混凝土冷却水管布置形式优化分析

任喜平 李虎子 焦 雄

(陕西引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710024)

在大体积混凝土工程建设发展过程中，对常态混凝土施工过程中的温控方案、防裂措施的研究较多，各种措施在工程建设中得到广泛应用，敷设水管通入制冷水降温的措施在各类型的常态混凝土坝体工程建设中得到普遍采用。而碾压混凝土大坝具有节约水泥、施工快、强度高等优点，在水利工程建设中被广泛应用。由已建碾压混凝土大坝的案例可知，因其施工工序和混凝土配合比的特殊性，混凝土的抗剪和早期抗拉强度都较小，在施工期由于混凝土自身的温度应力导致坝体出现裂缝的现象较多，尤其对于坝体一些关键部位产生的裂缝，对大坝的施工过程和使用功能产生了很大影响，还会影响到坝体下一阶段施工安排，对后期大坝的安全和稳定运行带来严重的隐患。所以，在碾压混凝土大坝施工过程中采取合理的温控措施十分必要，通过对现场施工实践过程的不断总结，通过有限元法仿真模拟，在碾压混凝土施工过程中参考常态混凝土温控措施，经过取长补短合理的应用，碾压混凝土施工过程选用通水冷却的温控措施可达到相应要求。

1 工程概况

引汉济渭的三河口水利枢纽是调水工程的调节中枢，具有自流供水、可逆机组抽水储备水、发电等综合效益和功能，大坝为大(2)型碾压混凝土双曲拱坝，河床坝段的坝体原设计高度145m，在现场实际施工中根据坝基开挖过程揭露的地质情况抬高3.5m，实际最大坝高141.5m，坝体顶部弧长369m，河床段坝体坝基37m，其余坝段均为岸坡段坝体，工程大坝主体、消力塘及导流洞封堵等大体积混凝土总量约为11419m3，其中碾压混凝土约为9360m3。三河口碾压混凝土大坝总平面布置见图1。

图1 三河口大坝总平面布置图

2 有限元计算方法

在混凝土坝仿真分析中，温度是基本作用荷载，坝体温度变化是一个热传递问题，用有限元法求解有下面几个优点：ⓐ容易适应不规则边界；ⓑ在温度梯度大的地方，可局部加密网格；ⓒ容易与计算应力的有限单元法程序配套，将温度场、应力场和徐变变形三者统一在一个程序计算中。仿真应力计算中需考虑混凝土温度、徐变、水压、自重、自生体积变形和干缩变形等的作用。

本文选用在大型有限元软件ANSYS上进行深层二次开发的“高坝结构施工期至运行期全过程温度场、温度应力场三维有限元仿真分析软件”，根据本工程特点选用、增加、修改不同的功能模块，缩短仿真分析周期，为施工期温度监测及反馈分析提供了快捷的技术支持。温度场仿真分析的核心技术是通水冷却的等效负热源系数法和冷却水管的精细模拟，它既能等效地考虑通水冷却的作用、减小模型规模、提高仿真分析的效率，又能考虑不同部位混凝土的冷却效果。应力场仿真分析模块能考虑混凝土力学性能参数随龄期的变化、混凝土徐变、混凝土的自生体积变形等因素的影响，有多种混凝土本构模型可供选用，如弹性模型、弹塑性模型、损伤模型、断裂力学模型等。

对于不同施工方案和温控方案，通过改变相应参数，如不同混凝土胶凝材料水化热性能、浇筑层厚度、间歇天数、冷却水管间距、冷却时间、冷却水管的热学力学参数等来实现，同时实现计算过程中中间结果输出的可视化，分析校核计算结果的合理性，实现高坝温度应力仿真分析这一复杂过程的自动化和智能化。

3 冷却水管的温控有限元分析

3.1 计算模型

三河口水利枢纽大坝的大部分坝体为岸坡坝段，河床坝段长度较小，本文在有限元模拟仿真计算过程中选取岸坡坝段作为坝体冷却水管布置分析的典型坝段，混凝土、坝基围岩、冷却水管等采用8节点实体单元建立三维有限元仿真空间模型，模拟过程共划分53350个单元。岸坡坝段计算网格剖分见图2，混凝土材料分区见图3。

3.2 计算工况

结合三河口水利枢纽坝址区气温资料及混凝土生产的预冷方案，大坝混凝土坝体进行仿真模拟计算的浇筑温度见表1。

图2 岸坡坝段计算网格剖分图

图3 混凝土材料分区

表1 用于计算的混凝土浇筑温度

根据现场施工进度计划安排坝体岸坡混凝土坝段在4月开始浇筑，大坝河床坝段的基础垫层、坝顶浇筑2.0m厚的常态混凝土，大坝碾压混凝土在浇筑过程中采用每层厚3m的浇筑方式，每个碾压层浇筑的间歇时间为10天。混凝土的生产11月至次年3月采用自然拌和，4—10月采用制冷水和骨料预冷拌和，坝体混凝土内部铺设冷却水管通过制冷水进行降温冷却，布置的水管间距由1.5m×3.0m逐渐加密至1.5m×1.5m，制冷水的通水时间根据坝体温度测量的数据和气候条件设为15～20天，冷却水管的通水流量为1.5m3/h，大坝常态混凝土区域采用C2825常态混凝土，碾压混凝土区域采用C9025，大坝岸坡坝段施工温控计算方案见表2，不同方案岸坡段混凝土的最大温度云图见图4。

