不同材质水管温控防裂对比分析

郭利霞 强 晟

（河海大学水利水电工程学院,南京 210098）

在水工混凝土结构施工中,常埋设冷却水管以满足混凝土温控要求.国内一般采用铁管作为冷却水管因为铁管导热性能好,施工方法成熟,但铁管费用较高,接头常发生渗漏或堵管.因此,国外有许多工程都使用软管代替铁管.软水管主要特点为铺设方便快捷,接头方便,但导热性能不如黑铁管.软冷却水管在国外有较多的成功经验,在国内运用不多,仅在二滩工程大规模采用[1-2].软水管研究相对也很少,朱伯芳[3]对聚乙烯水管计算方法进行研究,黎汝潮[4]采用试验验证了其可行性,但还有必要对不同材质冷却水管从早期,后期及管壁应力等等各方面进行温降防裂对比研究.软管材质一般有塑料,橡胶和聚乙烯等,但是软水管的导热系数较低,为了改善这种弱导热性,使得钢丝网塑料复合管得到推广,图1就是现有常用的一种钢丝网塑料复合管.在仿真过程中,软水管的边界当作第三类边界处理.

图1 钢丝塑料复合管

1 水管冷却温度场计算原理

冷却水管属于强制对流换热,对流换热系数足够大,铁管管壁可近似视为第一类冷却边界；否则应视为第三类吸热边界,在理论上会更严密些.当为第一类冷却边界时,可表示为

式中,Tw（t）为管内冷却水温,沿程变化,且事先只知道其入口水温；Γ0为水管冷却边界,如图2所示.

图2 有水管冷却时的温度场边界条件示意图

水管沿程水温的增量计算采用[5]

式中,qw,cw和ρw分别为冷却水的流量、比热和密度；λ为导热系数；n为混凝土与水管之间混凝土面的外法线.

一般冷却水的入口温度已知,就可以利用上面的公式,对每一根冷却水管沿水流方向逐段推求沿程管内水体的温度.水管的沿程水温计算与温度梯度∂T/∂n有关,因此带冷却水管的混凝土温度场是一个边界非线性问题,温度场的解无法一步得出,必须采用迭代解法逐步逼近真解.

利用空间有限单元法和时间差分法,三维不稳定温度场的有限单元法求解理论详见文献[6-8].

2 水管降温防裂效果分析

杭州某大型混凝土泵站总长51.5m,宽52.3m,有4条流道.块型底板在垂直水流方向中间位置设伸缩缝一道,进口段顺水流方向长18.1m,高16.3 m,底板厚约1.5m.采用C30、C25商品混凝土,9月中旬施工,地基为砂土,相关参数见表1,钢模板支护,表面覆盖1.5cm大坝保温被.

表1 材料参数

为了对比研究,内部分别采用HDPE（high density polyethylene）管和钢丝网塑料复合管及铁管进行冷却降温,水管层距×管距约为0.85m×0.7m,冷却水温10℃,流速1.20m/s,流量5.43m3/h,混凝土进仓就开始通水,通水持续时间为6 d,且每隔1d水流换向.考虑工程的结构形式和底板的布置特点以及结构的对称性,取典型的第二流道对称结构计算,网格剖分时采用空间六面体和五面体等参单元,计算模型的单元和结点总数分别为39743和34963个,有限元计算模型如图3所示.

图3 有限元模型

经过仿真计算,针对冷却及其温控防裂效果这一问题,主要有以下几点结论:

（1）冷却降温效果及早期应力问题.从图4～5可以看出,无论是内部点,还是表面点,与钢丝塑料复合管,HDPE管冷却后对应的特征点相比,采用铁管冷却后的温度峰值最低,温降速度也最快,采用HDPE水管表面点通水6 d从34.8℃降到24.3℃,降幅才10.5℃,而采用钢丝网塑料复合管6d温度从33.4℃到20.5℃,降幅竟然达到12.9℃.采用铁管表面温度则从31.9℃降到16.9℃,降温达到15.0℃,这都是因为铁管的导热性能要明显好于钢丝塑料复合管和HDPE管.但温降速度过快的话,使得局部降温过快,会出现中间部位混凝土受到双重自生拉应力,甚至发展成深层裂缝.

图4 不同水管底板表面点温度应力

（2）管壁应力问题.采用水管冷却这一温控制方案时,由于冷却水温通常较低,以往的工程实践表明,若通水不当,管壁上有可能会出现“管壁裂缝”,甚至在通水后期有可能会因为温降过快沿着水管走向引起水平缝的出现,这是水管冷却这一温控方案较为不利的一个方面.

从图6可知,采用铁管冷却后,通水期间管壁上的应力明显大于采用HDPE水管和复合管时,尤其是铁管壁在水流换向时,存在明显的温度骤变过程,因此更易导致“管壁裂缝”的产生.从这个角度来看,采用铁管冷却时,优势与不足同时存在.相对而言,采用HDPE和复合管冷却比采用铁管冷却出现管壁裂缝的可能性更小些.

图6 水管管壁点的温度应力历时曲线

（3）后期应力问题.采用 HDPE水管冷却以后,早期温度峰值会有一定程度降低,基础温差减小,因此后期底板内部出现的拉应力也有一定程度的减小,但相比钢丝塑料复合管,后期应力还是很大的.如图7内部点采用HDPE水管冷却最大拉应力为 1.73 MPa,会有开裂的可能；而采用钢丝网塑料复合管最大拉应力则为1.60 MPa,不至于开裂,至于铁管则使得安全系数更大,可见铁管,钢丝塑料复合管冷却效果好于HDPE水管,降低底板产生裂缝的可能性.

图7 底板内部点长期应力

3 结 论

在相同的外在保温条件下,铁管的冷却降温效果最好,可以很好地抑制早期表面裂缝和后期内部裂缝的产生,但容易由于降温过快产生管壁混凝土裂缝；钢丝网塑料复合管冷却效果也很好,且不至于产生管壁冷缝与锈蚀开裂；HDPE管冷却效果最差.实际工程中,根据工程现场的实际情况经过精细的仿真计算分析来确定所需水管、合理的水管层距和间距及冷却过程.需要说明的是,整个施工过程结束后,要采用膨胀性水泥砂浆对软水管空腔进行灌浆回填,以增强结构的整体密实性和软水管的耐久性.

[1]陈秋华.二滩拱坝温度控制设计与实践[J].水电站设计,1998,14（3）:39-44.

[2]王成祥.高强聚乙烯管在二滩拱坝混凝土水管冷却中的应用[J].水电站设计,1995,11（4）:37-39.

[3]朱伯芳.聚乙烯冷却水管的等效间距[J].水力发电,2002（1）:20-22.

[4]黎汝潮.三峡工程塑料冷却水管现场试验与研究[J].中国三峡建设,2000（5）:20-24.

[5]朱岳明,徐之青,贺金仁等.混凝土水管冷却温度场的计算方法[J].长江科学院院报,2003,20（2）:19-22.

[6]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国电力出版社,1998.

[7]马跃峰,朱岳明,刘有志等.姜唐湖退水闸泵送混凝土温控防裂反馈研究[J].水力发电,2006,32（1）:33-35.

[8]强 晟,朱岳明,吴世勇等.锦屏一级高拱坝温度场和应力场仿真分析[J].水电能源科学,2007,25（2）:50-52.