厚层浇筑条件下大型泵站流道结构施工应力研究

毛孟国，王成华，杨 扬

（山东黄河东平湖工程局，山东 东平 271000）

1 引言

在大体积混凝土结构的施工过程中，如何防止混凝土温度裂缝一直是工程建设的重点[1～2]。随着我国基础设施建设的快速发展，在保证施工质量和安全的前提下，最大限度地降低施工难度，缩短施工周期，是新时期工程建设面临的新挑战[3～4]。

杨桥培分析了常规浇筑、短间隔浇筑和厚层短间隔浇筑的温度场和应力场的变化。结果表明，在采取合理温控措施的前提下，适当增加浇筑层厚度，可满足工程防裂要求，有利于缩短工期，提前取得效益[5]。强晟认为，在控制浇筑温度、冷却水管、表面保温等温控措施的情况下，混凝土的应力能够满足要求，但厚层浇筑对混凝土的应力不利[6]。王海波的研究表明，随着混凝土坝厚度的增加，早期坝体温度梯度增大，早期拉应力增大。这是由厚层引起的问题，必须通过适当的表面绝缘措施加以解决[7]。

目前，学术界和工程界对闸墩和混凝土坝的厚层浇筑对混凝土结构受力的影响进行了一系列研究，但对大型泵站流道结构的厚层浇筑还没有尝试。因此本文从这一方面展开研究分析。

2 仿真计算模型及参数

华子水电站位于黄河中下游，是一座以灌溉与发电为主，兼有防洪、防凌和工业用水等效益的综合性水利枢纽。泵站装有4 台1.75ZLQc-6 型立式机械全调节轴流泵，泵站设计扬程6.8 m，单机流10.2 m3/s，总装机容量4000 kW，泵站抽水能力41.3 m3/s，该工程规模属大（2）型，水库大坝采用混合坝，碾压混凝土重力坝挡水坝位于主河床和左岸阶地、右岸阶地，坝顶高程910 m，最大坝高48 m，坝顶宽度8 m。黏土心墙坝与碾压混凝土重力坝采用较为经济的插入式连接方法。根据华子泵站图纸，选取两个连接孔建立了有限元模型。泵站主体混凝土结构长48 m，宽23 m，高13 m，流道结构高6 m。泵站有限元模型见图1。网格总数为76024 个，节点总数为88096 个。泵站坐标原点位于进水流道顶部上表面，根据右手螺旋法则，Z 轴垂直，X轴指向当前方向，Y 轴指向左岸。

图1 华子泵站有限元模型

结构底部的基础材料主要为粉质粘土，C30 混凝土用于桩基结构，C25 混凝土用于垫层结构。泵站主体结构混凝土强度等级为C30，混凝土抗拉强度为3.0 MPa。在流道结构下层混凝土中掺入抗拉纤维，可使其抗拉强度提高20%。流道结构的极限抗拉强度达到3.6 MPa。各种材料的热力学参数见表1。

表1 材料的热学和力学参数

为了便于计算，将多年月平均气温拟合成余弦曲线：

式中：τ 为时间，月。

在温度场的模拟计算中，地基的底面为绝热边界，上表面为散热边界。结构的对称面是绝热边界，施工临时缝面，结构永久缝面未覆盖时为散热边界，覆盖后为绝热边界，其他表面为散热边界。

在应力场的模拟计算中，正常约束施加在基础的周围和底面上，而上表面是自由边界。对结构的对称面施加法向约束，结构永久接缝面为自由边界，其他曲面是自由边界。

3 计算条件及结果分析

3.1 渠道结构分层浇筑条件

本条件系列包括泵站流道结构分层浇筑两种情况。流道结构分为两层，下部结构高3 m，上部结构高3 m，两层间隔20 天。在案例1 中，上下层均未采取冷却管措施。案例2 上层未采取冷却管措施，下层进行水管冷却。泵站主体结构浇筑时间见表2。

表2 泵站分层浇筑进度计划

采用有限元法对泵站主体结构的施工期进行了模拟，在不同的浇筑方案下，可以得到泵站的最大拉应力和最高温度。本文选取进口流道中心段进行说明。

图2 案例1 温度分布图和应力分布图

图3 案例2 温度分布图和应力分布图

由图2、图3 可以看出分层浇筑时，下层混凝土使用冷却管降温，可将下层大部分混凝土最高温度由65℃及以上温度控制在60℃以下，此时下层混凝土最大应力由4.39 MPa 以上降低至3.58 MPa，减少了0.81 MPa。说明控制混凝土温度变化可以有效控制混凝土内部应力变化，通过分层、降温浇筑可以有效降低内部应力最大值，从而防止混凝土内部因温度过高而发生开裂。

3.2 流道结构整体浇筑条件

本条件系列包括泵站流道结构整体浇筑两种情况。在案例3 中，没有采取冷却管措施。在案例4 中，上层没有采取冷却管措施，但下层进行与案例2 相同的水管冷却。泵站主体结构浇筑时间见表3。

表3 泵站整体浇筑进度计划

图4 案例3 温度分布图和应力分布图

图5 案例4 温度分布图和应力分布图

同混凝土分层浇筑相比，整体浇筑混凝土内部温度普遍较高，大部分处于65℃，当下部混凝土进行冷却时可以有效降低混凝土内部温度，从而使混凝土内部应力减小，由图4、图5 可以看出，当使用冷却管冷却浇筑时，混凝土内部最大应力明显减小，由4.51 MPa 降低至3.10 MPa，减少了1.41 MPa，效果比分层浇筑更加明显。

3.3 特征点温度及应力分析

选择进口流道下中段上的特征点1（X=8.2，Y=5.5，Z=-5.5） 和进口流道上中段上的特征点2（X=9.2，Y=5.5，Z=-3.01）。特征点的温度分布图和应力分布图见图6、图7。为比较温度的变化，图中混凝土的龄期为自身龄期，不考虑浇筑时间。

图6 特征点1 应力历时曲线

表4 下部混凝土最大拉应力 单位：MPa

从应力历时曲线可以看出，水管冷却混凝土的早期应力迅速增大。在相同温控措施下，整体混凝土的最大拉应力小于分层混凝土的最大拉应力。在无水管冷却条件下，下层混凝土的拉应力超过允许拉应力。整体混凝土的最大拉应力大于分层混凝土。分层浇筑时，采取水管冷却措施后，下层混凝土最大拉应力降低0.81 MPa。整体浇筑时，采取水管冷却措施后，下层混凝土最大拉应力降低1.41 MPa。在温控措施相同的情况下，采用整体浇筑法，可缩短工期20 d。

4 结论

综上分析得出主要结果如下：

（1）温度控制措施可能导致混凝土早期内应力迅速增大，但有利于降低最大拉应力。

（2）与分层浇筑相比，如果不采用水冷方式，整体浇筑孔道会产生较高的拉应力，但应力增加幅度较小。

（3）如果采取相同的温控措施，渠道下部混凝土一层6 m时最大拉应力降低1.41 MPa，两层3 m时最大拉应力降低0.81 MPa。由此可见，温控措施对厚层浇筑有较强的影响，可以降低残余应力，降低工期的时间成本。