黄鱼滘水闸施工期温度场及多参数下水管冷却效果研究

唐 芳

(岭南水务集团有限公司,北京 100071)

截至目前,全国共有水闸10×104余座,泵站50×104余座。随着水利投资的不断加大,掀起了水利工程的建设高潮,但混凝土裂缝问题一直是困扰工程界与学术界的难题。随着计算机技术的发展,数值模拟法成为水工混凝土防裂研究的重要手段[1-2]。近年来,国内外专家学者分别围绕施工期混凝土温度场和应力场的仿真算法、混凝土热力学参数的精确获取以及闸墩、倒虹吸等倒T形结构的温控防裂等方面展开了相关研究工作。为了解决贯穿性裂缝问题,水管冷却成为最有效的温控防裂措施之一[3-4]。水管冷却受到多种因素的影响,需要结合混凝土结构的实际情况进行精确量化分析,以保证实现最佳的温控防裂效果[5-6]。

因此,本文通过多参数组合条件下的精确分析,以江门市潭江河流治理工程为主要对象,探究水管冷却对水闸等混凝土结构的温控防裂效果,并提出相应的解决方案。

1 水闸模型及水管冷却效果计算策略研究

1.1 水闸有限元模型建立

江门市潭江河流治理工程(新会段)由银洲湖海堤沿岸未闭口的16条支流整治工程组成,工程位于广东省江门市新会区,地处中国大陆珠江三角洲西南部,位于广东省南部,西江、潭江的会合处。

项目所在的新会区潭江下游主干堤上有16条支流处于未闭口状态,为了达到挡潮的目的,其中的5条支流加固堤防,其余的11条支流修建闭口水闸。其中,黄鱼滘水闸为治理工程中的一个闭口水闸,位于新会区大泽镇沙冲河末端。研究首先对黄鱼滘水闸施工期间的温度场进行探究。

水闸等混凝土结构的裂缝往往是由于温度应力引起的。因此,研究水闸结构内部温度分布和影响因素,有助于制定有效的温控防裂措施。影响水闸温度分布的因素可归纳为内部和外部两个方面。

水闸的温度分布会受到气温、日照、地基温度等外界因素的影响,其中温度的因素最为重要。新会区夏季气温较高,冬季则出现最低气温。混凝土结构暴露在空气中时,其与空气之间的对流换热系数一般在60kJ(m2·h·℃)左右,受气温的影响而表现出差距明显的温度梯度,为降低其影响需要降低对流换热系数。

混凝土的导热系数较小,导致混凝土结构内部的温度变化具有一定的滞后性,并且混凝土分层施工也会使混凝土温度随之分化。在浇筑完成后,混凝土结构处于热交换过程,在此过程中其本身会散发较多热量,且表面温度持续受到环境的影响,结构内外会通过热辐射、对流和传导交换热量。该过程会引起工程结构内部温度不均的情况,由此产生变形,对结构形成限制,形成附加应力。

混凝土结构在温度影响下会引起变形和应力。当其未受约束或是静定结构,且内部温度的分布趋势呈线性时,不会产生应力,否则就会产生对应的温度应力。在水闸中,约束分为自身和外部两种,同时温度应力也可分为自身和约束两种。水闸底板的上表面和四周侧面等部位在外界环境中的自然温度变化速度较快,因此表面温度较低,而内部相反。线性分布以外的温度会导致结构内部形成限制,进而产生自身应力。同时,水闸靠下的部位由于受到自然环境的限制,其变形也会由此产生约束应力。上述情况的发生可能会影响整个水闸结构的稳定性和安全性。

利用ANSYS软件进行有限元建模,以结构材料及施工标准等为依据,对水闸的温度场进行仿真模拟并分析。水闸底部与地基相互作用,上表面处于外界自然环境中,闸底板因热交换系数的差异在相同方向上的温度随位置的变化而变化。为避免该情况,需要明确底板在同一方向上的具体温度情况,本文在底板竖直方向上选取A、B、C三个节点进行研究。3个节点的位置分别位于底板内部中心,与地基接触面上以及底板上表面,这些节点在施工后期会被覆盖,温度变化特殊。在混凝土构件中,由于传导作用的影响,热量沿着混凝土构件逐渐传导,导致同一水平断面内的温度出现差异。因此,在第19天拆模之后,选取节点D和节点E,分析同一水平断面内的温度变化,结果发现差异较大。水闸选取截面及特征点位置示意见图1。

