巴基斯坦卡洛特水电站地面厂房温度应力三维仿真分析

岳朝俊 段寅 李想 崔金鹏

摘要：巴基斯坦卡洛特水电站地面厂房下部混凝土体积大、受到地基及边坡约束、结构受力复杂，极易产生温度应力导致混凝土开裂，影响结构的整体受力及结构安全。施工现场制定了包括控制浇筑温度、通水冷却、表面保温等温控措施。在拟定温控措施条件下，通过对地面厂房施工期温度和温度应力场的三维仿真数值模拟，得到了各部位内部最高温度、最大拉应力等结果，验证了拟定温控措施的效果，为实际施工中的混凝土温度控制提供了指导。

关键词：温控措施;三维仿真;地面厂房;卡洛特水电站;巴基斯坦

中图法分类号：TV731.1文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.012

1 工程背景

巴基斯坦卡洛特水电站为Ⅱ等大（2）型工程，枢纽工程主体建筑物由挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电建筑物等组成。其中，引水发电建筑物布置在吉拉姆河右岸河湾地块内，采用引水式地面厂房，共安装4台单机容量为180 MW的混流式水轮发电机组，总装机容量720 MW。地面厂房布置在卡洛特大桥上游约130 m处，总尺寸为160.90 m×27 m×60.5 m（长×宽×高），由机组段及其右侧安装场段组成，其中机组段长111.40 m，安装场段长49.5 m。厂房单机宽度27 m，顺流向长度56.5 m，采用错缝分块浇筑，具体布置见图1。

地面厂房孔、洞多，体形结构复杂，不但有大体积混凝土结构，还有大量的板、梁、柱混凝土，结构受力复杂，受水泥水化热和气温等边界条件影响，大体积混凝土内部与外部以及混凝土和基础之间极易产生相对温差，导致混凝土产生拉应力[1]。由于混凝土是脆性材料，过大的拉应力可能会导致混凝土开裂，影响结构的整体受力，甚至危及结构安全。因此，经过研究提出了控制浇筑温度、通水冷却、表面保温等温控保障措施。本文采用ANSYS有限元数值分析软件按照现场施工浇筑进度计划进行施工期温度和温度应力场的三维仿真计算[2]，分析研究地面厂房在拟定温控措施下各部位温度和温度应力分布情况[3]，得到各部位温控防裂安全系数，并在一定程度上指导现场温控措施的实施。

2 计算模型及边界条件

本次计算主要选取厂房典型机组段蜗壳及发电机层以下混凝土结构来建立有限元模型，重点分析厂房大体积混凝土温度及应力分布情况。在模型中，断面大小根据实际尺寸取值，并对地面厂房模型进行了适当的简化，绘制出的厂房有限元计算模型见图2，3[4]。模型计算网格总单元数为29 282、节点数为33 040， 其中厂房网格单元数为19 762、节点数为22 600[5]。

坐标假定X向为顺流向，Y向为铅直向，Z向为横河向（左岸指向右岸）。热学边界为上下游面、浇筑仓面为散热面，其他面为绝热面。约束边界为地基底部全约束，地基4个侧面为法向约束。

3 计算基本条件及参数

3.1 气 温

卡洛特水电站位于吉拉姆河流域干流下游，坝址以上汇入吉拉姆河的主要支流有尼勒姆（Neelum）河和昆哈（Kunhar）河，工程流域多年平均气温约20℃，计算气温选取流域内气象站点的气温统计平均数据，具体见表1。

3.2 材料計算参数

地面厂房混凝土设计强度等级主要为C25，计算中混凝土主要热力学参数取值见表2，主要力学参数取值见表3。

3.3 混凝土浇筑进度

地面厂房混凝土浇筑施工的主要程序为：底板混凝土浇筑→底板固灌→尾水管段混凝土浇筑→锥管段浇筑→蜗壳安装→蜗壳二期混凝土浇筑→发电机层楼板浇筑→机组安装→发电。

按照进度计划安排，1号机组段首先于2018年3月31日开始浇筑;2018年12月16日混凝土浇筑至高程378 m时，开始安装预留井内肘管，厂房一期混凝土继续上升至高程412 m，提供上下游墙桥机轨道安装部位;2019年1月15日混凝土浇筑至高程388 m，此后浇筑肘管二期混凝土;2019年3月31日混凝土浇筑至高程404.5 m，并开始浇筑椎管二期混凝土;2019年11月1日完成所有混凝土浇筑。

在1号机组段浇筑约2个月后（2018年5月20日），2号机组段大体积混凝土开始浇筑，3号和4号机组段大体积混凝土于同年7月22日和9月16日开始浇筑，上部施工程序与1号机组相同。

