白鹤滩泄洪洞进水口段衬砌混凝土温控方案优选

王业震，段亚辉，彭 亚，罗 刚，许传稳

(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2.三峡建设管理有限公司白鹤滩工程建设部，四川 宁南 615400)

白鹤滩水电站地处金沙江下游，具有发电、防洪和改善下游通航条件等功能。布置在左岸的3条泄洪洞是泄洪设施的重要组成部分，其断面大，施工期的泄洪洞衬砌混凝土极易产生裂缝，而温度应力是衬砌混凝土产生裂缝的重要因素[1,2]，如何防止温度裂缝的产生是泄洪洞衬砌混凝土的重要研究课题[3]。随着有限元理论的不断发展，使用有限单元法仿真计算混凝土温控方案的计算结果与实测结果吻合较好[4,5]。本文采用有限单元法模拟白鹤滩泄洪洞边墙衬砌混凝土夏季施工过程中的多种温控方案，而混凝土绝热温升参数的正确选取是仿真模拟的前提[6,7]，首先基于现场实测资料对混凝土的绝热温升参数进行反演分析[8]，进而利用反演结果，进行多种温控方案下有限元仿真计算，对各方案的温度场、应力场和抗裂安全系数进行综合分析，推荐最优的温控方案。将推荐方案应用于进水口段衬砌混凝土施工，通过对混凝土浇筑过程中温控数据监测，检验温控实施效果。

1 计算基本资料

根据研究，环境温度对混凝土温控防裂有重要影响。白鹤滩水电站泄洪洞洞内气温采用余弦函数模拟年周期变化，其表达式为[9]：

(1)

式中：Ta表示t时刻泄洪洞洞内气温，根据实测气温资料，取A=20.5 ℃，B=6.5 ℃，C=210 d。白鹤滩水电站泄洪洞衬砌采用C9040混凝土，围岩为II类围岩，混凝土的基本参数见表1和表2，围岩的基本参数见表3。

表1 混凝土的热学参数Tab.1 Thermal parameters of concrete

表2 混凝土的力学参数Tab.2 Mechanical parameters of concrete

表3 围岩的热力学参数Tab.3 Thermal and mechanical parameters of the rock

混凝土的基本参数中缺少绝热温升，而绝热温升是影响混凝土温度和温度应力发展的重要参数[10]，故需要对C9040衬砌混凝土的绝热温升参数进行反演分析。

2 绝热温升反演分析

2.1 实测资料

为了便于比较分析，对现场数据进行筛选，选取可靠性和规律性较高的仓位。本文以白鹤滩2号泄洪洞第4单元为例进行反演分析，其实测数据如表4所示。

表4 2号泄洪洞第4单元实测数据Tab.4 The measured data for the fourth unitin 2#spillway tunnel

2.2 反演的有限元模型

为了构建反演模型，采用有限元方法对计算结构段进行划分。计算结构段为泄洪洞进水口段，城门洞形断面，断面高14.5 m，衬砌厚2.5 m，沿泄洪洞轴线每隔12 m设置环向施工缝。泄洪洞具有几何对称性和荷载对称性，因此计算对象可以根据对称条件进行截取[8]，仅考虑1/4结构段，围岩厚度取30 m。结构段模型共划分21 240个三维块体单元。泄洪洞及围岩有限元模型如图1所示。

图1 泄洪洞衬砌混凝土及围岩有限元模型Fig.1 Finite element model of lining concrete of the spillway tunnel and surrounding rock

2.3 计算成果与参数选取

有限元仿真计算条件与实测数据保持一致，根据表4选取混凝土的浇筑时间、浇筑温度、通水温度和通水时间；根据表1和表2选取混凝土基本参数；根据表3选取围岩参数。由工程经验可知，混凝土绝热温升值θ在35～40 ℃之间，水化热散发一半时间n在1～1.5 d之间[5]，在参数范围内通过正交试验拟定5组不同的θ和n，利用ANSYS软件计算得到各组参数对应的温度曲线，并将计算值与实测值进行相关性比较。计算方案如表5所示。

表5 反演分析计算表Tab.5 Inversion analysis calculation table

由表5可知，方案2计算结果与实测数据最为贴近，故反演最终结果为：绝热温升值取37.5 ℃，水化热散发一半时间取1.2 d。

3 温控方案仿真计算分析

3.1 计算工况与计算成果

根据上一节对混凝土绝热温升参数的分析，结合现有的相关参数，对白鹤滩泄洪洞衬砌混凝土夏季施工的各种温控方案进行了模拟。由工程经验可知，在浇筑过程中，边墙比底板更加危险，故本文选取边墙代表点作有限元分析。边墙最危险的点位于边墙的中间部位[9]，因此选取Y=7.25 m，Z=0 m断面的点作为代表点，由外向内依次选取表面点、中间点和围岩点3个代表点，其在X方向上的坐标依次为：X=8.75 m、X=10 m、X=11.25 m。温控方案如表6所示，计算成果如表7所示。

