大体积混凝土施工期冷却水管埋设方式对比与分析

常世华

（辽宁省绥中县大中型水库移民后期扶持工作办公室，辽宁绥中125200）

大体积混凝土施工期冷却水管埋设方式对比与分析

常世华

（辽宁省绥中县大中型水库移民后期扶持工作办公室，辽宁绥中125200）

结合猴山水库大体积混凝土冷却水管降温施工，通过有限元热流耦合算法，对比分析了不同冷却水管埋设方式下典型坝段的混凝土内部温度、应力情况。研究结果显示，相较于常用的单冷却水管循环方式，双循环布置在改善大体积混凝土内部温度场、应力场分布情况，能够有效控制混凝内部温度梯度，具有更好的混凝土冷却效果。

大体积混凝土；冷却水管；埋设形式；改进措施

0 引言

就现阶段而言，大体积混凝土温控防裂措施有很多种，而埋设冷却水管是应用最为普遍、效果最佳的降温措施之一。通过埋设冷却水管的方式，能够很好地控制大体积混凝土内部的最高温度，使它稳定在一个合理的范围之内，并能够避免内外温差过高而导致的温度裂缝。现阶段，对于冷却水管降温的研究多集中在冷却水温控制、流量控制、水管布置形式等方面，而对于埋设方式改进的研究则相对较少[1-2]。以猴山水库大坝大体积混凝土施工为例，提出冷却埋设方式的改进建议，探讨有益于提高水管冷却的稳控措施，以指导工程施工中更好地使用水管冷却降温方式。

1 工程概况

猴山水库位于辽宁绥中县范家乡境内，主要任务是以向东戴河新区供水为主、兼顾防洪、同时改善下游灌溉条件的大（二）型水库。该水库枢纽建筑物结构为混凝土重力坝输水建筑物为引水隧洞，拦河主坝长349 m、挡水副坝长80.0 m，最大坝高51.6 m，输水隧洞长6.183 km。为降低大体积混凝土内外温差，避免混凝土温度裂缝的出现，工程设计在高温季节进行混凝土浇筑施工时，在混凝土内部埋设冷却水管，采用导热性能良好的φ40 mm钢管，进行通低温水冷却，冷却水管埋设方式采用单循环布设，如图1所示。

2 双循环冷却水管埋设方式

根据冷却水管埋设位置的不同，大体积混凝土冷却水管选用的管材也有所不同，常见的冷却水管管材有钢管、高强度聚乙烯塑料管。冷却水管布设可根据实际情况进行调整，一般使用较多的布设方式为梅花形和矩形布置，但由于梅花形布设方式施工较为复杂，所以应用较少[3]。水管单循环蛇形布置方式如图2（a）所示，实际应用中由于都是固定水管的进出口，且不同坝段的冷却水管普遍采用一个引水管道，因此，变换进出口需要耗费大量的工时。为克服这一弊端和提升水管冷却效果，文章提出在仓面混凝土浇筑施工时，将冷却水管通过双循环进行通水冷却，如图2（b）所示。

图1铺设单循环冷却水管

图2不同冷水管埋设形式

3 不同冷水管埋设

3.1 计算条件

选择猴山水库12#坝段强约束区基础浇筑块作为分析目标，浇筑块长×宽×高为30 m×16 m×18 m。混凝土分层浇筑12层，单个浇筑层厚度为1.5 m。冷却水管布设间距为1.5 m× 1.5 m。仿真计算模型建立过程中，混凝土与基岩为6面体8节点单元离散，水管为4节点热流耦合单元离散，如图3所示[4-5]。为简化计算过程，将模型4个侧面设置为绝热边界，混凝土浇筑温度为15℃，浇筑间歇10 d。