图1 选取截面及特征点位置示意图

1.2 水管冷却效果计算策略研究

随着水管冷却技术的不断发展,对其效率和经济性的要求也变高。在平面冷却问题中,一般情况下,为了简化计算流程,计算过程中将水温视作常数,即不考虑水温的变化。但在实际应用场景中,冷却水在流动过程中会与固体表面及相邻流体产生热交换,根据热交换的对象不同存在两种情况。随着时间的推移,冷却水的温度会逐渐升高,降低了混凝土的冷却速率。在一定长度的水管中,出口的水温会更高。因此,在水管长度处于一定限度内时,对水在其中的冷却效果及作用进行计算,此时需要将温度在一定方向上的变化影响纳入考虑中。按照该条件进行计算后,水闸的三维温度场热传导方程如下:

(1)

式中:τ为时间;T为节点温度;x、y、z分别为不同的方向。

方程的一般边界条件如下:

(2)

式中:Ta为外界气温。

水管边界条件如下:

(3)

式中:Tw为水体温度;β为表面放热系数;βw为混凝土与冷却水之间的对流换热系数;λ为热传导系数;θ为绝热温升。

利用有限元法来离散空间域,然后设定差分法离散时间域,最终得到线性方程如下:

(4)

式中:s为差分计算设定数值;[H]与[R]均为离散运算矩阵;{Fn}与[Fn+1]均为冷却水管向量。

此时,由于混凝土中不同位置上的温度有一定的差异,但可通过计算得到水管入口位置的具体温度,并对其进行求解。水管截面见图2。

图2 水管截面

首先,假定沿途各截面冷却水温度等于入口处温度,计算出第一次近似解。然后,利用该近似解作为各截面上冷却水的温度,计算出第二次近似解。反复计算,直到差值满足指定条件,即算法收敛。在进行水管冷却应力场有限元计算时,需要对冷却水管周边进行网格加密处理。这种方法能够较为准确地模拟温度场分布和冷却水的冷却效果,为工程设计提供有力支持。迭代满足条件如下:

(5)

式中:k为迭代次数;ξ为指定小数,一般情况下取值0.01。

水管在冷却过程中会产生较为剧烈的混凝土温度变化,在此变化下产生影响较为显著的拉应力。但通常情况下,水管的大小有一定的取值范围。为了计算精确,水管附近的混凝土结构单元需要进行加密处理。在操作过程中,为了节约计算和人工成本,单元大小规模的起点选定为水管附近的某一节点,并逐渐向外放大,加密方式见图3。

图3 加密方式

在水管冷却仿真计算中,首先需要建立含冷却水管的水闸有限元模型,对网格加密是提高计算精度的必要步骤。然后,使用生死单元去除水闸单元,并激活建造的混凝土块单元。通过设定混凝土初始温度和边界条件,计算体积荷载热生成率,并将其加到建造块。设定冷却水参数,建立对流换热关系,然后计算温度场。最后,施加约束和重力荷载,读取水闸温度计算应力场。所有这些步骤组合起来可以建立可行的水管冷却仿真计算模型,并预测相关变量。

2 水闸与冷却水管参数分析

2.1 水闸温度场与应力场分析

底板的温度分布受多种因素影响,包括周围环境、接触面积等,而混凝土构件的热传导性质也是影响因素之一。针对这些因素,可以采取适合的措施,如增加绝缘层、改善周围环境等,来提高混凝土结构的保温性能,优化温度分布情况。温度曲线见图4。

图4 温度曲线

根据图4的数据显示,在闸底板的建造过程中,最高温度出现在中墩节点A处,达到45℃。而节点B处的最高温度仅为32.5℃,节点C处的温度最大值处于33℃附近。通过原理分析可知,节点C的位置处于与外界环境接触的上表面,因此其温度相较于其他节点下降的速度要快。此外,闸底板中墩位置的温度达到顶峰,此时的时间为第6天,结构内外温差几乎接近30℃,且节点A与另外两节点间的温度差距高达13℃以上。

基于以上数据,通过绘制闸底板特征点温度曲线可以看出,随着时间的推移,中墩节点A处的温度呈上升趋势,达到最高峰后开始下降。节点B和节点C处的温度则相对较低,且呈现波动的趋势。需要注意的是,节点C处的温度在第4天后开始下降。此外,在第6天时,中墩节点A处的温度达到最高值,此时结构内外的温度差距同样接近30℃,节点B和节点C之间的温差达13℃以上。因此,闸底板的温度曲线呈现出较为明显的波动趋势和明显的温差差异。应力曲线见图5。

