大型竖井贯流式泵站混凝土施工期温降速率与拉应力增速的关系

张兰兰，陆生华，李 禹，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·南京路桥工程有限公司，江苏 南京 210098；3·河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098）

1 问题的提出

近年来，泵站大体积混凝土结构施工中往往采用商品混凝土，泵送方式，胶凝材料含量较大，导致水化热温升较高，自身体积变形较大，同时，其浇筑温度随气温波动很大，难以控制浇筑温度。因此，采用商品混凝土浇筑的泵站，温控防裂难度很大[1-2]，夏季尤甚。据以往类似工程的建设经验和相关的研究成果，泵站类大体积混凝土结构在施工期和初运行期很容易出现裂缝[3]。因此，有必要通过温控防裂研究，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，为结构的施工过程提供技术指导[4-5]。

在混凝土大坝浇筑中，常用冷却水管控制混凝土的最高温度和温降速率，大坝混凝土浇筑块的形状和尺寸相对比较接近，且浇筑温度能够得到较好的控制，故在同一期冷却过程中的各浇筑块温降速率指标差异不大。但文中研究的大型竖井贯流式泵站结构比较复杂，各浇筑块的结构形状和尺寸差异很大，如果参考大坝的有关温控指标，采用相同的温降速率进行控制，容易导致部分区域拉应力增速太快，可能超过抗拉强度而致裂。因此，有必要研究确定不同结构部位温降速率的合理指标，采用不同的温降速率指标来控制不同部位的拉应力增速。为了达到这个控制目标，需先探究不同部位温降速率与拉应力增速的关系，再从中确定各部位的合理温降速率指标。

一般来说，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，采用等效冷却算法，以便减少计算复杂度和计算量。该算法的特点是有限元模型中并无实际水管单元，同一个有限单元内部的温度场比较均一[6-7]，以马山泵站工程为例加以说明。

2 工程简介

马山闸强排及配套河道工程作为绍虞平原重要的排涝工程，主要位于绍兴市越城区。主要由马山泵站工程、马山大河治理工程、湖泊调蓄工程、水系连通工程及桥梁工程等组成。马山泵站布置于马山大河与曹娥江交汇口右岸，与现状马山闸并排布置。马山泵站主要由内河侧连接段、泵房、外江侧连接段等建筑物组成。

马山泵站的泵房段长55.60 m，宽105.50 m，共设置有4台单机流量50 m3/s的竖井贯流泵。泵房段顺水流方向设置1道分缝，顺水流方向将泵房分为2段（进水段和出水段），长度分别31.85 m，23.75 m；泵房段垂直水流方向共分为2联，每联分别布置2台机组，垂直水流方向的每一联长度均为31.50 m。底板厚度大多为2.00 m；泵站水泵机组中心距14.30 m、15.72 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，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。泵房段块基垂直水流方向总长度为63.02 m。

3 有限元模型与计算参数

对泵站出水流道段结构进行建模，出水流道段的有限元模型见图1，单元总数为63 331，节点总数为107 981。进水流道段的有限元模型见图2，单元总数为96 599，节点总数为107 981。图中地基单元未显示。

图1 出水流道有限元模型图

图2 进水流道有限元模型图

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。结构缝面当未被覆盖时为散热边界，被相邻混凝土覆盖后为绝热边界。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，上表面为自由边界。结构永久缝面及其他表面均为自由边界[8]。计算参数见表1。

表1 计算参数表

4 计算工况及特征点位置

流道段底板混凝土于2021年1月份浇筑，并按照设计方案进行通水冷却和表面保温；流道层混凝土分一层于2021年6月份浇筑；3.45 m高程以上混凝土于2021年7月份浇筑。对流道及上层混凝土模拟通水冷却，达到将水化热温升降低20 ℃的效果；墩墙侧面采用木模板，5 d后拆模。在不同的计算工况中，混凝土的温降速率分别为1.0 ℃/d ，2.0 ℃ /d，3.0 ℃/d等，通水时长分别为15 d，10 d，8 d。

图3为流道段特征剖面位置示意图；表2为特征点位置坐标表。

表2 特征点位置坐标表

图3 流道段特征剖面位置示意图 单位：m

5 仿真计算结果

图4为分流隔墙早龄期混凝土温度历时曲线图，图5为分流隔墙早龄期混凝土应力历时曲线图。从图4~5可知：流道层分流隔墙底部混凝土受温降速率影响较为明显。温降速率越快，拉应力增速越快，两者呈正相关关系。

图4 分流隔墙早龄期混凝土温度历时曲线图

图5 分流隔墙早龄期混凝土应力历时曲线图

图6为流道中墩早龄期混凝土温度历时曲线图，图7为流道中墩早龄期混凝土应力历时曲线图。从图6~7可知：流道层中墩底部混凝土受温降速率影响更为明显。温降速率越快，拉应力增速越快，两者呈正相关关系。这与中墩的绝对厚度较大、同等条件下温度峰值更高有关。

图6 流道中墩早龄期混凝土温度历时曲线图

图7 流道中墩早龄期混凝土应力历时曲线图

图8为集水井侧墙早龄期混凝土温度历时曲线图，图9为集水井侧墙早龄期混凝土应力历时曲线图。从图8~9可知：流道集水井侧墙底部混凝土受温降速率影响同样较为明显。但通水时间较长使得温降幅度过大，后期温度小幅回弹。这与边墩较分流隔墙厚度更大、中墩厚度更小有关。

图8 集水井侧墙早龄期混凝土温度历时曲线图

图9 集水井侧墙早龄期混凝土应力历时曲线图

流道层的墩墙有厚（最厚4.80 m）有薄（最薄1.50 m）、有长有短，且约束程度也不同，对比不同温降速率和通水时间的工况计算结果（见图10），由图10可知，温降速率越大拉应力增速也越大，但不同部位的混凝土增速差异较大。

图10 不同温降速率下特征点的拉应力增速图

厚度小于1.00 m的特征点12（上部墙体）和特征点7（分流小墩门槽），拉应力增速都较大；特征点9（集水井侧墙）厚度2.00 m，虽然不是很薄，但其所在位置结构约束很大，此处拉应力增速最大；厚度在3.00 m以上的流道墩墙的特征点6和特征点8，拉应力增速较小。如果对这些不同部位的混凝土施以相同的温降速率和冷却时长，温降速率大的部位很容易发生拉应力超过抗拉强度的情况。因此，需要对泵站不同部位混凝土的温降速率和冷却时长进行精细化控制。

6 温降速率指标建议值

经过计算分析，马山泵站不同部位的温降速率建议值见表3。对于出水流道分流隔墙（厚度≤1.50 m）和集水井侧墙，建议的温降速率为1.0 ℃/d；对于进水流道厚度≤2.00 m的部位，建议的温降速率为2.0 ℃/d；对于进出水流道其余厚度较厚的墩墙，建议的温降速率为3.0 ℃/d。底板和上部墙体建议的温降速率分别为3.0 ℃/d和1.5 ℃/d。

表3 马山泵站不同部位的温降速率建议值表 单位：℃/d

7 结 论

（1）大型竖井贯流式泵站结构和约束都比较复杂，不同部位混凝土施工期温降速率与拉应力增速总体成正比。

（2）如采用统一的温降速率和通水时长，易导致较薄的结构部位温降幅度过大、早龄期拉应力过大，较厚的结构部位温降幅度过小，后期拉应力过大。

（3）通过对泵站不同位置辅以合适的温降速率，可以使泵站各个位置的拉应力尽可能减小，使得拉应力满足设计的安全要求。截至2021年9月，按照建议温降速率控制的部位，已达到预期的防裂效果。