张悦 温新捷 殷庆 张春君 刘斌

摘要：为研究水电站阻抗式调压室施工期温度及温度应力特征，基于温度场和温度应力场计算的基本原理，在通用大型有限元计算软件ANSYS基础上编制了二次开发程序，结合阻抗式调压室结构特点，对白鹤滩水电站6#阻抗式尾水调压室的温度场及温度应力场进行了有限元仿真计算。根据仿真计算结果，提出了通过采取控制浇筑温度及通水冷却等温控防裂措施，分流墩最高温度控制标准为42℃，为白鹤滩水电站调压室施工过程中的温度控制及防裂设计提供依据。

关键词：混凝土；温度裂缝；施工仿真；阻抗式调压室

中图分类号：TV313

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.030

大体积混凝土结构因混凝土水化热可能会产生施工期的温度裂缝。在混凝土坝施工过程中会采用严格的温控措施，但其温度裂缝问题仍然尤为突出。而其他大体积混凝土结构如大型调压室、水闸、船闸等建筑物，施工期的温度应力往往被忽视，通常情况下混凝土浇筑过程中不采取温控措施。调压室等结构在运行期会受高速水流冲刷，一旦发生裂缝，混凝土会产生空蚀，裂缝在水流的作用下逐渐贯通，会影响结构的正常使用、缩短其使用寿命。因此，对于这些类型的大体积混凝土结构，施工期的温度仿真计算很有必要。

国内外对大体积混凝土温控防裂的研究已取得比较丰硕的成果，但学者们关注的焦点通常集中在大坝大体积混凝土结构。对于地下工程大体积混凝土结构，目前国内外的研究相对较少。特别是地下厂房的调压室，为优化其结构型式，研究通常集中在三维流场的仿真计算分析，目前国内外没有开展针对调压室的温控研究，相关规范也没有对调压室温度应力的计算作详细说明。Takayama等针对混凝土材料、施工方法以及气候等现场影响因素，试验分析混凝土早龄期温度及应变，提出了防止裂缝的方法措施。曾昭扬等 研究了混凝土拱坝中“诱导缝”的开裂可靠性、等效强度和设置位置问题，并在砂牌混凝土拱坝工程中得到应用。段亚辉等基于三峡永久船闸输水洞衬砌施工期温度与应力监测作了一系列研究，利用实测资料计算分析输水隧洞衬砌混凝土边墙和顶拱的温度应力，提出了大型隧洞衬砌混凝土施T期的温控有效措施。朱岳明等结合姜唐湖退水闸工程、曹娥江大闸等工程，研究建议在闸墩混凝土内部采用水管降温方式降低早期混凝土的内部温度峰值。

笔者在参考国内外相关研究的基础上，针对阻抗式调压室的结构特点，结合温度场和温度应力场计算的基本原理，在通用大型有限元计算软件ANSYS基础上编制二次开发程序，对阻抗式尾水调压室的温度场及应力场进行有限元计算。结合阻抗式调压室施T仿真计算的结果，分析调压室温度场以及温度应力场的特征，以期为调压室类似结构的大体积混凝土施T期抗裂安全评价及各项安全系数的确定提供参考。

1计算原理

1.1温度场计算原理

根据热量平衡原理，固体热传导基本方程为初始条件为

T=T0（x，y，z）

（2）

第一类边界条件：

T=Ts

（3）

第三类边界条件：式中：x、y、z为坐标：τ为时间；α为混凝土的导温系数，α= λ/cρ，λ为混凝土的导热系数，c为比热容，ρ为密度；θ为材料的绝热温升；hf为对流换热系数；Tf为物体周围的流体温度；Ts为物体表面的温度；T为混凝土的温度；n表示表面外法线方向。

1.2温度应力计算原理

混凝土在复杂应力状态下的应变增量主要由弹性应变增量、徐变应变增量、温度应变增量、白生体积变形应变增量以及干缩应变增量等构成引，即

2计算模型及条件

2.1有限元模型

基于温度及温度应力计算的基本原理，选取白鹤滩水电站6#阻抗式尾水调压室为研究对象，计算结构段为尾水调压室流道衬砌，包括底板以及边墙，衬砌厚度3.0m，围岩为Ⅲ类围岩。围岩范围径向取2倍开挖半径，岩体和衬砌统一采用空间八节点等参单元，整体模型共划分三维块体单元118499个，衬砌中央横断面处混凝土块体单元尺寸不超过0.6m。调压室有限元模型见图1。

阻抗式调压室结构部位主要包括流道衬砌底板和边墙、分流墩以及阻抗板，材料均为C9030泵送混凝土。施工中混凝土由底板白下而上浇筑，底板、边墙、分流墩、阻抗板均分两次浇筑。同一部位的两个浇筑層混凝土浇筑间隔期为7d；底板、边墙浇筑的间隔期为31d；分流墩的浇筑与流道衬砌的边墙同步，分流墩、阻抗板浇筑的间隔期为31d。各部位混凝土均在浇筑完成3d后拆除模板，随后洒水养护至下一混凝土浇筑层施工开始。笔者在ANSYS软件中使用生死单元的方法来模拟施工过程。

