水电站泄洪洞衬砌混凝土施工温控问题探讨

柳 磊

（江西晨升建设工程有限公司，江西 南昌 330077）

水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝大多出现在温差较大的情况下，在混凝土浇筑后硬化、水化热等过程中均会释放大量热量，并在混凝土结构内部及表面形成温度梯度和应力；对于体积较大的水工隧洞衬砌混凝土，积聚在结构内部的水化热很难散发，内部温度急剧升高；在环境温度较低时，混凝土内表温差会随之大幅提升，温度应力也将超出混凝土内外约束力，引发温度裂缝，甚至危及衬砌结构安全运行。基于此，本文以江西查册水电站为例，对其厚1.0 m的泄洪洞衬砌混凝土低温季节施工方案及温控措施展开比较和优选，以期为大体积水工隧洞衬砌混凝土温升裂缝的控制提供借鉴。

1 工程概况

江西靖安县中源乡的查册水电站所在流域年降雨量均值为1 886 mm，降雨量年际变化大；水电站控制流域面积153.1 km2，总库容781.2×104m³，总装机容量12 400 MW。工程主要承担地区发电、防洪、拦蓄等功能；泄洪建筑物主要由左右岸无压泄洪隧洞承担。该水电站水头高、泄量及泄洪功率大，衬砌混凝土一旦出现裂缝，在高速水流的持续影响下，必将出现空蚀破坏。

2 基本参数

水电站泄洪洞衬砌混凝土温度控制研究涉及环境温度，混凝土力学及热学参数、徐变参数，围岩热学及力学参数、变形性能等指标。

2.1 环境温度

环境温度由气温、地温、水温、太阳辐射温升等组成，该水电站泄洪洞衬砌混凝土为地下工程，其温度应力及温度场主要受到气温和地温的影响较大，故水温、太阳辐射温升等因素可忽略不计。结合泄洪洞施工期间气温实测结果、气象部门提供的气温资料，按照余弦函数[1]展开泄洪洞坝址处施工日气温模拟。而地温分布一般较为稳定且地表周围地温与月平均气温接近，地表以下10 m 处地温基本为年平均气温，据此得出该泄洪洞坝址深部围岩温度为24℃。

2.2 混凝土力学及热学参数

该水电站泄洪洞衬砌混凝土底板、边墙采用C45 常态二级配混凝土，密度2 390 kg∕m³，粉煤灰掺量36%；顶拱采用C35 常态二级配混凝土，密度2 450 kg∕m³，粉煤灰掺量35%。结合《水工混凝土结构设计规范》（DL-T 5057-2018）及试验资料，2 种等级混凝土热学及力学参数取值详见表1。

表1 混凝土热力学参数取值

2.3 围岩热学及力学参数

该水电站泄洪洞围岩热力学参数根据工程地勘资料并参考所在地类似工程设计经验进行确定，由此得到的围岩导温系数为0.084 ㎡∕d，比热为0.716 kJ∕（kg·℃），导热系数为160.172 kJ∕（m·d·℃），线膨胀系数为8.5×106，密度为2 697 kg∕m³。

3 模型构建

3.1 有限元模型

计算模型选取厚1.0 m的衬砌混凝土结构段，泄洪洞结构断面如图1（a）所示。泄洪洞衬砌混凝土温控计算时，以洞轴线指向洞口方向为Z轴正向、垂直边墙水平方向右为X轴正向、铅直向上方向为Y轴正向，构建三维坐标系。温度场及应力场计算过程中，因泄洪洞沿断面中线几何形状及荷载均对称，故按照对称条件截取计算对象[2]。围岩厚度按照洞径的3倍确定；衬砌及围岩均采用空间8节点等参单元，衬砌结构段模型共包括15 600个三维块体单元，如图1（b）所示。

图1 衬砌横断面及有限元模型

3.2 边界条件

温度场计算中，该水电站泄洪洞衬砌段结构对称面属于绝热边界；而在应力场计算中应施加与表面垂直的位移约束；围岩周边与衬砌结构距离远，应赋予绝热、全约束力学边界条件；模板拆除前为光滑钢表面和空气热对流边界，拆除后则为光滑固体和空气热对流边界。

