大体积混凝土冷却水管优化研究

陈渴鑫 田 斌 陈博夫 陈玉玺

(1.三峡大学水利与环境学院,湖北宜昌 443002;2.河海大学 水利水电学院,南京 210098)

1 工程概况

水库工程位于贵州省开阳县龙岗镇小谷光村境内,为乌江三级支流三岔河的中下游,工程规模为中型,工程等级为Ⅲ等.挡水建筑物为抛物线型双曲混凝土常态混凝土拱坝,坝轴线总长203.47 m,大坝主体材料采用三级配C9020常态混凝土,坝顶高程1 065 m,大坝基础高程990 m,最大坝高75 m,宽高比2.72.坝顶宽度5 m,拱冠梁底厚度15.2 m,厚高比0.203.

根据施工进度计划安排,浇筑从第1年的12月底到第3年的10月底完成,总浇筑量大约为10万m3,月最大浇筑量为8 400 m3,最大仓面宽度5 m,厚度3 m,由于其结构断面大而厚,依靠表面能量逸散降温过程缓慢,难以满足施工要求;工程所在区气候温和,冬暖夏热,新混凝土在浇筑过程中的温度回升,与当时的日照条件、气温条件密切相关,导致新浇的混凝土散热更加缓慢,温度控制难度较高.本工程要求浇筑区块上下层混凝土允许温差按17℃控制,难以在规定工期内完成浇筑任务.由于水泥材料的水化特性,水化热成为混凝土施工中不可避免的问题,同时温度的升高将引起混凝土局部应力,进而可能造成开裂等问题[1].所以考虑在混凝土内部埋设冷却水管来进行物理降温,达到混凝土降温的目的.

大体积混凝土拱坝施工期冷却水管通水冷却的温度场影响因素有很多,如冷却水管的布置方式、通水温度和通水时间等对拱坝冷却效果有显著的影响,但冷却水管布置过多,会导致坝体的结构不完整,布置偏少又不会起到对坝体内部混凝土降温的目的,因此在选择水管冷却方式时应做具体分析[2].基于这些不同因素组合,对不同制冷设备、施工进度、经济效益等方案进行逐一对比,从中选取较为良好的方案,可以大大优化施工期间初期冷却降温效率,从而精简技术施工成本,为大体积混凝土坝高效、经济、优质施工提供可靠的保障.

2 计算原理与方法

2.1 理论计算

冷却水与混凝土之间的热交换涉及到热传导、热传输和流体动力等问题,模拟水管冷却效果的关键在于准确界定包含各因素的冷却水与混凝土沿程换热多少[3],目前广泛采用Newton冷却定律计算冷却水与混凝土之间对流换热[4],即

式中,Q为传递到冷却水中的热流,A为混凝土和冷却水之间的接触面积,Tc为混凝土表面温度,Tw为冷却水温度,h为等效换热系数,通常包含冷却水流动状态、管径、管壁粗糙度、混凝土导热性等多种因素的影响[5].

本文研究的是等间距埋设人工冷却水管的冷却问题.可以将水管简化成n个长度为l i的空心圆柱体的冷却问题.可描述为:

式中,c为冷却水管的内径;b为冷却水管的外径;a为混凝土的导温系数;θ0为混凝土的初温;θlw(t,l i)为t时间管长为l i处的水温.

2.2 判断冷却水管是否穿过网格单元的方法

依据现有的理论上严密的计算方法[6],将单元分解为6个面,每个面上有4个点,再将其拆分成2个三角形,取该三角形△ABC的法向量n(n1,n2,n3),将水管简化为直线L(l1,l2,l3).如图1所示.

图1 冷却水管穿过单元示意图

将直线方程写成参数方程形式,即有

将平面方程写成点法式方程形式,即有

则直线与平面的交点一定满足式(3)和(4),联立两式,求得:如果式(5)中分母为0,则表示直线与平面平行,即直线与平面没有交点.求解出t后,然后将t代入式(1)即可求得交点O的坐标异号,则说明点O在三角形ABC内部.即水管穿过该单元.

