卡洛特水电站引水系统流道混凝土温控防裂研究

袁葳　李娇娜　岳朝俊

摘要：大型水电站引水系统流道结构形状复杂，施工程序繁多，施工期流道混凝土开裂问题尤为突出。基于卡洛特水电站引水系统流道结构，采用有限单元法开展了混凝土施工期温度和温度应力仿真分析，主要对外界气温、流道厚度尺寸、分缝长度、浇筑温度等进行了对比计算，分析了进水口流道混凝土的易裂部位及裂缝产生的主要影响因素。在此基础上提出了流道混凝土温控防裂措施。

关键词：流道混凝土; 温度应力; 温控防裂措施; 有限元法; 卡洛特水电站

中图法分类号： TV315

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.026

0引 言

巴基斯坦吉拉姆河目前规划有5个梯级水电站，卡洛特水电站是其中第4个梯级。该工程以发电为主要任务，布置于吉拉姆河右岸河湾的引水发电建筑物由进水口、4条引水隧洞、地面厂房、尾水渠以及升压站等主要建筑物组成。其中，4条单机单洞引水隧洞长度约为303～330 m，洞轴线相互平行，间距27 m，平面上采用直线-弧线-直线布置，立面上依次由上斜段、上弯段、斜直段、下弯段和下平段组成。隧洞洞径下平段前为9.6 m，下平段渐变至7.9 m，与机组蜗壳相接[1-2]。

对于引水隧洞流道混凝土，由于混凝土结构异形，约束强烈，最高温度若得不到有效控制，极易产生裂缝。裂缝一旦发生，极易造成构件内部钢筋锈蚀，进而降低结构耐久性，缩短结构正常使用的寿命。特别是对于各类流道混凝土，在水流不断冲蚀影响下，会加速结构老化破坏，危害结构的稳定与安全。

目前，有关隧洞混凝土裂缝成因及防裂措施研究已有不少成果[3-8]，如刘强等[3]采用DTSSA软件对溪洛渡水电站泄洪洞衬砌进行仿真分析，提出了预冷温控、冷却水管等温控措施指导现场施工;司政等[4]提出了采用低热混凝土、表面保温及降低浇筑温度等措施可有效减少泄洪洞衬砌裂缝的出现;段寅等[5]归纳了衬砌温度裂缝产生的主要原因，提出了降低混凝土最高温度、结构约束等结构抗裂措施;赵路等[7]分析了夏季施工时泄洪洞衬砌混凝土裂缝萌生、扩展过程。

本文结合卡洛特水电站地下工程流道混凝土结构特点，采用ANSYS有限元软件进行系统地计算和对比分析[9-15]，分析总结影响流道衬砌混凝土施工期温度应力大小和影响温度裂缝产生的主要因素，并研究制定合适的温控防裂措施，有效提高地下工程抗裂安全性，提升地下工程设计的整体水平。

3流道衬砌温度应力主要影响因素

3.1衬砌厚度敏感性分析

为考虑不同衬砌厚度对流道衬砌结构的影响，分别对0.6，0.8，1.0，1.2 m 4种衬砌厚度进行敏感性分析。计算中，分缝长度取12 m，洞室温度环境均取为25.0 ℃，地基温度取为25.0 ℃，基础围岩弹模取为30 GPa，混凝土浇筑温度取为22.0 ℃，无通水冷却。

图3～4给出衬砌厚度分别为0.8，1.0 m两种情况下，混凝土的最高温度和最大拉应力分布云图。图5～6为衬砌厚度分别为0.6，0.8，1.0，1.2 m 4种情况下的混凝土温度及温度应力历时曲线对比。表5为不同厚度衬砌混凝土温度及温度应力对比，其中，Tmax表示混凝土最高温度峰值，σmax表示混凝土施工全过程最大拉应力，K为混凝土抗裂安全系数，按K=εE/σ计算求得，分析表明：

（1） 圆形衬砌浇筑过程中，混凝土的最高温度Tmax及最大拉应力σmax均发生在衬砌内部，拉应力在温度降至最低时达到最大。

（2） 圆形衬砌厚度增大，混凝土最高温度和最大拉应力呈现出明显增大趋势。其中，衬砌厚度在0.6～1.2 m时，厚度每增大0.1 m，最高温度相应增大0.6～1.4 ℃。而最高温度每增大1.0 ℃，最大拉应力相应增大约0.11 MPa，应力增幅相对较大。

（3） 衬砌厚度在0.6～0.8 m时，抗裂安全系数能达到1.85～2.33;当衬砌厚度增大至1.0～1.2 m时，抗裂安全系数降低至1.65～1.54甚至更低，抗裂安全系数越低，开裂风险越大。此时为确保厚层衬砌结构的抗裂安全，需要采取措施降低衬砌混凝土内部最高温度。

3.2分缝长度敏感性分析

为考虑不同分缝长度对流道衬砌结构的影响，分别对6，9，12，15 m 4种分缝长度进行敏感性分析。计算中，衬砌厚度取0.8 m;除分缝长度外其他温控计算参数同3.1节。表6给出混凝土分缝长度分别为6～15 m不同工况条件下温控主要计算成果对比，分析表明：

（1） 改变分缝长度，对最高温度Tmax影响较小，主要影响混凝土拉应力σmax大小。相同温度条件下，浇筑块分缝长度增大，将导致结构约束系数增大，从而产生更大的温度应力。当L达到15 m及以上，内部最大拉应力将增大至1.90 MPa以上，抗裂安全系数降低至1.6以下。