温度场计算时，混凝土结构以浇筑温度为初始温度，岩体以地温为初始温度；应力场计算时，必须先确定应力取0时的初始温度场，并以此为参考；参考温度则为混凝土浇筑后的初凝温度。

3.3 计算工况

针对该水电站泄洪洞衬砌混凝土厚1.0 m 的衬砌混凝土施工过程，展开洒水养护、流水养护、通水冷却等温控措施对混凝土温度控制及防裂效果的研究。温控方案详见表2，其中基本工况为常温流水养护+通水冷却；工况1 是在基本工况基础上+早期洒水养护；工况2 是将基本工况中常温流水养护改为恒温流水养护；工况3 是基本工况+早期洒水养护，同时将常温流水改为恒温流水；工况4是在工况3中取消通水冷却环节。

表2 衬砌混凝土温控方案

4 施工温控效果分析

4.1 衬砌混凝土温度场分析

将不同工况下厚度1.0 m 的衬砌混凝土温度最高值及内表温差最大值模拟结果列示在表3，考虑到不同工况下温度场分布规律类似，故仅绘制出基本工况下底板中央断面典型点温度历时曲线[3]，如图2所示。从图2可以看出，泄洪洞衬砌混凝土浇筑过程中温度场变化主要表现为3 个阶段：水化热温升、温降、周期性变化；模板拆除后对混凝土表面实施90 d 常温流水养护，故底板中央断面典型点温度历时曲线也表现出3个突降。

图2 基本工况底板中央断面典型点温度历时曲线

表3 各工况衬砌混凝土温度模拟结果℃

通过分析表3 结果可知，与基本工况不同，工况1和工况2中断面最高温度无变化；因水管冷却水温度升高了1℃，故工况3底板、边墙、顶拱断面温度最高值有小幅升高；由于未通水冷却，故工况4 底板、边墙、顶拱断面温度最高值升高较多。工况1底板、边墙、顶拱断面内表温差最大值分别降低了6.45、6.37和5.43℃；工况2底板、边墙、顶拱断面内表温差最大值均降低了0.17℃；工况3底板、边墙、顶拱断面内表温差最大值分别降低6.69、6.21及6.02℃。说明混凝土拆模后采取7 d 洒水养护及表面常温流水养护措施后，内表温差最大值降低显著，尤其是前期洒水养护的降温效果较好。工况4各断面内表温差出现了升高趋势，也验证了通水冷却在降低泄洪洞衬砌混凝土内表温差方面的积极作用[4]。

4.2 衬砌混凝土应力场分析

为发现泄洪洞衬砌混凝土温度应力变化规律，还必须展开应力场分析。根据模拟结果，衬砌混凝土浇筑施工期间必然产生大量水化热，使浇筑块内表温差增大，引发温度裂缝。衬砌混凝土第一主应力可同时反映出其余方向拉应力，并能较好体现裂缝发生、发展的趋势过程[5]；此外，该水电站泄洪洞边墙衬砌结构使用的是高标号抗冲耐磨硅粉混凝土材料，与顶拱低标号混凝土相比，出现温度裂缝的可能性更大。故以边墙混凝土为例，展开应力场分析。各工况边墙中央断面典型点应力模拟结果详见表4，各工况边墙中央断面典型点抗裂安全系数详见表5。

表4 各工况边墙中央断面典型点应力模拟结果

表5 各工况边墙中央断面典型点抗裂安全系数

通过对表4 及表5 中模拟结果以及各工况边墙断面典型点第一主应力历时曲线的分析，可以得出以下几点结论。

（1）各工况混凝土拆模（即龄期3 d）前，第一主应力均表现为压应力。工况1应力历时曲线的变动规律同基本工况，拆模后压应力迅速减小，拉应力升高，且工况1因拆模后采取了表面洒水的降温措施，故拉应力增长较为缓慢；基本工况和工况1 均采取了90 d 常温流水养护措施，故各季节水温均值差异较大，内表温差也存在较大变化，使应力曲线表现出明显的陡升陡降趋势。工况2、工况3 和工况4 均采取恒温流水养护措施，养护期间拉应力稳中有降；工况4因未通水冷却，故前期内表温差大，拉应力快速升高。养护完成后，各工况应力历时曲线则随环境温度呈周期性变化趋势。基本工况最小抗裂安全系数仅为0.48，未达到1.50的规范值，存在较大的早期裂缝发生的可能性。