3 冷却水管的温控效果和布置方案优化研究

3.1 计算模型

由于在构建模型时,水管的断面面积远小于坝体的断面面积,所以需要将坝体进行细化网格划分,共32 627个网格,采用8节点6面体单元.以该坝某坝段为研究对象,模拟横缝灌浆、跳仓等影响.考虑到主要研究基础温差、上下层温差和内外温差的问题,选取24 m高坝段作为研究对象,如图2所示.

图2 有限元模型及水管布置情况

3.2 方案比较

结合拱坝典型浇筑块进行冷却水管的敏感性分析,分别对水管排布、不同通水温度、不同通水时间和不同通水流速的冷却效果设计不同方案进行比较,温度历程曲线取坝高4.5 m处中心点与表面点进行分析,该高程为强约束区,如果强约束区的温度满足要求,那么整个拱坝也满足要求,方案见表1.

表1 不同水管冷却方案

3.3施工期温度场仿真分析成果

采用上述计算条件分别进行了多种不同水管布置方案的计算.根据计算结果绘制出浇筑完成时刻温度场分布、各高程特征点的温度历程曲线以及内外温差历程曲线.

由图3～5可知:通水温度越高,混凝土内部高温的区域越大;混凝土内部温度随通水温度的降低而降低,外表面温度基本一致,以至混凝土内外温差随通水温度的降低而升高.以此得出通水温度越低更有利于降低混凝土的内部温度,从而降低大体积混凝土内部温度.

图3 不同通水温度的温度云图

由图6～8可知:通水时间越长,混凝土内部的高温区域越小,混凝土的内部温度越低,外表面温度基本一致,以至混凝土内外温差随通水温度的降低而升高,以此得出通水时间越长更有利于降低混凝土的内部温度,从而降低大体积混凝土内部温度.

图6 不同通水时间的温度云图

图7 方案4、1、5中心点与表面点温度历程图

由图9～11可知:水管间距越大,混凝土内部高温的区域越大;混凝土内部温度随着水管间距的增大而增大,由于外表面温度一致,从而导致混凝土内外温差也随着水管间距的增大而增大.

图8 方案4、1、5中心点与表面点温差历程图

图9 不同水管间距的温度云图

图10 方案1、6中心点与表面点温度历程图

图11 方案1、6中心点与表面点温差历程图

综上所述:冷却水温越低越有利于加快混凝土内部温度释放的速度;通水时间越长越有利于降低混凝土内部温度;水管间距越小越有利于混凝土内部释放温度.通水温度越低、通水时间越长以及水管间距越小越有利于降低混凝土内部温度.对于通水温度对比,3种方案下中心点温度、内外温差较为明显,故选择最小值方案(方案1)能够更好地达到降温效果;对于通水时间对比,3种方案下中心点最高温度、内外温差差别不大,故选择中间值方案(方案1)即可达到降温效果,以及经济最优;对于水管间距对比,两种方案下中心点温度、内外温差差距较大,故选择最小值方案(方案1)可以更好的降低混凝土内部温度.由此可见,方案1降温最为明显、经济最优、布设简单.所以最优方案为通水温度10℃、通水时间20 d、水管间距1.5 m×1.5 m.

4 结 论

本文运用数值方法计算分析了不同通水时间、不同冷却水温以及不同水管间距对混凝土冷却效果的影响.根据各影响因素分析,得出结论如下:

1)将水管划分成水管单元,采用沿程分段积分的方法,计算精度得到了提高,能够更为真实的反应冷却效果.

2)冷却水温越低越有利于加快混凝土内部温度释放的速度;通水时间越长越有利于降低混凝土内部温度,但考虑到经济效益的影响,可以适当的缩短通水时间;水管间距越小越有利于混凝土内部释放温度.又由于表面点温度几乎一致,故冷却水管各参数对混凝土内外温差有显著影响,对于大体积混凝土应合理选择冷却方案,从而节约成本,提升经济效益.

3)工程位于西南山区,昼夜温差大,气候反复无常,因此可为其他类似工程的冷却方案提供参考.