2.2初始条件及边界条件

地温分布通常较为稳定均匀，地表深10 m以上地温基本上就是年平均气温。尾水调压室深埋地下，因此围岩初始温度均取多年平均气温（ 25℃），温度场计算中在围岩边界处均取恒温条件。施工仿真过程中，围岩及调压室混凝土与空气接触的边界均取第三类边界条件。气温的年周期变化过程采用《水工建筑物荷载设计规范》（DL5077-1997）中的余弦函数来模拟：式中：Ta为t时刻的环境气温；A为多年平均气温；B为气温年变幅；C为最高气温距离1月1日的天数。

调压室混凝土浇筑温度取16℃。温度应力计算中，在围岩边界各个面施加法向约束。

3施工过程温度及温度应力仿真

这里主要研究在无温控措施施工的情况下，尾水调压室内部温度及温度应力的变化发展规律。由于分流墩尺寸比流道衬砌及阻抗板的大，因此选取调压室分流墩上代表点，分析其温度及温度应力特征。在分流墩中间断面选取5个代表点，见图2。

3.1温度场计算结果

无温控措施下，各代表点的温度历时曲线见图3。从浇筑时起，分流墩混凝土的温度场经历了水化热温升、温降并最终随环境气温周期变化三个阶段。由于混凝土水化速率会随时间减小，因此混凝土温度在到达峰值后，结构表面温度开始趋同于洞内气温，逐渐随气温作周期性（年）变化。由于热交换条件不同，因此分流墩围岩侧代表点（点②）和中间代表点（点①、点⑤）的温度变化一般滞后于洞内气温变化周期，表面与空气接触的代表点（点④）年周期温度变化约等于洞内气温变化。

3.2温度应力仿真结果

尾水调压室在施工期所受荷载主要为温度荷载、自重以及混凝土徐变产生的荷载。自重按施工浇筑过程分层施加，不考虑围岩白重和徐变。

在不采取温控措施的情况下，温度应力历时曲线见图4，各代表点最大拉应力及最小抗裂安全系数见表1。由表1可知，各代表点都不满足抗裂安全要求（《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）中，抗裂安全系数取值不小于1.5），因此必须采取温控措施。

由图4各代表点的应力历时曲线可以看出，调压室分流墩约束自由面上点的散热条件好、温升小、温降速度快，这些位置的温度应力往往较小；而散热条件不好的内部点，温升高、温降大，但温降时间长、温降速度慢。内部混凝土由于弹性模量增大，因此其后期温度应力往往比较大，这一特征意味着分流墩在温度应力的作用下，易从内部开裂，甚至造成贯通裂缝。这是阻抗式调压室混凝土与通常意义的水工大体积混凝土（易于从表面开裂）的不同之处，在实际施工中需要注意。

4温控措施及温控标准

4.1温控方案的选取

因无温控措施情况下抗裂安全系数不满足要求，故需采取温控措施。通过在编制的温控计算程序中改变相应计算参数，拟定了不同温控方案（见表2，其中方案1为无温控措施方案）进行计算，直至各代表点最小抗裂安全系数计算值满足要求。各项方案温度计算结果对比见表3，各代表点最小抗裂安全系数计算结果对比见表4。

4.2温控标准及温控措施

结合温度应力的计算结果，采用方案4的温控措施可满足温控防裂要求，因此推荐白鹤滩水电站6#阻抗式尾水调压室分流墩采用如下温控措施：浇筑温度为16℃；分两层浇筑，间隔时间为7d，第二层浇筑后3d拆模，拆模后洒水养护28d；布置水管进行通水冷却，水管水平间距为1m、垂直间距为0.75m，通水温度为13℃，通水时间建議为18d，通水流量45m^3/d。相应的温度控制标准：分流墩最高温度控制为42℃。

5 结 语

大型水电站阻抗式调压室结构（阻抗板、分流墩和流道等）通常衬砌规模大，一次浇筑的混凝土体积较大，且运行期承受的水压力较大，受力情况较为复杂，因此这类结构施工质量的要求往往较高。温度荷载为大体积混凝土施下期裂缝产生的主要因素之一。以白鹤滩水电站6#阻抗式尾水调压室为例，建立了阻抗式调压室的三维有限元模型，对调压室混凝土温度场及应力场进行了仿真计算。结合仿真计算结果以及《混凝土重力坝设计规范》（SL 319-2005）相关的温控标准，对调压室分流墩的施工给出推荐的温控方案，制定了相应的温控标准。该研究可为白鹤滩水电站调压室施工过程中的温度控制及防裂设计提供依据。