（2）工况1 边墙中央断面典型点第一主应力与基本工况比减小了0.84 MPa，7 d龄期抗裂安全系数及最小抗裂安全系数分别增大了0.94、0.71；而14、28、90 d 龄期第一主应力升高0.3～0.4 MPa，抗裂安全系数降低0.2～0.3；最大拉应力出现时间延迟了7 d。这充分说明早期洒水养护措施降温速率比流水养护好，可有效延缓早期温度应力升高趋势，增强温控防裂效果。工况1 抗裂安全系数在1.5 以下的天数较多，故无法达到衬砌混凝土抗裂安全方面的要求。

（3）工况2 在7、14、28、90 d 龄期时的边墙中央断面典型点第一主应力与基本工况相比分别减小了0.03、0.03、0.02、1.01 MPa，最大拉应力出现时间提前至3.25 d；抗裂安全系数早期并无明显升高，最小抗裂安全系数也无明显变化，表明拆模后随即实施恒温流水养护措施，对衬砌混凝土温控防裂无明显效果；此外，该工况下最小抗裂安全系数为0.50，不满足相关规范要求，发生早期温升裂缝的可能性大。

（4）工况3 在3、7、90 d 龄期时的边墙中央断面典型点第一主应力与基本工况相比分别减小了0.01、0.82、1.43 MPa，断面7 d 龄期抗裂安全系数及最小抗裂安全系数均增大至0.9以上；虽然仅个别龄期第一主应力小幅提高，但早期和后期第一主应力均未超出设计抗拉强度；抗裂安全系数值也在1.5以上，后期表现出较大富裕，可在一定程度上避免温升裂缝出现。

（5）工况4与工况3相比未通水冷却。因通水冷却会引起衬砌混凝土浇筑施工前期短暂的内表温差小幅升高，故在通水前工况4 典型点第一主应力较小，到14 d 龄期时第一主应力和最大拉应力分别增大至0.54、0.62 MPa，最小抗裂安全系数减小至0.35。这说明在不采取通水冷却措施的情况下，衬砌混凝土早期拉应力将大幅增大，抗裂安全系数也将大幅减小，十分不利于早期温控。工况4 最小抗裂安全系数仅为1.05，且抗裂安全系数在1.5以下的天数较多，达不到相关规范要求，发生早期温升裂缝的可能性大[6]。

4.3 温控方案优选

综合以上对该水电站泄洪洞衬砌混凝土不同方案温度场和应力场的分析看出，仅工况3 能满足抗裂安全要求，所以应按照工况3 的思路对该泄洪洞衬砌混凝土施工过程展开温控防裂，即开始浇筑混凝土时通20℃恒温水持续冷却15 d，3 d 拆模后展开为期7 d的表面洒水养护，此后再通20℃恒温流水持续养护90 d。

5 结论

根据以上对水电站泄洪洞衬砌混凝土施工温控防裂过程的模拟分析结果可知，使用冷却水管降温的措施可使早期最高温度与温差有效降低，但应力改善并不明显，早期抗裂安全系数取值较小，出现早期温升裂缝的可能性较大；混凝土浇筑之初，内部温度较高，通过低温流水养护，因内表温差较大，表面必然出现较大拉应力，对温升抗裂十分不利；即使是混凝土浇筑后期，采用低温水流养护，也不会改善温升抗裂效果。而混凝土浇筑早期洒水养护，同时通水冷却；后期使用较高温度水流养护，则能较好抑制早期拉应力，有效防止温升裂缝出现。工程应用结果也表明，本文所提出的工况3 泄洪洞衬砌混凝土施工温控方案切实可行。