大型竖井贯流式泵站大体积混凝土结构高温季节施工温控防裂措施研究

张兰兰，李 禹，胡 勇，张程鹏，强 晟

（1.绍兴市水利水电勘测设计院有限公司，浙江 绍兴 312000；2.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098；3.浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司，浙江 杭州 310000）

1 问题的提出

大体积混凝土结构施工中往往采用商品混凝土，难以控制其浇筑温度，特别是在高温季节浇筑，温控防裂难度很大[1-2]。据以往类似工程的建设经验和相关的研究成果，此类大体积混凝土结构在施工期和运行初期易出现裂缝[3]。同时，温控防裂模拟中的大体积混凝土结构的有限元模型单元数量庞大，在保证计算精度的前提下，往往采用等效冷却算法，以减少计算复杂度[4]。该算法的特点是有限元模型中并无实际水管单元，故模型温度场并无明显的空间梯度，内部温度场比较均一[5]。

本文研究的马山泵站布置于马山大河与曹娥江交汇口右岸。泵房段长55.60 m，宽105.50 m，共设置4台单机流量50 m3/s的竖井贯流泵，设计总规模200 m3/s。泵房段顺水流方向设置1道分缝，顺水流方向将泵房分2段（进水段和出水段），长度分别31.85，23.75 m；底板厚度大多为2.00 m；进水流道边墩厚为4.35 m，中墩厚为4.30 m，缝墩厚为2.85 m。出水流道单孔流道中间设隔墩，隔墩厚1.50 m。出水流道边墩厚4.60 m，中墩厚4.80 m，缝墩厚为3.10 m。马山泵站为大型竖井贯流式泵站，流道结构尺寸大且形式复杂。因此，有必要通过温控防裂专题研究，在流道结构现有分缝原则不变的情况下，提出可靠的温控防裂措施，尽量减少施工期及运行期结构的温度裂缝，为流道结构的施工过程提供技术指导[6-8]。

2 有限元模型与计算条件

进水流道段的有限元模型见图1，单元总数为96 599，节点总数为107 981。出水流道段的有限元模型见图2，单元总数为63 331，节点总数为107 981。图中未展示地基网格。

图1 进水流道段泵站有限元模型图

温度场仿真计算中，地基的四周和底面为绝热面，上表面为散热边界。当结构的永久缝表面未被覆盖时，其为散热边界，覆盖后为绝热边界。其他表面均为散热边界。应力场仿真计算中，地基的四周和底面施加法向约束，结构的永久缝表面、上表面及其他表面为自由边界[8]。

泵站主体采用C30混凝土，其绝热温升终值为50.8 ℃，导热系数为10.44 kJ/(m·h·℃)，比热为1.05 kJ/(kg·℃)，导温系数为0.004 4 m2/h。混凝土线胀系数为8.9×10-6/℃，泊松比为0.167，密度为2 318 kg/m3，自生体积变形终值为30个微应变，弹性模量终值为35 GPa。

主要计算工况：①进水流道和出水流道初始工况：底板混凝土于初春浇筑，流道层和上部墙体于夏季浇筑。其中流道层分2层浇筑，浇筑温度考虑为日均气温+8 ℃（自然入仓），商品混凝土不采取任何温控防裂措施。②进水流道和出水流道最优工况：在基础工况基础上，将底板削峰8 ℃；将流道的浇筑层由2层改为1层，流道层底1.45 m高度范围内削峰35 ℃、流道层中3.00 m高度范围内削峰30 ℃、流道层上3.00 m高度范围内削峰25 ℃；将上部墙体削峰25 ℃。相应进行温降速率和通水时长控制。流道下层、上层和上部墙体混凝土均掺入膨胀剂。另外，对底板、流道及上部墙体进行秋冬季保温。

图2 出水流道段泵站有限元模型图

3 数值模拟结果

3.1 初始工况的模拟结果

图3为出口流道段边墩中心剖面的温度包络图和应力包络图。图4为出口流道段下部水平剖面的温度包络图和应力包络图。图5为出水流道边墩内部点的温度和应力历时曲线图。

图4 出水流道下部水平剖面的温度包络图（℃）和应力包络图（MPa）

由图3可见，由于流道结构在夏季浇筑，商品混凝土的浇筑温度很高，在初温高、环境温度高的条件下，混凝土的水化反应非常充分，故水化放热量很大。无任何温控措施时，只有通过结构的表面进行散热，对于体积很厚的部分则内部难以散热，导致内部温度峰值很高。在无任何温控措施的情况下，出水流道内部的最高温度约为85 ℃，相应时刻的表面温度为35~60 ℃，内外温差较大。由图3~4可见，出水流道内部和表面大部分区域最大拉应力都超过了抗拉强度（3.25 MPa），其中内部拉应力最大达到7.34 MPa。由图5可见，流道边墩内部点最高温约75 ℃。内部点由于受到本层混凝土温降以及上层混凝土温升的影响，拉应力在早龄期有很大的上升，最大拉应力为6.00 MPa。

图3 出水流道边墩中心剖面的温度包络图（℃）和应力包络图（MPa）

图5 出水流道边墩内部点的温度和应力历时曲线图

3.2 最优工况的模拟结果

图6为出水流道边墩纵向中心剖面的温度包络图和应力包络图。图7为出水流道下部水平剖面的温度包络图和应力包络图。图8为出水流道边墩内部点的温度和应力历时曲线图。

图6 出水流道边墩纵向中心剖面的温度包络图（℃）和应力包络图（MPa）

图7 出水流道下部水平剖面的温度包络图（℃）和应力包络图（MPa）

图8 出水流道边墩内部点的温度和应力历时曲线图

在采用综合性的温控防裂措施后，流道内部的最高温度约为60 ℃，相应时刻的表面温度约为50 ℃，内外温差较小。由应力包络图可见，除门槽部位和少数应力集中的角点位置最大拉应力超过3.25 MPa，其余部位的拉应力都低于3.25 MPa。由特征点历时曲线图可见，流道边墩内部点最高温约53 ℃。内部点由于优化了温降速率，且流道改为1层浇筑，故流道下部受到上层墙体混凝土温升的影响大幅减小，因此，流道下部特征点拉应力最大值不再超过抗拉强度。

3.3 温控指标建议

根据数值模拟的最优工况，提出温控指标建议值见表1。

表1 温控指标表

4 结 论

（1）在夏季浇筑条件下，如果没有任何温控措施，则流道混凝土内部最高温度基本在65~85 ℃，内部最大拉应力达到6.00~7.50 MPa。进口段和出口段的最大拉应力都发生在墩墙内部，尤其是流道下层混凝土内部的拉应力较大，将发生贯穿性裂缝或深层裂缝。因此，有必要采取温度控制等防裂措施。

（2）在水管冷却的条件下控制温降速率和通水时间，混凝土内部不同部位的温度峰值下降10~30 ℃，最大拉应力下降1.00~2.40 MPa，但内部温度仍很高，达60~65 ℃，最大拉应力仍超过抗拉强度。可见，在夏季采用水管冷却措施控制泵送商品混凝土的温度和应力仍是不够的，有必要辅以其他温控和防裂措施。

（3）在温控措施的基础上，向混凝土内掺入一定比例的膨胀剂，可以进一步将混凝土的最大拉应力控制在抗拉强度范围内。但对于某些应力易集中的部位，比如结构转角或门槽部位仍易开裂，建议这些部位加强钢纤维或钢筋布置，限制裂缝扩展的程度。