3.4 控制浇筑温度

地面厂房由4个机组段组成，每个机组段均采用错缝分块浇筑，根据国内外有关规范要求以及设计成果，对主厂房各部位进行了温控分区，具体见图4，各分区不同时间入仓方式及浇筑控制温度如下。

（1）基础强约束区部位。对12月至次年2月混凝土采取自然入仓方式浇筑（浇筑温度可取为月平均气温+2 ℃，且不超过16 ℃）;其他月份采用预冷混凝土，控制浇筑温度不超过20 ℃。

（2）基础弱约束区部位。对12月至次年2月混凝土采取自然入仓方式浇筑（浇筑温度可取为月平均气温+2 ℃，且不超过16 ℃）;次低温季节（3月、11月）控制浇筑温度不超过20 ℃;其他月份采用预冷混凝土，控制浇筑温度不超过22 ℃。

（3）脱离基础约束区。对12月至次年2月混凝土采取自然入仓方式浇筑（浇筑温度可取为月平均气温+2 ℃，且不超过16 ℃）;次低温季节（3月、11月）控制浇筑温度不超过20 ℃;高温季节控制浇筑温度不超过24 ℃。

3.5 通水冷却

通过在大体积混凝土内部埋设冷却水管进行通水冷却，以降低混凝土最高温度。冷却水管采用PVC水管，外径32 mm，内径28 mm;水管水平间距可取1.5 m，竖直间距根据层厚可取1.5～2.0 m。初期冷却从混凝土下料浇筑开始即可通水，基础强约束区部位在高温（5～9月）及次高温季节（4月、10月）通水水温宜采用10℃～12℃制冷水，其他部位可采用河水，单根水管通水流量按25 L/min计。低温季节通水控制在8～10 d以内，避免降温幅度过大，高温季节通水一般控制在15～20 d以内，其他季节通水冷却10～15 d。

3.6 表面保温

对于厂房基础约束区及其他重要结构部位混凝土浇筑完成后应设表面保护层，保温后表面放热系数取3～5 W/m2。特别对于低温季节长间歇部位应及时施加表面保温，保温后等效放热系数β≤3.0 W/m2·℃。

4 仿真计算结果分析

本次计算分别对2018年3月底开始浇筑的主厂房1号机组段及2018年7月底开始浇筑的3号机组段进行了仿真计算，然后对比应力控制标准及允许的抗裂安全系数，对计算结果进行分析。

4.1 温度应力控制标准

混凝土温度应力的控制按下式确定[7]：

[σεpEcKf]            （1）

式中， [σ]为各种温差所产生的温度应力之和，MPa;[εp]为混凝土极限拉伸值;Ec 为混凝土弹性模量，MPa;Kf 为抗裂安全系数。综合考虑结构、材料及配筋等多方面因素，厂房部位浇筑的C25混凝土抗裂安全系数取为1.5。

根据试验成果，计算得到各种混凝土应力控制标准见表4。

4.2 1号机组段仿真分析结果

1号机组段各部位混凝土最高温度、最大拉应力及抗裂安全系数分析结果见表5，最高温度包络图及最大拉应力包络图见图5和图6。由分析结果可知：

（1）最高温度为37.3 ℃，出现在锥管段，主要原因是该处浇筑层厚度为2.5 m，相比其他位置厚度（1～2 m）更大，表面散热能力更弱，因此相同情况下该部位最高温度值更大。锥管段最大拉应力为1.54 MPa，抗裂安全系数1.98，满足要求。

（2）对于底板部位，浇筑时间集中在4～6月，浇筑层厚为1.0～1.5 m，最高温度为35.3℃。底板最大拉应力为2.03 MPa，发生在底板上表面，相应抗裂安全系数1.53，大于1.5，基本满足要求。

（3）肘管段筑层厚约1.5～2.0 m，最高温度为35.6 ℃，最大拉应力为1.89 MPa，相应抗裂安全系数1.63。最大拉应力发生在高程375 m，该处正好是肘管段浇筑的最后一层混凝土，此后受封闭块回填及肘管段钢衬安装等影响，需要经历长间歇期，故而温度应力较大。在考虑了表面保温等作用的情况下，抗裂安全系数基本满足要求[8]。

4.3 3号机组仿真分析结果

3号机组段各部位混凝土最高温度、最大拉应力及抗裂安全系数分析结果见表6，最高温度包络图及最大拉应力包络图见图7和图8。由分析结果可知：

（1）最高温度为37.4℃，也发生在锥管段，主要是由于该处浇筑层厚度为2.5 m，相比其他位置厚度（1～2 m）更大，表面散热能力更弱，因此相同情况下该部位最高温度值更大。锥管段最大拉应力为1.51 MPa，抗裂安全系数2.03，满足要求。

