黄金峡水利枢纽泵站厂房温控措施研究

董航凯 晏安平 唐 寅

(1.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710024；2.中国水利水电第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310004)

黄金峡水利枢纽是陕西省引汉济渭工程主水源地[1]。黄金峡水利枢纽泵站厂房坝段大体积混凝土受内外温差、温度最大降幅等多种因素影响，极易产生应力集中，导致裂缝发生[2-3]。因此，需针对泵站厂房坝段大体积混凝土温度应力及其控制标准开展深入研究[4]，分析不同温控措施下，大体积混凝土在施工期和运行期的温度应力分布规律[5]。在大体积混凝土领域，低热混凝土[6]、热带地区混凝土[7]、碾压混凝土[8]等相关研究表明温控措施是重要的防裂手段[9]；冷却水管和表面保温是目前泵站厂房坝段大体积混凝土温控防裂最主要的技术方案[10-11]。本文基于ANSYS有限元软件建模[12-13]，结合大体积混凝土温度应力计算原理[14]，在黄金峡水利枢纽泵站厂房坝段针对无温控、仅保温以及保温+通水冷却三种措施开展仿真计算分析[15]，给出泵站厂房坝段大体积混凝土温度场和应力场变化规律[16]，分析混凝土抗裂能力变化，为实际工程提供参考[17]。

1 大体积混凝土温度场计算原理

1.1 温度场及应力场基本原理

温度场分析的基本方程为

(1)

式中：a为混凝土的导温系数，m2/h；T为表温度，表示温度场中某坐标处的温度，是关于时间τ以及空间变数(x，y，z)的函数；τ为时间，h；θ为水泥硬化过程中产生的混凝土的绝热温升，℃。

在计算复杂应力状态下的整体应变增量时，考虑四种不同的应变增量综合作用影响，见式(2)。在考虑应力随时间变化关系时，将时间划分成等间隔时段，假设在每一时段应力随时间线性变化，以此减少计算量，见图1。

图1 应力随时间增量图

由于应力是以时间为自变量的增函数，在时段Δτn内，总应变增量为各类应变增量之和，可通过下式计算：

(2)

1.2 水管冷却的等效算法温度场基本理论

冷却水管实际上可以看成热汇，当平均考虑全长为L的水管管段的冷却效果时，混凝土平均温度的计算公式如下：

(3)

式中：T0为冷却开始时混凝土初始温度；Tw为水管进口处的水温；Tm为沿水管全长L的管段混凝土平均温度；Φ(τ)为系数，其取值与混凝土冷却时间以及冷却水管参数有关。

由式(3)得到

Tm=Tw+Φ(τ)(T0-Tw)

(4)

式(3)和式(4)中的Φ(τ)可由下式计算：

Φ(τ)=e-pτs

(5)

其中

(6)

式中：a为混凝土导温系数；λ为混凝土导热系数；D为等效圆柱体外半径；cw为冷却水的比热；ρw为冷却水的密度；qw为冷却水的流量。

2 工程概况及模拟方案

2.1 工程概况

黄金峡水利枢纽为混凝土重力坝，河床式泵站，泵站厂房坝段采用大体积混凝土浇筑，高程413.5m以下结构采用C2825F150W8(三)一期混凝土；高程413.5m以上采用C2830F150W8(二)一期混凝土。电站、泵站坝段位于左岸，左侧接左岸非溢流坝段，右侧连接厂坝导墙，由1个安装场段和3个机组段组成。

选取黄金峡5号和6号泵站厂房坝段建模，见图2。模型单元总数232243个，节点总数151410个。模型计算采用残留比法，温度边界为地基表面，底部及侧面为绝热边界，从浇筑日期向前推算30年开始地基温度场计算，获取浇筑日地基温度。

图2 整体计算模型

2.2 模拟方案

5号和6号泵站厂房坝段尺寸下部小，上部大(厚3m)。黄金峡泵站电站进度计划见表1。机组施工进度见图3。按照施工进度，在黄金峡水利枢纽泵站厂房坝段针对无温控、保温以及保温+通水冷却三种措施开展仿真计算，分析坝体温度和应力变化规律。

图3 5号和6号泵站机组施工进度

表1 黄金峡泵站电站进度计划

保温材料参数按下式计算：

(7)

式中：va为风速，m/s，根据经验取年均风速1.2m/s。

根据文献[5]，基础约束区混凝土内埋设的冷却水管的间距一般为1.5m(水平)×1.5m(浇筑层厚)，基础强约束区水平间距加密至1.0m，对于2.0m以上层厚增加一层水平间距1.5m的冷却水管。

3 温度场和应力场分析

3.1 温度场分析

3.1.1 无措施下泵站厂房坝段仿真分析

图4为泵站厂房坝段混凝土浇筑完毕10天(729d)时的坝体温度分布图。坝体浇筑完成日期为2021年12月30日，处于低温季节，坝体混凝土表面温度为5.2℃左右。厂房坝段基础强约束区的混凝土温度为15.7～16.4℃；厂房坝段基础弱约束区的混凝土温度为12.4～18.5℃；厂房坝段脱离约束区的下游侧混凝土温度为21.4～33.7℃。厂房坝段混凝土的温度整体高于下游侧泵站总出水管附近混凝土的温度。原因是前者于高温季节浇筑，而后者混凝土浇筑时间是10—11月，且出水管道加大了混凝土的散热面。脱离约束区的上游侧混凝土温度为8.5～13.3℃，温度较上游侧更低，原因是上游侧闸门井和流道增加了混凝土的散热能力。

