严寒地区某水利工程过水孔防冷激处理研究

于可忱

1 工程概况

某水利枢纽工程位于严寒地区，气候条件恶劣，夏季酷热，多风少雨，蒸发量极大，冬季严寒。经计算，库底水温度较低，又因为坝体采用上下游喷涂聚氨酯保温，坝体温度难以散发出去，造成坝体长期处于高温区，相应的底孔及引水钢管过流时，低温库水与高温坝体温差大，极易引起冷激问题，使得坝体产生过大温度应力，超过坝体混凝土抗拉强度，产生裂缝。本文对碾压混凝土大坝过流孔洞进行了设计，并提出了适合本工程合理设计方案，在保证大坝质量的情况下，节约投资，方便施工。

2 过流孔洞设计

2.1 坝体过流冷激问题及防范设计

严寒地区混凝土坝体设置过流孔洞时，由于坝体混凝土温度高，而水流温度相对较低，造成混凝土内外温差过大，混凝土在温度荷载的作用下产生较大的拉应力，导致坝体混凝土出现环状裂缝；如果裂至廊道部位，水流将会沿着裂缝进入坝体，造成坝体渗漏，坝体结构失稳，极易出现漏坝、塌坝事故，危及整个工程安全。

因此，在过流孔洞设计时，采用如下设计方案：孔壁迎水面采用钢板护衬，钢板壁厚6 mm，采用10 cm肋板加固。钢板背水侧喷涂硬质聚氨酯泡沫5 cm作为保温隔热材料。

2.2 坝体温度场

枢纽工程大坝碾压混凝土温控设计采用上游面喷涂10 cm聚氨酯、下游采用8 cm聚氨酯进行坝体保温。因为保温层随着坝体浇筑升高同时施工，造成坝体混凝土内部温度散热途径只有层面及冷却水降温，散热效率极低，造成混凝土坝内部温度过高。山口电站地理位置与本工程气候条件相近，采用保温设计，运行4年后，实测坝体内部温度22℃左右。本枢纽工程经过坝体温度场计算，大坝建成后坝体温度场如图1所示。

图1 坝体建成后温度场（单位：℃）

2.3 库水温计算

坝址工程区最高气温40.9℃，最低气温-42.0℃，最大温差达到82.9℃；月平均气温分布不均，1月份月平均气温最低-15.3℃，7月份月平均气温最高20.2℃，相差较大。蒸发量多年平均1 571.8 mm；最大风速17.3 m/s，冻土最大深度239 cm。

经计算，库水温沿水深分布见表1。

表1 库水温垂直分布表

2.4 孔洞周围温度应力计算

2.4.1 温度应力控制

允许拉应力计算公式为：[σ]=Eεt/K，E为混凝土弹性模量，εt为极限拉伸，K为安全系数。E和εt都与混凝土龄期有关，对于后期混凝土均按龄期90 d计算，取K=1.4。常态混凝土极限拉伸值取0.85×10-4，碾压混凝土极限拉伸值取0.7×10-4。

C25常态混凝土允许拉应力为：

2.4.2 计算边界条件

计算选用有限元分析软件ANSYS，进行热-结构耦合分析，计算坝体过流孔洞受过流冷激的影响。孔内过水温度取5.0℃，坝体内部温度取30.0℃，则温差为25.0℃。

建立孔洞的三维有限元模型，为避免周边约束对孔洞计算结果的影响，边界左右两侧采用水平向约束，上下两侧采用铅垂向约束。

2.4.2.1 计算参数

计算模型中，孔洞周围混凝土强度标号C25，主要物理力学参数值见表2，水、混凝土主要热力学参数值见表3，聚氨酯硬质泡沫材料参数值见表4。

表2 C25混凝材料主要物理力学参数值

表3 水、混凝土主要热力学参数值表

表4 聚氨酯硬质泡沫材料参数值表

2.4.2.2 计算工况及结果

为研究过水孔洞受过水冷激温度应力分布，按不喷涂隔热材料和喷涂隔热材料分别进行计算，计算结果如下：

（1）不喷涂隔热材料。应力主要由温度场通水后降低产生，温度相差越大，通水时温度场变化产生的应力也越大。从表5可见，孔洞周围混凝土在通水时会产生很大的温降荷载及环向应力，结构全断面受拉且超过混凝土温度应力允许值应力。

（2）喷涂隔热材料。隔热材料会阻止热量传递，隔绝过流冷水与混凝土，不会产生较大的温降荷载，环向应力在混凝土允许温度应力内。应力计算结果见表5，环向应力如图2所示。

表5 环向应力计算结果表 MPa

图2 环向应力图（喷涂隔热材料；单位：Pa）

3 工程应用

3.1 导流底孔冷激产生裂缝

枢纽工程采用河床分期导流，坝体设置导流底孔过流后期封堵，导流底孔体型图如图3所示。

图3 导流底孔体型图

施工期导流底孔模板拆除后，在拆模完成后8#坝段左侧墙面发现1条竖向裂缝，右侧墙面发现5条竖向裂缝；9月9日，右侧墙面发展为15条（14条为竖向裂缝，1条为坝下游层间裂缝）。裂缝深度测试经过取芯30 cm深度进行查看，个别深度超过30 cm，后续未继续进行裂缝深度检测。后续在导流底孔左边墙973.5 m高程浇筑面发现5条裂缝，右边墙发现5条裂缝；导流底孔地面发现9条裂缝。

3.2 永久底孔处理

根据计算结果及8#导流底孔出现的裂缝情况，对10#坝段永久底孔采用保温设计，体型如图4所示。

图4 导流底孔永久保温模板示意图

施工期采用图4的永久模板，后期不拆除，作为抗冲耐磨钢衬材料，经后期埋设的温度计及应力应变计检测结果显示。永久底孔周边混凝土温度不随外界气温的变化而变化，温度应力远低于混凝土本身的抗拉强度，永久底孔无裂缝产生。

4 结论及建议

通过热-结构耦合方式，计算出严寒地区过流孔洞过流冷激时，不喷涂隔热材料时，运行期过流孔洞内外侧因混凝土温度与通水温度之间温差，产生超过混凝土允许的温度拉应力，极易造成裂缝。喷涂隔热材料后，能有效阻止热量传递，产生较小的环向应力，保证了工程的安全运行，对严寒地区同类工程设计有一定的借鉴意义。