图5中,闸底板在覆盖前受到内部温度升高的影响,产生“内压外拉”的应力现象,导致表面节点F受到拉应力,节点A和节点B则受到压应力。覆盖完成后,闸底板内部温度仍较高,由于受热膨胀较大,拉应力逐渐增加,节点F在第3天产生的拉应力超出当时允许的极限,导致表面出现裂纹。混凝土砌体施工达到第6天后,节点A的拉应力逐渐升高,在第35天内部应力超过混凝土允许的最大拉应力,表明该处发生了裂缝。闸墩也出现了相似问题,施工第23天后,节点D产生拉应力,节点E受到拉应力的影响逐渐增大,而结点G处的最大拉应力达到2.3MPa,不在该结构的允许标准之内。对于建筑物的设计和施工,进行有效的拉应力分析至关重要,必须合理预测和控制各种应力的变化,以保证建筑物的结构稳定性和安全性。

2.2 冷却水多参数模拟分析

不同管径的冷却水管在实现紊流状态下,所需的临界流速和临界流量不同。临界流速和临界流量分别表示在给定管径下,冷却水管实现紊流的最小速度和最小流量。随着管径的不同,临界流速和临界流量也会有所不同。通过研究不同管径下冷却水管紊流状态的实现条件,可以为设计和改进冷却系统提供理论依据,并优化冷却效果。在同一混凝土结构通水冷却时,紊流状态能够更好地冷却混凝土结构,相比于层流状态,紊流状态冷却所需的时间较短,从而提高冷却效率。因此,选择合适的管径,控制水流速度和流量,有利于实现紊流状态下的高效冷却,并提高混凝土结构的耐久性。不同管径的临界流速和临界流量变化见表1。

从表1可以看出,随着管道编号的递增(即管径变大),临界流速呈现下降趋势。表明较大的管道能够承载更大的流量,在同等速度下,输送更多的流体。另外,临界流量和临界流速的变化幅度随着管道编号的增大而逐渐减小,表明在一定范围内,管道能够承载的流量和速度变化相对较小。具体来说,从管道1到管道2,临界流量增加约0.032cm3/s,临界流速减少约12.7cm/s;从管道2到管道3,临界流量增加约0.023cm3/s,临界流速减少约4.2cm/s;从管道3到管道4,临界流量增加约0.033cm3/s,临界流速减少约1.8cm/s。可以看到,从管道1到管道2,临界流速的变化幅度最大;从管道3到管道4,临界流速的变化幅度最小。而且,所有管道的最优值均在临界流量和临界流速中取得(即最大值和最小值),这是因为当流量和流速达到一定程度时,管道容易出现堵塞、破裂等安全问题。因此,在设计和使用管道时,需要根据实际需求和条件选择最适合的管径,以保证安全和有效的工作。多参数变化下冷却效果变化见图6。

图6 多参数变化下冷却效果变化

图6进一步阐述了多参数变化下的冷却效果变化。当冷却水的流量分别设置为10、15和20 L/min时,在相同时间内测量混凝土的平均温度。结果显示,当流量为20L/min时,混凝土的平均温度最低,仅为15℃;当流量为10L/min时,混凝土的平均温度最高,达32℃,表明流量对于冷却效果的影响。将冷却时间设置为20、30和40 min,通过观察冷却水出口处的温度和混凝土平均温度的变化,分析多参数变化下的冷却效果变化。结果表明,随着冷却时间的增加,冷却水出口处的温度逐渐降低,而混凝土的平均温度也随之降低。当冷却时间为40min时,混凝土平均温度最低,仅为18℃左右,表明冷却时间对于冷却效果的影响。此外,将入口温度设置为0℃、5℃和10℃,以观察其对冷却效果的影响。结果表明,入口温度越低,混凝土平均温度也越低,在相同的时间内,差异可达6℃以上,进一步验证了入口温度对于冷却效果的影响。

综上所述,多参数变化下,冷却效果会随之变化。因此,冷却系统的设计应该综合考虑多个参数的变化,以达到最佳的冷却效果。

3 结 论

本研究通过建立水闸有限元模型和水管冷却模型,采用仿真分析策略进行了参数分析,结论如下:

水闸底板温度场分布不均,且节点A温度最高,达到45℃,这对建筑设计和施工非常重要。流量和流速与管道直径、安全和有效工作相关,需要根据实际需求选择最适合的管径。同时,当流量为20 L/min时,混凝土的平均温度最低,随着冷却时间的增加,混凝土平均温度逐渐降低,入口温度越低,混凝土平均温度也越低。分析结果对于水利工程、建筑设计和施工等方面具有重要借鉴意义。