表2 岸坡坝段施工温控计算方案

图4 岸坡坝段混凝土最大温度云图

方案1不通水，由计算结果可知：坝体岸坡的基础强约束区坝段防渗层的最大温度介于31.83～37.23℃之间，坝体内层的三级配区域混凝土最大温度介于31.16～37.25℃之间，都不能达到设计要求的最大温度26℃；坝体基础弱约束区防渗层最大温度介于31.9～32.62℃之间，坝体内层三级配区域混凝土最大温度介于31.97～32.66℃之间，都不能达到设计要求的最大温度28℃。岸坡坝段的混凝土浇筑施工进入脱离约束区阶段后，坝体碾压混凝土施工过程中的浇筑温度、最大温度随月份不同不断变化。总体可以看出，岸坡坝段混凝土在施工过程中的最大温度除1月外都达不到设计要求。只有通过敷设的冷却水管进行通水冷却降温，混凝土最大温度才能够达到设计要求，但也无法达到总进度要求规定的时间内接缝灌浆施工12～15℃的温度要求，在现场实际施工过程温控方案不可行。

方案2布置间距1.5m×3.0m冷却水管，由计算结果可知：坝体岸坡的基础强约束区坝段防渗层和坝体内层三级配区域混凝土的最大温度各介于28.5～31.84℃和27.33～31.02℃之间，都不能达到设计要求的最大温度26℃； 坝体基础弱约束区的上游面防渗层最大温度介于28.44～28.89℃之间，不能达到设计要求的最大温度28℃，坝体内层三级配区域的混凝土最大温度介于27.59～28.04℃之间，接近设计要求的最大温度28℃，脱离约束区混凝土大温度施工过程能够满足各阶段的温度要求。

方案3布置间距1.5m×2.0m冷却水管，由计算结果可知：坝体岸坡段基础强约束区上游侧防渗面和内部三级配区域的最大温度各介于27.47～30.54℃和26.45～29.82℃之间，都不能达到设计要求的最大温度26℃；坝体基础弱约束区上游侧的防渗面和内部三级配最大温度各介于27.42～27.82℃和26.62～27.01℃之间，都能达到设计要求的最大温度28℃。坝体岸坡坝段敷设间距1.5m×2.0m冷却水管后，脱离约束区域的坝体混凝土最大温度逐渐减小，能够达到施工过程中各阶段的温度要求。

方案4布置间距1.5m×1.5m冷却水管，坝体岸坡段基础强约束区上游侧防渗面和内部三级配区域的最大温度各介于25.72～26.8℃和24.75～26.45℃之间，最大温度略高于设计要求的26℃，但在冷却水管加密敷设至1.0m×1.5m后，混凝土的最高温度能够满足要求；坝体基础弱约束区上游侧的防渗面和内部三级配区域的最大温度介于26.61～26.97℃和25.84～26.19℃之间，都能达到设计要求的最大温度28℃。布置间距1.5m×1.5m水管后，脱离约束区域的坝体混凝土最大温度变小，满足施工过程中各阶段的温度要求，富裕度进一步增大。

综上所述，碾压混凝土拱坝浇筑过程埋设的制冷水管从1.5m×3.0m逐渐加密至1.5m×1.5m后，坝体岸坡段碾压混凝土按照3m升层浇筑过程中基础强约束区上游侧防渗面和内部三级配区域混凝土最大温度略有超标现象，但当该区域坝体混凝土内部冷却水管加密至1.0m×1.5m后，经复核计算混凝土最大温度完全满足设计要求；岸坡坝段脱离约束区随着坝体内布设的冷却水管逐步加密，混凝土的最大温度超越程度不断缩小，当埋设的制冷水管逐步加密到间距1.5m×1.5m时，浇筑混凝土的最大温度完全达到设计要求。

4 结 语

本文采用三维有限元仿真模拟的方法，计算分析了秦岭南北气候分界区域特殊地带碾压混凝土拱坝浇筑过程埋设的制冷水管从1.5m×3.0m逐渐加密至1.5m×1.5m过程中坝体内各区域的最大温度值，从计算分析结果可以看出，大坝混凝土浇筑过程中岸坡坝段的约束区和非约束区混凝土内部分别布置间距1.0m×1.5m和1.5m×1.5m的冷却水管通水冷却时，完全能使坝体混凝土最大温度满足设计要求，但在通水冷却降温过程中，要做好大坝内部温度的监测工作，根据实际情况适当减少通水时间，以便节省成本。坝内冷却水管的各项参数对坝体碾压混凝土温度有着较大的影响，引汉济渭三河口大坝大体积碾压混凝土浇筑过程选择更为合理的冷却方案，能够有效地提高经济效益，节省成本。三河口水利枢纽位于秦岭腹地南北气候分界地带，当地的气候反复无常、温度变化幅度较大，对三河口大坝碾压混凝土冷却水管的分析研究，可为该地区类似工程碾压混凝土冷却方案设计起到一定参考作用。