涡河蒙城枢纽建设工程船闸底板冬季施工温度场仿真分析

陈 杰 朱明星 王旭光 鲁文妍

（1.蒙城县水利局 蒙城 233500 2.安徽省淮河河道管理局 蚌埠 233000 3.南京水利科学研究院 南京 210029）

1 工程概况

涡河蒙城枢纽建设工程船闸位于安徽省亳州市蒙城县王集乡全集村枢纽建设工程左侧，为Ⅳ级船闸。闸室有效尺度为240m×23m×4.2m（长×宽×门槛水深），采用整体式钢筋混凝土倒“Π”型结构，顺水流向分成 12 节，每节分缝长度20m。底板总宽38.8m，厚2.8m，采用C25 混凝土浇筑。底板横向尺寸较大，为减小沿横向的约束，底板均设置后浇带，分左块、中间块、右块浇筑。闸室底板浇筑块最大方量15.6×20×2.8=874m³，厚度大于1m，属大体积混凝土。根据施工计划，底板混凝土浇筑安排在冬季，由于大体积混凝土水化热效应显著，易受环境低温影响产生开裂，危害船闸结构安全，因此必须对底板温度进行严格有效的控制。

冬季低温环境下浇筑闸室底板等大体积混凝土，混凝土表面散热较快，做好温控防裂措施的关键在于控制混凝土降温速率和里表温差，可通过提高混凝土外部温度（如覆盖保温层）和降低混凝土内部温度（如冷却水管）实现。本文采用混凝土温度场理论和有限元方法，集成混凝土内部冷却水管的牛顿冷却方程和迭代算法，对蒙城船闸底板开展三维温度场仿真分析，结合施工现场条件，以底板断面加权平均温度的降温速率及里表温差为主要控制指标，提出一套船闸底板冬季施工温控防裂方案，为确保工程施工质量提供技术支撑。

2 冷却水管的模拟

由于船闸底板体积较大，温度峰值较高，需要布设冷却水管。冷却水管采用管径32mm 的铸铁管，底板水管均按水平布设，单路水管的总长度控制在200m 以内。通过建立管冷单元模拟冷却水管，在布置水管的位置处搜索依附的热传导单元结点，形成管冷单元，冷却水流向与路径指向一致，在冷却边界上的热能交换满足牛顿冷却方程，即：

式中：hw为冷却边界上的放热系数；Aw为冷却水管表面积；为冷却水管管壁温度；为冷却水温度；D 为管径；l 为管冷单元长度；Ts,in、Ts,out分别为冷却水管进、出管壁温度；Tw,in、Tw,out分别为进、出口冷却水温。

式中：qcool为冷却水带走的热量； Qw为冷却水的流量；ρw为冷却水的密度；cw为冷却水的比热。

根据热能守恒原理，联立式（1）、式（2），求解出口水温Tw,out，即：

水管冷却温度场的迭代计算：首先采用“恒定水温法”，即管冷单元的结点温度均等于进口处的水温；作为求解温度场的初始边界温度，进而求解出混凝土水管冷却温度场；根据求解出的温度场和进口冷却水温，按式（3）沿程逐步计算出管冷单元结点的温度，作为之后求解温度场的初始边界，依次迭代，至温度场及冷却水温均趋于稳定时，迭代结束，即可求解出真实的水管冷却混凝土温度场及冷却水的沿程水温变化规律。

3 计算模型

3.1 混凝土热力学参数

船闸底板混凝土标号为C25，其热力学参数根据现场混凝土配合比通过热力学试验测定。热膨胀系数采用HR-3 混凝土热物理参数测试仪测定，水化热测试采用TAM AIR II 热导式等温量热仪进行。试验测得绝热温升曲线如图1所示，热力学参数值见表1。

3.2 几何模型及边界条件

底板沿水流方向具有近似轴对称性，为节省计算时间，同时也便于查看内部温度场，采用1/4 对称模型（见图2）进行计算。地基均采用对称位移边界，计算域对称面热力学边界为绝热边界。

日环境温度采用正弦函数曲线，根据施工进度安排和当地气温，取日环境温度0～10℃。混凝土浇筑温度15℃。底板侧面采用2cm 厚木模板（散热系数4.3 kcal/ m2·h·℃）。通过不断调整底板表面散热系数模拟不同保温措施，确定底板顶表面散热系数为3 kcal/ m2·h·℃（覆盖1cm 厚工业棉被可达到）。根据计算，底板温度在第3d 左右达到峰值，里、表各部位因散热条件不同而略有差异，故通水时长按72h 模拟。