（2）对于底板部位，浇筑时间为8～9月温度较高季节，由于浇筑层厚为1.0～1.5 m，最高温度为36.3℃。底板最大拉應力为2.09MPa，发生在底板上表面，相应抗裂安全系数1.49，略小于要求的安全系数，需要采取更严格的温控措施[9]。

（3）9肘管段筑层厚度约1.5～2.0 m，最高温度为34.5 ℃，最大拉应力为2.01 MPa，相应抗裂安全系数1.54。最大拉应力也发生在高程375 m，该处同样是肘管段浇筑的最后一层混凝土，此后受封闭块回填及肘管段钢衬安装等影响，需要经历长间歇期，故而温度应力较大。在考虑了表面保温等作用的情况下，抗裂安全系数基本满足要求。

4.4小 结

综合分析厂房1号机组段和3号机组段的应力分布结果可知：由于主厂房结构异形，各部位受到较强的约束，无论是底板、肘管段、还是锥管段，最大的温度应力虽然小于28 d龄期抗拉强度，但均大于允许的拉应力，同时抗裂安全系数仅能基本满足要求，因此在制定温控标准及措施时，整个区域都应该被视为“强约束区”，严格执行拟定的控制浇筑温度、通水冷却、表面保温等温控措施[10]。各部位应力大小除受最高温度、结构尺寸形状及约束形式等因素控制，还会受到施工期层间间歇期的影响，对于存在长间歇期的施工部位应加强混凝土表面保温养护工作。

5 结 语

通过采用ANSYS有限元数值分析软件对地面厂房在拟定温控措施下的温度和温度应力场进行三维仿真数值模拟，模拟分析结果表明：在采用推荐温控措施后，各部位最高温度及最大温度应力均能满足抗裂安全标准，拟定的温控措施是合理有效的。但是由于主厂房结构异形，各部位约束较强，没有明显的小应力区，温控防裂难度仍然较大，在高温季节浇筑混凝土应严格控制，并采取措施做好长间歇部位的表面保温。

参考文献：

[1] 朱伯芳，王同生，丁宝英，等.水工混凝土结构的温度应力与温度控制[M].北京：水利电力出版社，1976.

[2] 朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京：水利电力出版社，1998.

[3] 龚召熊，张锡祥，肖汉江，等.水工混凝土的温控与防裂[M].北京：中国水利水电出版社，1999.

[4] 段寅，向正林，常晓林，等.大体积混凝土冷却热流耦合算法与等效算法对比分析[J].武汉大学学报（工学版），2010，43（6）：703-707.

[5] 朱大雷.大体积混凝土温控防裂的有限元分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2006.

[6] 谢先坤.大体积混凝土结构三维温度场、应力场有限元仿真计算及裂缝成因机理分析[D].南京：河海大学，2001.

[7] 樊宇，许继刚.深溪沟水电站大体积混凝土施工温度控制[J].人民长江，2010，41（18）：51-53.

[8] 燕喬，张利雷，宋志诚，等.大体积混凝土在通水冷却措施下的温控研究[J].人民长江，2014，45（S2）：123-125.

[9] 陈浩，李锋，简秋霞.低弹模地基大体积混凝土施工期温度应力分析[J].人民长江，2011，42（16）：77-79.

[10] 王雁，李小磊，易丹.溪洛渡电站双曲拱坝混凝土温控防裂施工技术[J].人民长江，2014，45（S1）：123-124.

（编辑：李 慧）

3D simulation and analysis of thermal stress of ground powerhouse of Karot Hydropower Station in Pakistan

YUE Chaojun，DUAN Yin，LI Xiang，CUI Jinpeng

（ Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010， China）

Abstract： The lower concrete of ground powerhouse of Karot Hydropower Station in Pakistan is massive， and the load on the structure is complex due to foundation and slope constraints， and the thermal stress can be generated easily， which causes concrete cracks， so the comprehensive loading and safety of the powerhouse structure is affected. The systematic temperature control measures are established， such as concrete pouring temperature control and concrete cooling by cold-water. By 3D numerical simulation of temperature and thermal stress of the ground powerhouse during construction period under planned temperature controlling measures， the maximum temperature and tensile stresses of all parts are obtained， which can verify the effect of temperature control measures and guide the practical construction.

Key words： temperature control measure; 3D Simulation; ground powerhouse; Karot Hydropower Station;  Pakistan