图4 泵站厂房坝段混凝土浇筑完毕10天(729d)时的坝体温度分布

泵站厂房坝段内部最高温度分布见图5。坝体内部峰值温度能够达到43.1℃左右，大部分区域混凝土最高温度为18.2～30.0℃，且主要分布在2020年6—8月浇筑的下游侧高程408～416m的坝体混凝土处。厂房坝段大体积混凝土散热能力较差是产生温度分布的主要原因。其他混凝土最高温度较高区域有：坝体上游侧高程396～399m的廊道下游侧(基础弱约束区上游侧)混凝土，最高温度达到38.7℃；坝体上游侧高程421～436m(脱离基础约束区上游侧)混凝土，最高温度达到37.1～41.1℃。

图5 泵站厂房坝段内部最高温度分布

3.1.2 保温和保温+通水冷却措施下泵站厂房坝段仿真分析

泵站厂房坝段混凝土在不同温控措施下内部最高温度分布见图6和图7。仅采取保温措施后，混凝土最高温度与无措施工况相比，增加了2.8℃左右；下游侧大体积混凝土表面最高温度，较无措施工况增加了2.2℃。采取保温+通水冷却措施后，混凝土的最高温度较仅采取保温措施工况减少了4.6℃；下游侧大体积混凝土表面最高温度，较仅采取保温措施工况减少了0.4～2.2℃。

图6 保温措施下坝体混凝土内部最高温度分布

图7 保温+通水冷却措施下坝体混凝土内部最高温度分布

可以看出，保温措施能够有效减小泵站厂房大体积混凝土内温度分布不均的情况，降低外界温度变化的影响，同时保温+通水冷却措施能够在此基础上有效地减小混凝土表面最高温度，进一步削减温度峰值，改善大体积混凝土温度分布不均现象。

3.2 应力场分析

在基础强约束区选取T2、T4为内部特征点。在基础弱约束区选取T6、T8为特征点。在脱离基础约束区内部选取T12、T14为特征点。考虑无温控、仅保温和保温+通水冷却的温控措施工况对泵站厂房坝段混凝土的影响，分析混凝土从开始浇筑到浇筑3年时段内的应力历程变化规律。

针对基础强约束区，特征点顺流向应力历程对比见图8。与无措施工况相比，在仅保温工况下，内部特征点T2和T4处最大顺流向应力减小0.1MPa，后期顺流向应力减小0.3MPa；在保温+通水冷却工况下，内部混凝土特征点T2和T4，最大顺流向应力减小1.0MPa，后期顺流向应力减小0.7MPa。基础强约束区特征点横流向应力历程对比见图9，内部混凝土特征点T2和T4处最大横流向应力减小 0.1～0.2MPa。在保温+通水冷却工况下，相对仅保温工况，内部混凝土特征点T2和T4，最大横流向应力减小0.9MPa。

图8 不同温控措施下厂房坝段基础强约束区特征点顺流向应力历程对比

图9 不同温控措施下厂房坝段基础强约束区特征点横流向应力历程对比

针对基础弱约束区，特征点顺流向应力历程对比见图10。相对无措施工况，在仅保温工况下，内部混凝土特征点T6最大顺流向应力减小0.1MPa；T8最大顺流向应力减小0.3MPa。在保温和通水冷却工况下，相对仅保温工况，内部混凝土特征点T6最大顺流向应力增加0.1MPa；T8最大顺流向应力减小0.4MPa。基础弱约束区特征点横流向应力历程对比见图11，在仅保温工况下，相对无措施工况，内部混凝土特征点T6最大横流向应力几乎无变化；电站流道附近T8最大横流向应力减小0.3～0.6MPa。在保温和通水冷却工况下，相对仅保温工况，内部混凝土特征点T6最大横流向应力下降0.2MPa；电站流道附近T8最大横流向应力减小0.5～0.6MPa。

图10 不同温控措施下厂房坝段基础弱约束区特征点顺流向应力历程对比

图11 不同温控措施下厂房坝段基础弱约束区特征点横流向应力历程对比

针对脱离基础约束区，特征点顺流向应力历程对比见图12。仅保温工况下，相对无措施工况，内部混凝土特征点T12顺流向应力减小0.1～0.5MPa。在保温和通水冷却工况下，相对仅保温工况，内部混凝土特征点T12，顺流向应力前期压应力减小0.4MPa，后期几乎无变化；特征点T14前期压应力减小0.5MPa，后期拉应力下降0.4MPa。脱离基础约束区特征点横流向应力历程对比见图13，在仅保温工况下，相对无措施工况，内部混凝土特征点T12横流向应力减小0.3～0.5MPa；表面特征点T14，横流向应力后期增加0.1MPa。在保温和通水冷却工况下，相对仅保温工况，内部混凝土特征点T12，横流向应力前期的压应力减小0.4MPa，后期应力下降0.1MPa；T14前期压应力减小0.4MPa，后期拉应力下降0.5MPa。

图12 不同温控措施下厂房坝段脱离基础约束区特征点顺流向应力历程对比

图13 不同温控措施下厂房坝段脱离基础约束区特征点横流向应力历程对比

4 结 论

a.对于厂房坝段大体积混凝土，温控措施能够有效减小大体积混凝土温升峰值。保温措施对表面及流道附近混凝土的抗裂能力提升幅度高于对内部混凝土抗裂能力的提升幅度。

b.外界约束对于温度应力同样具有影响，对于泵站厂房坝段强约束区、弱约束区与脱离约束区分别采取不同温控措施，有助于温控防裂措施精准有效。

c.保温+通水冷却的温控方法与单独保温的温控方法相比，能够显著缓解因温差产生的应力问题，有助于减轻泵站厂房大体积混凝土开裂现象，使泵站厂房坝段更具有安全性、适用性、耐久性。