4 温度场分析

4.1 断面加权平均温度

冬季施工底板温度裂缝的产生主要是由于温差以及降温收缩受到约束造成的，因此混凝土受拉破坏主要发生在降温阶段，控制温度裂缝的关键是降低温差和减小降温速率。控制降温速率的目的是降低混凝土浇筑体在降温阶段因内外约束产生的拉应力，所以这里采用断面加权平均温度的降温速率控制，以避免采用局部点降温速率控制产生过于严格的效果。其中断面加权温度Tmean指根据图3各温度测点代表区段长度占厚度权值，对各测点温度进行加权平均得到的值，计算公式如下：

表1 材料热力学参数表

表2 底板温度场特征值表

4.2 温度场特征值

通过计算获得闸室底板温度场，温度特征值统计见表2。由表2可知，底板最高温度为61.85℃，小于70 ℃；混凝土最大温升为46.85 ℃，小于50℃；里表最大温差24.40℃，小于25℃；断面加权平均温度降温速率为1.94℃/d，小于2℃/d。表明该方案各项温度指标满足规范要求。为了便于规律性分析，表2中在给出断面加权平均温度降温速率的同时，给出了表、中、底各部分的降温速率。

4.3 温度场分布规律

船闸底板温度包络云图见图4。表面温度峰值为42.80℃，内部温度峰值为61.85℃。可见表面温度相对较低，底板内部因散热差温度较高，冷却水管附近温度有明显降低。

底板温度表面、内部、底部特征点时程对比曲线见图5。可以看出：表面最先达到温度峰值（约48h），且降温速率最大（表面最大降温速率3.80℃/d），这是由于表面散热条件好，水化热产热速率先升后降，一旦水化热产热速率和表面散热速率相等，表面即达到温度峰值，随着水化热产热速率的继续降低，表面开始快速降温。内部在54h 左右达到温度峰值，温度峰值高于表面，降温速率略低（内部最大降温速率2.30℃/d），这是由于内部散热条件差，温升阶段水化产热量与散热量差值大，造成较高的温度峰值；底板内部散热速率低，当表面达到温度峰值时，底板内部产热速率仍然大于散热速率，仍处于温升阶段，较高的峰值加大了内部降温绝对值，但由于散热速率低，导致内部降温速率仍低于表面。底部因不断向附近地基传热，温升缓慢，在表面和内部已达峰值开始降温时仍在缓慢升温。

图1 混凝土绝热温升曲线图

图2 船闸底板温度场仿真模型图

图3 断面加权平均温度取点示意图

图4 船闸底板温度包络云图

图5 船闸底板特征点时程曲线图

综上，船闸底板表面最先达到温度峰值（约48h），中部次之（约54h），底部最后（温度峰值较低，温升较慢）。在表面温升阶段（约浇筑后48h 内）采取冷却水管通水降温的同时顶部保温措施应稍缓（如仅覆盖一层土工布保湿），有利于初期混凝土水化热的散失，从而降低温度峰值；一旦降温开始（浇筑后48h 左右，具体根据现场温度监测数据确定），则需停止冷却水降温，同时注意采取棉被覆盖等加强表面保温，减小内外温差导致的温度应力。

4.4 现场温控情况

仿真结果表明，底板侧面采用2cm 厚木模板，前期采取通水冷却、顶表覆盖土工布保湿，当底板浇筑48h 左右底板顶部覆盖1cm 厚工业棉被保温，底板温度指标可满足规范要求。

蒙城船闸底板施工时，施工方采用了该保温降温方案，早期通水冷却、覆盖土工布保湿，降温期（约48h 左右，具体根据现场温度监测数据控制）采取顶部覆盖工业棉被保温等措施，并及时调整管冷通水强度，有效控制了混凝土浇筑温度指标。目前最后一块底板已浇筑完成，外观整体良好，未发现明显裂缝。

5 结语

船闸底板属大体积混凝土，在冬季施工时易受环境低温影响产生开裂，为减少温度裂缝的产生，确保工程质量，本文采用混凝土温度场理论和有限元方法，集成混凝土内部冷却水管的牛顿冷却方程和迭代算法，对蒙城船闸底板开展三维温度场仿真分析，提出底板侧面采用2cm 厚木模板，前期采取通水冷却、顶表覆盖土工布保湿，当底板浇筑48h左右降温阶段停止通水冷却、顶部覆盖1cm 厚工业棉被保温的温控实施方案。该方案经现场实施取得了较好的防裂效果，表明本文的研究方法是正确的、提出的保温降温方案是有效、合理的，可为类似工程冬季施工提供参考■