图3仿真计算模型

3.2 温度场仿真计算结果

猴山水库大坝冷却水管降温采用二期通水冷却方式，时间间隔为90 d。一二期冷却水温度分别为12℃~14℃、13℃。计算得到水文历程变化情况如图4所示，随着水流在水管中的流动，水温逐渐升高。3 d时，出口处水温要比进水口水温高5℃~7℃。在15 d时，水管冷却效果有一定程度的下降，这主要是混凝土内部水化热作用下降造成的。内部产生热量减少，混凝土与水管的热对流交换作用减弱，水流带走的热量亦同步减少，进出口温差在3℃~4℃。3 d时，出口处水温单循环（17℃）<双循环（18℃）；15 d时，出口处水温单循环（15.3℃）<双循环（14.8℃），双循环冷却水管埋设方式具有更强的控温削峰能力。

图4水管水温沿程温度变化情况

冷却水管中的水流沿程温度会增加，同时混凝土内部的温度也会发生相应的变化，靠近进水口位置的混凝土温度较高，反之则偏低。在外界条件完全相同的情况下，单循环和双循环方式混凝土内部最高温度分别约为28.12℃和27.1℃。混凝土内部温度分布情况与冷却水管的埋设方式之间有很大的关联[6]，仿真计算中选取仓面层布设温度计，监测混凝土内部温度变化情况，温度计位置布设如图5所示。

图5仓面典型点及温度计埋设位置

图4所示两种不同冷却水管循环方式下混凝土内部温度历程曲线。分析得到，单循环方式混凝土内部温度变化与实测情况基本相同，大体积混凝土内部温度呈现明显的梯度分布，顺水流方向温度递增；越靠近进水口位置，混凝土温度越低，观测点温度关系为：a点（23.5℃）

图6典型点温度历程曲线

大，最大可达到3℃~4℃，后期随时间延长温度分布不均匀会有所缓解。而双循环能够明显增加冷却水管与混凝土之间的对流换热作用，层面处的温度最大值要小于单循环方式；同时，双循环方式下混凝土内部整体温度分布更为均匀，可有效避免混凝土内部温度应力的产生。

3.3 应力场仿真计算结果分析

图5所示为采用两种不同水管埋设方式的应力场仿真计算结果。分析可以得到，应力集中区域主要分布在顺河向中心的位置，且两种不同水管循环的最大应力值有明显的不同，采用单循环和双循环方式浇筑混凝土内部最大应力分别为1.6 MPa、1.38 MPa，双循环方式要比单循环浇筑最大应力值低约0.3 MPa~0.4 MPa。混凝土内部应力存在一个压应力逐渐向拉应力过渡的过程，浇筑初期（约5 d时间），混凝土内部应力以压应力为主。随着冷却效果的逐渐显现，混凝土内部压应力减小，并逐渐转变为拉应力[7-8]。最大应力约发生在第二期冷却水通水完毕时，应力b值要大于a、c两点，a点与c点应力值较为接近，约靠近大体积混凝土中心应力值也越高。

图7关键点应力变化曲线

采用双循环水管冷却方式时，由于其进水口和出水口位置相对较低，使得混凝土在第一期冷却的过程中，水管进出口区域的混凝土应力梯度可能较大。而由图5（b）得到，在第一期冷却水降温过程中，a点位置的拉应力值（0.85 MPa）要大于单循环a点拉应力值（0.68 MPa）。但从整个大体积混凝土降温过程去分析，在内部应力场分布方面，双循环具有更好的效果；同时，在二期冷却结束后，采用双循环方式的混凝土内部拉应力值要普遍低于单循环方式，应力分布也更均匀。

4 结语

结合工程猴山水库坝体大体积混凝土单循环冷却方式，提出采用双循环的水管埋设方式，并通过热流耦合算法对两种不同冷却水管埋设方式的温度、应力分布进行对比，结果显示：与单循环冷却水管埋设方式相比，双循环布置方式在降温、混凝土内部温度分布方面具有更好的效果，能够更为有效地控制大体积混凝土内部梯度，且降低拉应力峰值，从而有效避免温度裂缝的出现。但双循环冷却方式亦有一定的弊端，其可能加剧进水口混凝土温度梯度过大，需要在实际应用中对冷却水温加以严格控制。

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TV52

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1673-9000（2017）03-0119-02

2017-02-16

常世华（1974-），男，辽宁绥中人，工程师，主要从事水利工程建设与管理工作。