大体积混凝土结构水管冷却问题的分析

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1、华北电力大学硕士学位论文第一章绪论1．1混凝土水管冷却的研究现状中国水能资源的蕴藏量居世界第一。丰沛的径流和巨大的落差，形成了得天独厚的十分丰富的水能资源，中国大型水电站约2000座，其中百万千瓦级大型水电站约100座，25万千瓦以上中型水电站约200座。据1988年完成的全国第三次水能资源普查，包括台湾省在内，中国水能资源理论蕴藏量约为6．91亿kW，其中可开发的装机容量为3．83亿kW，均占世界首位。为有效利用我国丰富的水能资源，必须加快水电站的建设步伐。水电站的拦水大坝为大体积混凝土建筑物，在

2、建设过程中的温度控制一直是研究的重要问题。大体积混凝土中，由于水泥水化热的影响，混凝土的内部温度往往会升高10-20'12，混凝土内部温度往往达到40℃以上【l】。靠天然冷却的速度非常慢，通常需要几十年甚至更长时间，所以通常采用人工冷却的方法【491。十九世纪30年代初，美国垦务局在设计当时最高的重力坝胡佛重力拱坝时，最早全面采用了水管冷却作为大坝冷却方案，收到了很好的效果。这之后水管冷却在全世界得到广泛应用，成为混凝土坝施工中的一项重要冷却措施。我国1955年建设响洪甸拱坝时，采用预埋冷却水管进行

3、人工冷却。随后冷却水管在我国得到广泛的应用。水管冷却的冷却过程通常分为两期：一期冷却和二期冷却。一期冷却是在混凝土刚浇筑完甚至正在浇筑时就开始进行，以削减水化热温升，冷却时间一般为14天左右。二期冷却是在接缝灌浆前进行的，主要目的是为了把混凝土温度降低到坝体稳定温度。也可以进行三期冷却，即在入冬前对高温混凝土进行一次中期冷却，以减少内外温差【lJ。冷却水管大多采用钢管，在混凝土浇筑过程中埋入坝内，为了便于施工，通常在浇筑混凝土之前把水管铺设在水平层面上，水管间距一般等于浇筑层厚度。金属水管虽然冷却效

4、果很好，但是接头多，施工较费事，而且受浇筑层的限制，不易于加密。而塑料水管可以克服上述缺点。前苏联的萨扬舒申斯克坝、加拿大的Revelstoke坝、洪都拉斯的E1Cajon坝等工程成功地在混凝土内埋设高密度聚乙烯管进行冷却，我国二滩拱坝从1995年开始，也采用高密聚乙烯管进行人工冷却，获得成功【3】【4】【5】。塑料水管长度一般在200m。400m，接头很少，管质较柔软，在浇筑混凝土过程中也能铺设，不限于铺设在浇筑层面上，因此可以根据需要改变塑料水管的铅直和水平距离。2008年朱伯芳院士用理论分析和

5、计算证明，利用塑料水管l华北电力大学硕士学位论文易于加密的优点，可以大幅度地强化混凝土的冷却。降低混凝土温度应力，加快混凝土施工速度，并且证明，水管充分加密后，即使不预冷骨料，高温季节浇筑层后3．0m的混凝土块也可防止裂缝【6j。以上为本文采用塑料水管进行模型计算提供了基础。对于水管布置方式的研究，以前由于大多数采用金属水管，水管之间的铅直距离一般等于层厚，因此只研究了水平间距的不同对冷却效果的影响。朱伯芳院士曾给出水管间距不同对温度影响的理论解，得出水平管距减小一倍，钢材用量增加一倍，冷却时间可以

6、缩短1．23倍的结论，其效果是明显的【11。2005年武汉大学杨磊博士通过计算分别比较了同样的浇筑层厚度情况下，冷却水管水平间距的不同对冷却效果的影响：以及水平间距相同的情况下，垂直间距不同对冷却效果的影响【21。还有将水管布置成梅花形，这时每根水管承担的冷却范围为一六角形凌柱体，梅花形排列，水管冷却效果要比相同水平间距和竖直间距的矩形排列好7‰9％【71。1．2混凝土水管冷却的研究意义及任务由于水工建筑物的体积都很大，混凝土浇筑后将产生数量可观的水化热，使混凝土温度显著上升，然后慢慢散发。但是，水

7、泥的水化热一般发生在早期，往往在最初几天就会发生绝大部分的水化热，从而是混凝土在最初的几天内温度上升的很快，到达最高温度后开始下降。但是混凝土导热性能不好，水泥水化热产生的热量需要几十年甚至上百年的时间才能散发完。这就会造成两方面的后果。一方面，在施工期间，由于表面散热或寒潮冲击，混凝土内部的温度和表面的温度不同，这种内外温差也是一种温度荷载，可能引起表面裂裂缝。另一方面，在温降阶段，随着体积收缩，一般情况下混凝土的龄期已超过28天，混凝土塑性减少而弹性模量增大，因而变形引起的拉应力比较大，当拉应力

8、超过混凝土抗拉能力时，混凝土就会开裂。温度应力是引起混凝土裂缝的主要原因之一，因此控制混凝土中温度变化的幅度，是防止产生温度应力的主要手段。而水管冷却是混凝土温控的一种效果显著、应用广泛方法。通过理论分析和计算找出如何更好地发挥冷却水管的效果，控制混凝土温度变化，进而降低温度应力，对水工建筑物的安全运行具有重要的意义。采用冷却水管进行冷却时，混凝土的温度与很多因素有关，比如，水管间距、层高、水管直径、水管壁厚、水管水温、水管流量等，如果精确量化这些因素对大体积混凝土温