师孟悦，杨骏猛，吴 迪

(陕西省东庄水利枢纽工程建设有限责任公司，陕西 西安 710011)

1 概述

东庄水利枢纽工程属大(Ⅰ)型工程，其开发任务为“以防洪、减淤为主，兼顾供水、发电及生态环境”[1]。由于泾河是多泥沙河流，加上水库运行方式与其他水库不同，水库水温的研究是东庄混凝土双曲拱坝温控设计的一项重要工作，准确认识库水水温分布及变化规律对东庄水利枢纽工程大坝结构的体型与优化设计、大坝混凝土的温控标准制定、大坝结构不同时期的温度应力及安全性评估等工作意义重大。

前期有许多专家学者、工程技术人员对东庄水利枢纽做了研究，张春生等[2]对东庄水利枢纽工程导流洞布置确定采用右岸单洞大洞径导流方案和计算导流洞泄流能力。张军[3]对水工隧洞衬砌混凝土温控仿真计算理论方法改进，提出了基于变系数广义开尔文模型的徐变度计算模型和计算松弛系数的率型迭加算法。肖宏武[4]对东庄水利枢纽工程混凝土双曲拱坝施工进行仿真研究，针对施工进度控制难题，提出了基于离散事件仿真理论的高拱坝施工进度仿真系统。李鹏峰[5]构建了东庄水库水动力数值模型和水环境数值模型，解析了各污染因子对库区污染物成分的贡献程度。谷振东[6]对黄金峡水利枢纽表孔坝段混凝土温控仿真分析，对施工过程进行温度场与温度应力仿真计算，揭示温度场与温度应力时空分布规律，提出适合表孔坝段结构、度汛特点的温控防裂措施建议。黄辉等[7]对DG水电站溢流坝段混凝土施工期温控仿真分析，对温控防裂措施的敏感性分析比较，提出了典型时段和特殊部位混凝土温控防裂措施建议。刘亚朋[8]等对大体积混凝土温度场仿真分析与温控监测，利用有限元软件建立了采取表面保温措施的筏板基础大体积混凝土温度场仿真分析模型，从而验证了表面采取保温措施的有效性。张润德等[9]对某船闸后浇带不同浇筑方案的混凝土温控仿真分析，验证了减小一次性浇筑混凝土的长度能有效降低温度拉应力，提高后浇带混凝土的抗裂安全性。

2 工程概况

东庄水利枢纽工程位于陕西省礼泉县和淳化县交界的泾河下游峡谷，施工期为满足导流需求在坝址右岸布置了1条导流洞，并在进口布置了塔架。塔架进口高程拟定为593.0m。位于桩号0～026.0m至0～000.0m之间，顺水流向长度为26.0m，横水流向最大宽度为28.5m。塔顶高程为653.0m，底板开挖高程为587.0m，总高度66.0m。进口闸门孔口为8m×19m(宽×高)，双进口布置，经渐变为17m×19m(宽×高)方孔与隧洞相接。塔架与后侧边坡、右侧边坡之间645.0m高程以下用混凝土回填，充分保证塔体与岩石紧密结合；645.0m高程以上用石渣回填至塔顶高程，为后期塔架下闸封堵设备吊装提供场地和空间。

3 数值模拟方法选择及模型建立

3.1 数值模拟方法选择

在流体力学计算中，常用的数值方法：有限元法(FEM)、有限差分法(FDM)、有限体积法(FVM)等3种方法。对比3个数值计算方法的优缺点，由于本工程较复杂，有限元方法相比另外2种方法，更适用于处理复杂区域，精度高，因此决定采用有限元数值计算方法。

3.2 有限元模型建立

在库区长度方向按照1/100比例尺建立的有限元模型。选取全尺寸库水流场、坝前库水流场和缩尺流场3种不同的有限元模型，计算库水流场、温度场的分布，对比计算结果。通过结果分析模型尺寸选取对库水流场温度分布是否产生的影响。

3.2.1库水全区域足尺有限元模型

根据设计资料进行全库区流场的二维数计算模型建立，如图1所示。

图1 东庄水库水全区域足尺有限元模型

3.2.2坝前库水有限元模型

根据设计资料进行坝前库水局部流场的二维数计算模型建立，如图2所示。

图2 东庄水库坝前库水有限元模型

3.2.3库水全区域缩尺有限元模型

根据设计资料进行缩尺流场的二维数计算模型建立，如图3所示。

图3 东庄水库库水全区域缩尺有限元模型

3.3 温控仿真计算模型

通过导流洞塔架混凝土结构、施工等特点分析，应用ANSYS有限元分析软件三维建模，基岩深度取1.5倍塔高，顺水流及垂直顺水流方向取结构最大长度的1.5倍，同时为方便建模及单元划分，考虑对结构进行适当简化，基岩和塔架结构采用八节点六面体等参单元，共划分147394个单元、169184个节点，三维有限元模型，如图4所示。

图4 导流洞进口塔架混凝土三维有限元模型

4 温控仿真计算

4.1 计算工况

为了确定合理的混凝土温控方案，同时结合现场实际施工条件，初步拟定以下3种工况进行温度仿真计算，见表1，通过分析比较这几种工况条件下混凝土内部温升的差别，确定合理的温控措施。

表1 计算工况

4.2 温控措施敏感性分析

4.2.1浇筑温度敏感性分析

工况1和工况2下典型高程中心位置最高温度包络线对比，如图5所示。

图5 典型高程中心位置最高温度包络线(工况1、2)

由图5可知：

(1)工况1下底板中心最高温度达46.2℃，左边墩、中墩及右边墩中心最高温度分别达47.2℃、47.6℃、46.8℃，胸墙及边墙中心最高温度分别为41.5℃、41.6℃，隔墙中心最高温度为40℃；而工况2下底板中心最高温度达38.8℃，左边墩、中墩及右边墩中心最高温度分别达40.0℃、40.5℃、39.7℃，胸墙及边墙中心最高温度分别为39.1℃、39.2℃，隔墙中心最高温度为37.7℃；

