高压岔管衬砌混凝土施工期温控防裂研究

焦石磊，王振红，汪 娟，金鑫鑫，张 步，张凯恒

(1.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东广州510635；2.中国水利水电科学研究院结构材料研究所，北京100038)

0 引 言

随着国家对基础设施投入的加大，众多渡槽、水闸、衬砌、高压岔管等水工薄壁结构工程陆续出现。隧洞高压岔管需承受高压水和高速水流冲刷，为了满足这一结构和工作特点，混凝土常采用高性能泵送混凝土，其温升高且早期温降快、弹性模量大、自生体积变形大[1-3]，且外侧受围岩约束大，再加上结构形式较薄，一旦出现裂缝，都将是贯穿裂缝[4-6]，严重影响工程可持续使用质量和寿命。工程实践表明，很多衬砌混凝土施工期都出现了裂缝，表明温度变化在衬砌内会引起相当大的拉应力[7-9]，衬砌混凝土施工期温控防裂至关重要[10-11]。

本文以阳江抽水蓄能电站输水隧洞高压岔管为例，结合衬砌混凝土自身特性，考虑洞内气温条件，用三维有限元程序[12]计算分析了不同分缝长度、不同浇筑温度、有无冷却水管方案下混凝土温度应力仿真分析，并进行对比分析，优选出合理有效的施工期浇筑方案，指导工程现场施工。

1 工程概况

阳江抽水蓄能电站枢纽工程主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房洞室群、地面开关站及场内永久交通道路等建筑物组成。输水系统总长约3 644.983 m，在上水库进/出水口后接坡度为4%的引水隧洞，长716.740 m，后接上游调压井。上游调压井后高压隧洞布置有上竖井、中平洞、下竖井、下平洞。输水系统水道衬砌形式，除引水支管、尾水支管采用埋藏式压力钢管衬砌外，其余均采用钢筋混凝土衬砌。高压岔管坡度为5%，输水隧洞高压岔管断面如图1所示。

图1 输水隧洞高压岔管断面示意(单位：mm)

2 计算模型和参数

2.1 计算模型

兼顾高压岔管衬砌不同的厚度、岔管不同的直径，本文选取某典型段进行建模，包括一定范围的周围基岩。输水隧洞高压岔管的计算模型与网格如图2所示，模型建立2段，两段之间设立分缝。高压岔管总长16 m，两段分别为10 m和6 m，衬砌厚度由1.5 m渐变到2.25 m。共剖分单元21 692，结点总数24 494个。温度场计算时，围岩四周均为绝热边界，隧洞洞内为散热边界，洞内气温按照28 ℃恒温模拟，通水冷却时，按等效算法计算；应力场计算时，基岩四周为三向约束。

图2 输水隧洞高压岔管计算模型与网格划分

2.2 混凝土热力学参数

输水隧洞高压岔管混凝土为C30泵送混凝土，混凝土热力学参数见表1。

表1 输水隧洞高压岔管混凝土热力学参数

3 施工期温控防裂仿真分析

3.1 浇筑方案

考虑夏季高温季节浇筑高压岔管混凝土，按照设计要求，考虑分缝长度，浇筑温度和有无水管因素影响，温控施工方案见表2。

表2 输水隧洞高压岔管浇筑方案

3.2 不同分缝长度分析

研究在通水冷却温控方案1条件下，不同分缝长度(10 m和6 m)对输水隧洞高压岔管内部温度和应力的影响，输水隧洞高压岔管典型剖面温度和应力包络图如图3所示，计算结果见表3。由图3和表3可知：①分缝长度为10 m时，衬砌厚度由1.5 m过渡到2.0 m的高压岔管混凝土，长度中间内部最高温度为47.87 ℃，长度方向和厚度方向最大拉应力分别为1.35、1.52 MPa，安全系数分别为2.14和2.00。②分缝长度为6 m时，衬砌厚度由2.0 m过渡到2.25 m的高压岔管混凝土，长度中间内部最高温度为48.75 ℃，长度方向和厚度方向最大拉应力分别为1.19、1.78 MPa，安全系数分别为2.94和1.99。③分缝长度6 m比分缝长度10 m长度方向应力减小了11.85%，分缝长度缩短对防裂效果明显。