（2） 施工时，建议将分缝长度控制在9～12 m内，特殊部位应进一步降低分缝长度，减小结构约束，提高混凝土抗裂安全。

3.3浇筑温度敏感性分析

降低混凝土浇筑温度是有效降低混凝土最高温度的常用手段。为考虑不同浇筑温度对流道衬砌结构抗裂安全的影响，分别对浇筑温度为18，20，22，24，26 ℃ 5种工况进行了敏感性分析。计算中，衬砌厚度取0.8 m;除浇筑温度外其他温控计算参数同3.1节。表7给出了混凝土浇筑温度为18～26 ℃时的温控主要计算成果对比，分析表明：

（1） 浇筑温度對流道衬砌混凝土内部最高温度Tmax及温度应力σmax影响均较大。浇筑温度每升高1 ℃，内部混凝土最高温度峰值约增加0.45 ℃，最大拉应力相应增加约0.10 MPa。

（2） 降低混凝土浇筑温度，可有效降低衬砌混凝土内部最高温度和最大拉应力，进而提高混凝土抗裂安全系数。施工时，对于易裂部位，应采取骨料预冷、加冰拌和等措施适当降低浇筑温度，必要时进行通水冷卻，以保证流道衬砌结构部位整个施工全过程的抗裂安全。

3.4洞室气温敏感性分析

洞室环境温度是影响流道衬砌结构的主要因素之一。为研究不同洞室气温对流道衬砌结构抗裂安全的影响，分别对20～35 ℃范围内不同洞室气温进行敏感性分析。计算中，衬砌厚度取0.8 m;除洞室气温外其他温控计算参数同3.1节。表8给出洞室气温为20～35 ℃不同工况下的温控主要计算成果对比，分析表明：

（1） 由于衬砌结构较薄，洞室气温对衬砌混凝土内部最高温度Tmax及温度应力σmax影响均较大。洞室气温每增加1 ℃，内部混凝土最高温度峰值增加约0.6 ℃，最大拉应力相应增加约0.07 MPa。

（2） 降低洞室气温，可有效降低衬砌混凝土最高温度和最大拉应力，进而提高混凝土抗裂安全系数。施工过程中应加强通风，降低洞室环境温度，提高流道衬砌施工期抗裂安全。

4结 论

引水系统流道混凝土结构异形，约束强烈，在高温季节浇筑时应力大、易产生裂缝。本文采用三维有限元方法对卡洛特水电站引水系统流道衬砌混凝土进行施工期温度和应力仿真分析，研究表明：

（1） 采取措施降低混凝土最高温度、降低流道衬砌结构约束是减小温度应力、提高结构抗裂安全最有效的手段。

（2） 施工过程中可通过采取骨料预冷、加冰拌和及遮阳保温等措施降低混凝土浇筑温度;通过加强洞内通风、增加洞内喷雾或洒水等措施降低洞内环境温度。

（3） 设计阶段可通过增设冷却水管、控制分缝分块长度，降低混凝土最高温度、温度应力，提高抗裂安全能力。

参考文献：

[1]杨继承，罗平，蒋远波.卡洛特水电站厂房混凝土快速施工技术研究[J].人民长江，2020，51（增2）：214-216.

[2]段寅，杨学红，岳朝俊.卡洛特水电站闸墩混凝土绝热温升反演及温控优化[J].人民长江，2019，50（12）：148-151.

[3]刘强，杨敬，廖桂英.溪洛渡水电站大型泄洪洞高强度衬砌混凝土温控设计[J].水电站设计，2011，27（3）：67-70.

[4]司政，李守义，陈尧隆，等.泄洪洞混凝土衬砌温变效应及温控防裂措施研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2011，39（3）：211-218.

[5]段寅，胡中平，罗立哲.大型地下洞室衬砌混凝土温控防裂研究[J].水利与建筑工程学报，2015，13（4）：107-110.

[6]樊启祥，黎汝潮.衬砌混凝土温控试验研究与裂缝原因分析[J].中国三峡建设，2001（5）：11-13.

[7]赵路，冯艳，段亚辉，等.三板溪泄洪洞衬砌混凝土裂缝发生与发展过程[J].水力发电，2011，37（9）：35-38.

[8]亢景付，赵蒙蒙，蒋元成，等.约束程度与温度应力之间的关系研究[J].水利与建筑工程学报，2014，12（6）：21-25.

[9]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国水利水电出版社，2012.

[10]刘宁，刘光廷.大体积混凝土结构温度场的随机有限元算法[J].清华大学学报（自然科学版），1996，36（1）：41-47.

[11]郭晓娜.水工隧洞衬砌混凝土施工期温控防裂研究[D].武汉：武汉大学，2004.

[12]李俊，陈鹏.浇筑层厚度对约束区大体积混凝土温度应力影响研究[J].水利与建筑工程学报，2014，12（2）：199-202.

[13]朱伯芳.考虑外界温度影响的水管冷却等效热传导方程[J].水利学报，2003（3）：49-54.

[14]刘杏红，周伟，常晓林，等.改进的非线性徐变模型及其在混凝土坝施工期温度应力仿真分析中的应用[J].岩土力学，2009，30（2）：440-446.

[15]方朝阳，段亚辉.利用嵌固板理论计算隧洞衬砌施工期温度应力[J].中国农村水利水电，2003（11）：59-61.

（编辑：黄文晋）