化过程与设计曲线的吻合。

图1 改进通水冷却方案的降温过程示意

3 数值计算

3.1 有限元模型

图2为简化的坝体基础约束区计算模型，采用八节点等参单元构造坝体混凝土和地基岩体，采用热流耦合单元模拟冷却水管，共计62 139个单元、70 824个节点。坝基岩体为水平向约束，坝基底面为竖直向约束，坝体左右两侧取法向约束。

图2 数值计算网格

3.2 主要材料参数

坝体混凝土取常态混凝土C18040四级配混凝土，其绝热温升过程根据试验取值为：

Q(τ)=27.1×(1-e-0.186τ0.959)

(1)

式中，τ为混凝土的龄期；Q(τ)为随龄期的累计水化热温升。

混凝土导温系数取0.003 m2/h，导热系数取8.41 kJ/(m·℃)，比热取1.01 kJ/(kg·℃)，线膨胀系数取8.4×10-6/℃。混凝土力学参数见表2。

表2 大坝混凝土主要力学参数

3.3 计算方案

(1)工况1。按表1所示的初始设计方案执行通水冷却。

(2)工况2。按图1执行改进的通水冷却方案，通水从混凝土浇筑之后开始，并一直持续至接缝灌浆，保证混凝土内部温度缓慢降低至封拱温度。

3.4 结果分析

选取坝体1 618 m和1 630 m高程的特征点进行分析。图3为两种工况的混凝土温度变化过程曲线。从图3可以看出，两种冷却方案的初期温度峰值和最终目标温度基本保持一致，唯一的区别是中期的温度变化过程：工况1所示的分期冷却方案，有两个明显的降温阶段；而工况2的冷却方案不存在大幅的降温过程，其混凝土温度的变化过程较为均匀。

图3 两种工况温度历时曲线对比

图4 两种工况应力历时曲线对比

图4为1 618 m和1 630 m高程特征点的应力过程曲线。从图4可以看出，工况1有两个应力峰值，分别出现在一冷降温和二冷降温时段；工况2由于其混凝土温度是缓慢下降的，故只出现了一个应力峰值，且其应力峰值明显比工况1的应力峰值小。

综合来看，改进的通水冷却方案(工况2)能够使混凝土内部温度的变化更为均匀，在时间和空间上的温度梯度也更小，避免了温度陡升、骤降现象的频繁发生，产生的直接效果就是降低了施工期温度拉应力，这对坝体混凝土的防裂是极其有利的。

4 结 论

复杂约束条件下的混凝土坝，其温度应力水平相对偏高，存在较大的开裂风险。本文以某拱坝为例，对其原有的水管冷却过程做了优化设计，并基于有限元法进行仿真计算分析得出，采用改进的通水冷却过程曲线可以降低混凝土的拉应力峰值，对于坝体混凝土防裂是有利的。所得结论为工程设计与施工提供了理论技术支撑。

[1] 张国新, 刘有志, 刘毅.“数字大坝”朝“智能大坝”的转变-高坝温控防裂研究进展[C]∥水库大坝建设与管理中的技术进展——中国大坝协会2012学术年会论文集. 郑州： 黄河水利出版社, 2012, 87- 97．

[2] 井向阳, 刘俊, 陈强, 等. 高碾压混凝土重力坝通水冷却优化设计与工程实践[J]. 水电能源科学, 2016, 34(6)： 71- 74．

[3] 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．

[4] 张国新, 刘有志, 刘毅, 等. 特高拱坝施工期裂缝成因分析与温控防裂措施探讨[J]. 水力发电学报, 2010, 29(5): 45- 50．

[5] 井向阳. 高拱坝施工过程中的同冷区控制方法研究[J]. 水电能源科学, 2015, 33(9)： 81- 84．

[6] 朱伯芳. 小温差早冷却缓慢冷却是混凝土坝水管冷却的新方向[J]. 水利水电技术, 2009, 1(40)： 44- 50．