表3 输水隧洞高压岔管典型内部点温度和应力值

图3 输水隧洞高压岔管典型剖面温度和应力包络图

3.3 不同浇筑温度分析

在通水冷却温控措施条件下，浇筑温度分别为22、24、26 ℃时，输水隧洞高压岔管典型点温度和应力过程线结果如图4所示。

图4 不同浇筑温度输水隧洞高压岔管典型点温度和应力过程线

由图4可知：浇筑温度每提高2 ℃，衬砌厚度由1.5 m过渡到2.0 m的高压岔管混凝土(分缝长度10 m)，长度方向内部最高温度最高增加约1.7 ℃，长度方向最大应力相应增加约0.14 MPa，安全系数分别为2.14、1.88和1.69，厚度方向最大应力相应增加约0.15 MPa，安全系数分别为2.00、1.75和1.56。衬砌厚度由2.0 m过渡到2.25 m的高压岔管混凝土(分缝长度6 m)，长度方向内部最高温度最高增加约1.7 ℃，长度方向最大应力相应增加约0.11 MPa，安全系数分别为2.94、2.55和2.34；厚度方向最大应力相应增加约0.18 MPa，安全系数分别为1.99、1.81和1.65。

3.4 有无通水冷却分析

对输水隧洞高压岔管混凝土浇筑时，有无冷却水管的工况建立模型进行温度和应力计算分析，岔管典型测点的混凝土温度和应力模拟结果过程线如图5所示。

图5 有无冷却水管输水隧洞高压岔管典型测点温度和应力过程线

由图5可知：

(1)当浇筑温度为24 ℃时，不埋设冷却水管，衬砌厚度由1.5 m过渡到2.0 m的高压水岔管混凝土(分缝长度10 m)，长度方向内部最高温度达到53.44 ℃，较有冷却水管措施下高了3.86 ℃，长度方向和厚度方向最大应力分别为2.36 MPa和2.61 MPa，最小安全系数分别为1.45和1.31。衬砌厚度由2.0 m过渡到2.25 m的高压岔管混凝土(分缝长度6 m)，长度方向内部最高温度达到56.06 ℃，较有冷却水管措施下高了5.77 ℃，长度方向和厚度方向最大应力分别为2.04 MPa和3.08 MPa，最小安全系数分别为1.75和1.19。

(2)当浇筑温度为26 ℃时，不埋设冷却水管，衬砌厚度由1.5 m过渡到2.0 m的高压岔管混凝土(分缝长度10 m)，长度方向内部最高温度达到55.20 ℃，较有冷却水管措施下高了3.91 ℃，长度方向和厚度方向最大应力分别为2.56 MPa和2.83 MPa，最小安全系数分别为1.34和1.21。衬砌厚度由2.0 m过渡到2.25 m的高压岔管混凝土(分缝长度6 m)，长度方向内部最高温度达到57.81 ℃，较有冷却水管措施下高了5.76 ℃，长度方向和厚度方向最大应力分别为2.19 MPa和3.33 MPa，最小安全系数分别为1.63和1.10。

综上，无冷却水管时，浇筑温度24 ℃，最小安全系数为1.19～1.31；浇筑温度26 ℃，最小安全系数1.10～1.21。有冷却水管时，浇筑温度24 ℃，最小安全系数为1.75；浇筑温度26 ℃，最小安全系数1.5以上。

4 结 论

(1)高压岔管承受高压水和高速水流冲刷，常采用泵送混凝土，利用其强度高的优点，但其温升高、弹性模量大，且一般是早强混凝土，容易产生温度裂缝。研究结果表明，高压岔管分缝长度对防裂影响显著，同时降低入仓温度，采用内部通水降温，可起到更好的温控防裂效果。

(2)高压岔管分缝长度较大的部位(10 m)顺河向应力较大，分缝较小的部位(6 m)横河向应力大于顺河向应力，主要原因是高压岔管分缝较小部位衬砌厚度较大，较大应力分布在顶拱和底拱处；同时，分缝较小部位顺河向应力小于分缝较大部位顺河向应力，也表明缩短分缝长度对改善应力状态效果明显。

(3)高压岔管混凝土有通水冷却措施条件下，浇筑温度控制在26 ℃以内，最小安全系数可达1.50以上，可作为工程现场浇筑施工方案。