表6 夏季施工温控方案表Tab.6 The temperature control programs of summer construction

表7 温控方案计算成果表Tab.7 Calculation results table of temperature control programs

3.2 边墙混凝土温度场分析

将表6中温控方案进行有限元仿真计算，得出各代表点最高温度列于表7。由于各个温控方案温度场变化规律相似，本文以方案5为例进行分析，温度历时曲线如图2所示。

图2 方案5边墙代表点温度历时曲线Fig.2 Temperature duration curve of representative point in concrete sidewall under the fifth program

分析表7中的数据，并结合图2中温度历时曲线，可以得到如下结论：

(1)对比6个温控方案代表点的最高温度可以发现，中间点的最高温度要高于表面点和围岩点的最高温度。这是由于表面点与空气接触、围岩点与围岩接触，表面点和围岩点的散热条件优于中间点的散热条件，因此中间点的最高温度要高于表面点和围岩点的最高温度。

(2)对比方案1与5可以发现，洞口保温对混凝土代表点的最高温度无影响。这是因为洞内保温温度设置为18、16 ℃，而夏季施工洞内气温不低于18 ℃，因此夏季保温对混凝土最高温度无影响。

(3)对比6个温控方案可以发现，降低浇筑温度和增加冷却水管密度可以降低混凝土的最高温度。

3.3 边墙混凝土应力场分析

将表6中温控方案进行有限元仿真计算，得出各代表点最大拉应力列于表7。由于各个温控方案应力场变化规律相似，本文以方案5为例进行分析，温度应力历时曲线如图3所示。

分析表7中的数据，并结合图3中温度应力历时曲线，可以得到如下结论：

(1)对比方案1与5或方案2与6可以发现，提高洞口保温温度能够降低混凝土代表点的最大拉应力。这是因为混凝土的温度应力与混凝土内外温差成正比[5]，提高洞口保温温度，可以减小内外温差，从而降低温度应力。

(2)对比方案1与2、方案3与4或方案5与6可以发现，加大冷却水管密度能够降低代表点的最大拉应力。这是因为冷却水管密度增加，带走的热量越多，代表点达到的最高温度降低，与外界环境的温差变小，产生的温度应力变小。

(3)对比方案1与3或方案2与4可以发现，降低混凝土浇筑温度能够降低代表点的最大拉应力。这是因为混凝土浇筑温度降低，代表点达到的最高温度降低，与外界环境的温差变小，产生的温度应力变小。

3.4 推荐方案

结合各温控方案的温度应力历时曲线，求出代表点最小抗裂安全系数如表8所示，根据《混凝土重力坝设计规范》(NB/T

35026-2014)要求，泄洪洞在施工期的抗裂安全系数取为1.8。其中：

抗裂安全系数 (2)

表8 代表点的最小抗裂安全系数汇总表Tab.8 The minimum safety factor of representative points

通过对6种温控方案的温度场、应力场和抗裂安全系数进行综合比较分析，只有方案5满足规范要求，能够有效地防止衬砌混凝土产生温度裂缝，即采用方案：混凝土浇筑温度为18 ℃，加密水管通制冷水12 ℃，洞口保温温度18 ℃。代表点中，中间点和围岩点较表面点更易产生裂缝，应特别注意中间点和围岩点最高温度的控制，通过有限元仿真计算，建议最高温度控制在41 ℃以内。

4 现场温控实施效果

采用推荐方案对白鹤滩进水口段进行混凝土浇筑，选取浇筑时间与计算方案相吻合的浇筑单元，从2017年7月27日至8月2日，共浇筑4个边墙单元，各单元浇筑情况及混凝土内部温控监测数据如表9所示。

表9 各单元浇筑情况及温控数据表Tab.9 The pouring situation of each unit and temperature control data sheet

分析表9中的数据，并结合推荐方案，可以发现：

(1)选取的浇筑单元浇筑温度均未超过推荐浇筑温度，混凝土内部实测最高温度控制在推荐范围内，未超过建议最高温度41 ℃；

(2)推荐方案的最大温升为22.75 ℃，选取的浇筑单元最大温升与推荐方案最大相差1.09 ℃，计算精度较好；

(3)通过对混凝土浇筑效果进行检查，已浇筑混凝土满足设计温控要求，整个现场混凝土表面无龟裂及温度裂缝产生。

5 结 语

本文首先运用反演分析得出混凝土绝热温升参数，进而利用反演分析结果，选出6种温控方案对白鹤滩泄洪洞边墙衬砌混凝土进行了有限元仿真计算，将各种温控方案计算结果进行对比分析，得出以下结论：

(1)在温度场、应力场和抗裂安全系数综合分析的基础上选出推荐方案，在推荐方案下浇筑，混凝土能够满足安全要求，不会产生温度裂缝。

(2)将推荐方案应用于泄洪洞进水口段浇筑，通过对现场温控数据进行分析，其最大温升与计算值较为接近，说明有限元仿真计算具有较好的精度。

(3)通过对现场浇筑效果进行检查，混凝土内部最高温度控制在建议最高温度以下，温度裂缝得到有效控制，达到了预期目标。