水电站大体积混凝土浇筑施工的温度应力三维仿真分析

岳朝俊 袁习奎 蒋思良

1.长江勘测规划设计研究院 湖北 武汉 430010；2.中国建筑第二工程局有限公司 湖南 长沙 410005

巴基斯坦卡洛特水电站进水塔为岸塔式、钢筋混凝土箱筒式结构，共有4座独立塔体，每座进水塔对应一条水电站引水隧洞。

水电站进水塔混凝土体积较大、基础约束强、结构受力复杂，受水泥水化热和气温等边界条件的影响，混凝土内部与外部以及混凝土和基础之间极易产生相对温差，由于约束的作用进而产生拉应力。混凝土是脆性材料，过大的拉应力可能会导致其开裂，轻则影响结构的整体受力，重则危及结构安全[1-5]。因此，现场拟定了降低浇筑温度、通水冷却、表面保温等措施。

本文采用Ansys有限元软件，按照施工计划进行施工期温度和温度应力场的三维仿真计算，分析研究水电站进水塔在拟定温控措施下各部位温度和温度应力分布情况，得到各部位温控防裂安全系数，并指导实际温控措施的实施调整。

1 模型建立及边界条件

在温度应力仿真中，对进水塔模型进行了适当的简化，绘制的进水塔有限元计算模型如图1和图2所示。计算网格总单元数32 716个、节点数39 526个，其中进水塔网格单元数25 384个、节点数31 542个。

坐标x轴为顺水流方向，y轴为铅直方向（向上为正），z轴为横河方向（由左岸指向右岸）。

2 计算基本条件及参数

2.1 气温

卡洛特水电站位于巴基斯坦Jhelum河流域干流下游，坝址以上汇入Jhelum河的主要支流有Neelum河和Kunhar河。工程流域多年平均气温20.1 ℃，计算选取流域内气象站点的气温统计数据进行平均，具体见表1。

图1 进水塔整体计算模型

图2 计算模型有限元网络划分

表1 坝址各月平均气温取值 单位：℃

2.2 材料计算参数

水电站进水塔底板及塔体混凝土设计强度等级主要为C25。计算中混凝土的主要热力学参数取值如下：导温系数为5.232×10-3m2/h，导热系数为11.8 kJ/（m·h·K），质量热容为0.947 kJ/（kg·K），线膨胀系数为10.9×10-6K-1，7 d绝热温升为29.2 K。混凝土力学参数取值见表2。

表2 混凝土力学参数值

2.3 混凝土浇筑进度

水电站进水塔位于卡洛特工程溢洪道左侧边坡，底板高程430.5 m，顶板高程469.5 m，塔高39 m。进水塔基础较高，底板混凝土浇筑工期约1个月，塔体混凝土浇筑工期约7个月，塔顶金属结构安装工期3个月，厂房进水口总工期约11个月。进水塔在引水洞衬砌完成后进行施工。

1#进水塔计划于主体工程开工建设后第3年的1月1日开始混凝土浇筑，当年11月26日浇筑至469.5 m（顶部高程），后续3座进水塔3个月后全部浇筑完成。

2.4 浇筑温度控制

根据规范要求以及设计成果，对进水塔各部位采取温控分区，对各区不同时段浇筑方式及浇筑温度控制如下：

1）基础强约束区部位：在12月—次年2月，混凝土采取自然浇筑方式；其他月份采取水冷骨料或混凝土加冰水拌和等措施后浇筑，浇筑温度控制不超过20 ℃。

2）基础弱约束区部位：在12月—次年2月，混凝土采取自然浇筑方式；其他月份采取水冷骨料或混凝土加冰水拌和等措施后浇筑，浇筑温度控制不超过22 ℃。

3）脱离基础约束区及墩墙部位：在12月—次年2月，混凝土采取自然浇筑方式；在3—5月和10—11月，浇筑温度控制不超过22 ℃；在6—9月高温季节，采取水冷骨料或混凝土加冰水拌和等措施后浇筑，浇筑温度控制不超过24 ℃。

2.5 冷却处理

为降低底板大体积混凝土内部温度，在底板内部埋设循环冷却水管，通过循环冷水降温。冷却水管采用PVC水管，其外径为32 mm，内径为28 mm；水管水平间距可取1.5 m，竖直间距根据层厚可取1.5～1.8 m。混凝土开始浇筑时可通水冷却，基础强约束区部位在高温及次高温季节宜采用15 ℃冷水，其他部位可采用河水，单根水管通水流量按25 L/min计算。低温季节通水时间控制在8～10 d；为避免温度变化较大，高温季节通水时间一般控制在15～20 d；其他季节通水冷却10～15 d。

2.6 表面保护

低温季节，混凝土浇筑完成后，混凝土表面采取覆盖棉毡等有效措施及时进行保温。混凝土拆模后，及时覆盖保温板。夏季混凝土浇筑完毕后，采取表面覆盖塑料薄膜等保温措施，并及时进行洒水或喷雾养护。

3 计算结果分析

通过模拟计算，得出水电站进水塔内最高温度（图3）和最大拉应力（图4），具体数值见表3。结果分析表明：

1）进水塔底板在1月开始浇筑，混凝土最高温度为28.4 ℃，混凝土内部顺水流方向最大拉应力1.83 MPa，抗裂安全系数为1.68，大于1.5，满足混凝土抗裂安全要求。

2）进水塔墩墙混凝土浇筑历时长，时间跨度较大。墩墙混凝土最高温度为39.7 ℃，发生在夏季高温季节浇筑时段，混凝土最大拉应力1.56 MPa，混凝土抗裂安全系数均达到1.9以上，满足混凝土抗裂安全要求。

4 结语

通过利用Ansys有限元软件，对卡洛特水电站进水塔在拟定温控措施下的混凝土浇筑温度及内部温度应力进行分析，结果表明：Ansys有限元软件能有效分析大体积混凝土因温度变化而产生的温度应力裂缝问题，并能验证温控措施的有效性，从而大大降低工程质量风险。同时，Ansys有限元软件在工程实际中的成功应用，可为类似工程提供一定的指导作用。

图3 进水塔最高温度

图4 进水塔最大拉应力

表3 进水塔温控仿真成果统计