(2)工况1和工况2为浇筑温度控制工况。其中工况1为采用自然入仓，即按1.3.1节中多年月平均气温入仓，但浇筑温控不低于5℃；而工况2采用控制浇筑为16℃，即当混凝土浇筑月份的气温高于多年月平均气温时，浇筑温度为16℃，当浇筑月份的多年月平均气温低于16℃时，按多年月平均气温入仓，但浇筑温度不低于5℃。

(3)底板混凝土安排在2020年7月浇筑，其多年月平均气温为25.6℃，工况1浇筑温度由25.6℃降至工况2的16℃，混凝土内部最高温度平均降低6.5℃，即对于底板混凝土，浇筑温度每降低1℃，最高温度可降低约0.7℃。

(4)孔口墩墙混凝土(左边墩、右边墩及中墩)自2020年7月中旬开始浇筑至2020年9月初结束，工况1浇筑温度由7月份的25.6℃、8月份的24.4℃及9月份的19℃降至工况2的16℃，混凝土内部最高温度平均降低5.7℃，即对于墩墙混凝土，浇筑温度每降低1℃，最高温度可降低约0.7℃。

(5)612～653m高程混凝土(主要为胸墙、边墙及隔墙结构)自2020年9月初开始浇筑至2020年12月结束，工况1浇筑温度由9月份的19℃降至工况2的16℃(位于612～624m高程)，混凝土内部最高温度平均降低约2.1℃，即对于该部位混凝土，浇筑温度每降低1℃，最高温度可降低约0.7℃，而其他部位混凝土(624～653m高程)在10—12月份浇筑，多年月平均气温均低于16℃，故对于该部位的混凝土在工况1和工况2下内部最高温度均对应一致。

综上所述，混凝土浇筑温度每降低1℃，其内部最高温度平均可降低约0.7℃。浇筑温度对混凝土中心点的最高温度有很大影响。

4.2.2初期通水冷却敏感性分析

因塔架混凝土结构尺寸相对较薄，特别是624～653m部位，水管布置方式较受限制，本工程仅考虑在587～624m高程部位布置冷却水管(水平间距×垂直间距)，对通水温度、水管间距采用等比较分析其降温效果。

(1)通水水温敏感性分析

工况3和工况4下典型高程中心位置最高温度包络线对比，如图6所示。

由图6可知：

图6 典型高程中心位置最高温度包络线(工况3、4)

工况3下底板中心最高温度达33.6℃，左边墩、中墩及右边墩中心最高温度分别达35.0℃、34.9℃、34.9℃，胸墙及边墙中心最高温度分别为33.5℃和33.4℃，隔墙中心最高温度为33.4℃；而工况4下底板中心最高温度达33.3℃，左边墩、中墩及右边墩中心最高温度分别达34.7℃、34.6℃、34.6℃，胸墙及边墙中心最高温度分别为33.4℃和33.4℃，隔墙中心最高温度为33.4℃。

工况3和工况4为通水水温控制工况。因一期通水仅在587m～624m高程部位布置，故624m高程以上最高温度二者一致，而624m高程以下部位，通水冷却水温每降低3℃，最高温度平均下降约0.2℃。

综上所述，一期通水冷却，水温每降低1℃，其内部最高温度平均可降低约0.07℃。由此可见，通水水温降温效果不太显著。

(2)水管间距敏感性分析

工况3和工况5下典型高程中心位置最高温度包络线对比，如图7所示。

图7 典型高程中心位置最高温度包络线(工况3、5)

由图7可知：

工况3下底板中心最高温度达33.6℃，左边墩、中墩及右边墩中心最高温度分别达35.0℃、34.9℃、34.9℃，胸墙及边墙中心最高温度分别为33.5℃、33.4℃，隔墙中心最高温度为33.4℃；而工况5下底板中心最高温度达31.0℃，左边墩、中墩及右边墩中心最高温度分别达32.2℃、31.9℃、32.3℃，胸墙及边墙中心最高温度分别为32.9℃、32.9℃，隔墙中心最高温度为33.0℃；

工况3和工况5为水管间距控制工况。因一期通水仅在587～624m高程部位布置，故624m高程以上最高温度两者一致，而624m高程以下部位，水管水平间距均为1.0m，垂直间距由工况3的3.0m变为1.5m后，最高温度平均下降约2.2℃。

综上所述，一期通水冷却时，将水管垂直间距加密1倍后，其内部最高温度平均可降低约2.2℃。由此可见，水管间距对温度影响较显著。

5 结论

综合前述计算的温度及温度应力分析结果，推荐导流洞进口塔架混凝土基本温控措施如下：

(1)优化水泥配合比及品种，可以有效降低混凝土的绝热温升。

(2)对于7—9月浇筑的混凝土，对于624m高程以下部位控制浇筑温度不高于14℃，624m高程以上部位控制浇筑温度不高于16℃，10月至次年4月浇筑的混凝土，按自然入仓，但不低于5℃。

(3)位于587～624m高程部位混凝土采取一期通水冷却，水管间距按1.0m×1.5m，通水水温18℃，通水历时14d。

(4)加强混凝土养护，对于7—9月浇筑的混凝土，可采用洒水养护或流水养护；对10月—次年4月浇筑的混凝土建议采取薄膜养护。

(5)在10月—次年4月，对已浇筑的混凝土采取表面保护措施，应选择效果好且便于施工的保温材料，对于永久暴露面的混凝土，满足保温后其表面等效放热系数≤74kJ/(m2·d·℃)的要求。