水电站厂房蜗壳外包混凝土温控防裂研究

丁兵勇，郑再新，杜润宁，张智沛，强 晟

(1.华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州310014；2.河海大学水利水电学院，江苏南京210098)

0 引言

水电站厂房施工中，蜗壳二期混凝土由于浇筑块尺寸大、结构体型复杂，受一期老混凝土约束强等原因，混凝土开裂的现象时有发生。如施工期不有效控制裂缝的产生，运行期在动水荷载及水轮机、发电机的高频振动荷载作用下，微小裂缝很容易扩展成为危害性裂缝，影响机组的稳定运行及结构安全。本文采用非稳定温度场及应力场的有限元计算方法[1-3]，对某水电站厂房蜗壳外包混凝土结构的施工全过程进行数值模拟。

1 计算模型和边界条件

某水电站蜗壳外包混凝土结构，上下游方向长23.6 m，厂左右方向长25 m，蜗壳层高11 m，水轮机层高5.1 m。根据施工进度计划安排，将蜗壳及机墩混凝土沿高度方向共分为6个浇筑层，层间间歇期为7 d[4]。计算模型见图1。

图1 有限元计算模型

温度场计算中，混凝土底面为绝热边界，上表面为散热边界，左右横缝面在龄期3个月内为散热边界，此后被相邻浇筑块覆盖，调整为绝热边界，上下游面与空气相邻为散热边界。应力场计算中，底面施加法向约束，其他面均为自由边界。

2 计算参数

工程区多年月均气温统计见表1。

表1 多年月平均气温统计表

气温Ta(t)计算式：

(1)

式中：t为月份。

混凝土采用C9030，主要热力学参数见表2。

表2 混凝土热力学计算参数

绝热温升θ(τ)计算式：

θ(τ)=39.15×(1-e-0.3τ0.8)

(2)

弹模E(τ)计算式：

E(τ)=38×(1-e-0.128τ0.8)

(3)

式中：τ为龄期，d。

3 计算工况及结果分析

工况1：4月22日入仓，混凝土浇筑温度设定为月均气温+3℃。

工况2：在工况1的基础上，控制浇筑温度不超过12℃。混凝土龄期2个月内表面覆盖保温措施，表面散热系数为100 kJ/(m2·d·℃)。混凝土内部埋设冷却水管，水平间距为1.0 m，竖直间距同浇筑层高，通水时长15d，冷却水温约9℃，流量48 m3/d。

工况3：在工况1基础上，控制浇筑温度不超过12℃。混凝土龄期2个月内表面覆盖保温措施，表面散热系数为100 kJ/(m2·d·℃)。蜗壳浇筑层在平面上分4块，分两次浇筑，对角线浇筑块同时入仓[5]。

工况1、工况2和工况3中蜗壳第二浇筑层层高中间的剖面温度包络图和应力包络图，见图2～图7。图中的应力均为第一主应力。

图2 工况1蜗壳第二层中间剖面温度包络图(℃)

图3 工况1蜗壳第二层中间剖面应力包络图(MPa)

图4 工况2蜗壳第二层中间剖面温度包络图(℃)

图5 工况2蜗壳第二层中间剖面应力包络图(MPa)

图6 工况3蜗壳第二层中间剖面温度包络图(℃)

图7 工况3蜗壳第二层中间剖面应力包络图(MPa)

从图2中可见，工况1中蜗壳第二浇筑层中混凝土厚度最大处的最高温度达到36℃。从图3中可见，工况1中混凝土内部大部分区域的拉应力均超过3.2 MPa，已超过混凝土的抗拉强度3.2 MPa。

从图4中可见，工况2中因控制浇筑温度和混凝土内部通水冷却，蜗壳第二层中混凝土内部最高温度仅约32℃，比工况1中降低了4℃。从图5中可见，工况2中混凝土拉应力超过3.2 MPa的区域相比工况1中大大减小。分析其原因：工况2相比工况1，混凝土内部最高温度相对较小，后期温降收缩变形相对较小，受老混凝土约束和内外变形约束作用而产生的混凝土内部拉应力也就相对较小。

从图6中可见，工况3中因控制浇筑温度和减小浇筑块面积，蜗壳第二层中混凝土内部最高温度约34℃，比工况1中降低了2℃。从图7中可见，工况3中浇筑层内混凝土最大拉应力基本都小于3.2 MPa。分析其原因主要为：工况3相比工况1，浇筑块尺寸减小一半，后期温降收缩变形受老混凝土的约束作用大大减小，混凝土内部产生的拉应力也大大减小，均不超过混凝土的抗拉强度3.2 MPa。

4 结论

(1)水电站的蜗壳结构复杂且浇筑块尺寸较大，施工期因温度应力超标易出现裂缝。在施工前对其进行温控仿真计算，并据此制定合理可行的温控防裂措施，十分必要。

(2)对水电站蜗壳结构，采取降低浇筑温度和内部水管冷却相结合的温控措施，能显著减小早期混凝土的温升幅度和后期混凝土的内部拉应力，对混凝土的温控防裂较为有效。

(3)对水电站蜗壳结构，采用合理的分层分块措施减小浇筑块尺寸，能显著减小老混凝土或基础的约束作用，从而减小混凝土的内部拉应力，对混凝土的温控防裂十分有效。