碾压混凝土坝高温期连续施工采用冷却水管进行温控的研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com水利学报2002年l1月SHUILIXUEBA0第ll期文章编号：0559—9350(2002)11-0055—05碾压混凝土坝高温期连续施工采用冷却水管进行温控的研究朱岳明，张建斌(1．河海大学水利水电工程学院．江苏南京210098；2．厦门市路桥建设投资总公司．福建厦门361009)摘要：针对碾压混凝土坝(RCCD)高温期难以连续施工的问题，笔者提出在大坝的高温期连续施工区局部采用冷却水管，并对冷却水管三维导热降温的作用提出一种有限单元法计算技术。由于水管中的冷却水是流动的，需通过迭代求解才能得到问题的收敛

2、解。通过对某一大坝混凝土施工全过程的动态仿真计算，分析了冷却水管温控措施对RCCD高温期连续施工时温度场的控制性影响作用。结果表明，本文的方法具有一定的工程应用前景；在局部区铺设冷却水管可改善和控制RCCD内部的温度分布，是一种有效的温控手段，尤其对大坝的削峰降温敏感有效，可作为确保RCCD高温期也能连续施工的一种值得推广的温控措施。关键词：碾压混凝土坝；高温期连续施工；温度场；温度控制；冷却水管；迭代求解中图分类号：TV642．2文献标识码：A碾压混凝土坝(RCCD)以温控措施相对简单和快速连续施工为其显著的特点，但是大量的工程实践表明，在RCCD上时有温

3、度裂缝出现。尤其是高RCCD，其施工期一般跨越1～2个夏季，如果无法解决高温期连续施工的温控问题，则不能充分发挥连续施工、工期短所带来的经济效益，甚至造成RCCD在南方常年气温较高地区无法适用。温度裂缝现象已成为目前严重制约RCCD进一步发展的主要因素，而高温期连续施工时的温控措施正是亟待解决的关键技术问题之一。冷却水管于20世纪30年代首先在美国胡佛坝得以应用，已成为常规混凝土坝的主要温控措施之一。一般认为RCCD无需采用冷却水管措施，且通常认为薄层碾压、连续上升的施工方式不利于铺设冷却水管。随着RCCD温度裂缝问题的逐渐暴露，工程界在不断地尝试新的温控措

4、施。在大朝山碾压混凝土围堰的施工中率先采用了预埋冷却水管进行一期降温削峰。经检验，埋入的塑料水管全部完好无损，一期冷却削峰4c【二左右，取得较好的结果⋯。目前水管冷却作用的数值计算尚未得到圆满的解决，水管冷却对RCCD高温期连续施工时温度场的影响在理论和算法上尚需作进一步研究，同时也要研究其适用性和探索合理的水管铺设方式。针对这些问题，在文献工作的基础上，笔者提出一种对冷却水管作用采用三维有限元求解的新方法，在坝体温度场仿真计算中能从理论上严密地模拟冷却水管的导热降温行为，研制了相应程序，计算分析了在RCCD高温期连续施工区局部采用冷却水管时的温控效果。这一

5、算法也可用来求解任何大体积混凝土中冷却水管应用的问题。在算法上，“水管冷却”问题已得到了圆满解决。收稿日期：2001—08．13基金项目：教育部博士点基金资助项目(97029406)；水利部技术开发基金资助项目(SL9705)；国电公司“十五”科技项目(KJ00．03—23．01—01(3))作者简介：朱岳明(1958一)，男，浙江长兴人，博士，教授，博士生导师．从事水工结构工程渗控、温控、稳控和反馈分析等方面的研究。一55—维普资讯http://www.cqvip.coml冷却水管作用的三维有限元求解1．1有冷却水管时的空间温度场如图1所示混凝土中有冷却水

6、管时，混凝土表面散热与冷却水管同时作用，是一个典型的空间温度场问题，其基本微分方程、初始条件和边界条件为在域R内：：。+(1)￡=0时，有初始条件T=To(，y，z，0)；￡>0，r有T=Tb，r。有T=，r有Ol=0以及r有一Ol：卢(T—T)。其中To为初始温度，To为环境温度，T为已知温度，Tw为冷却水温，n为o混凝土的导温系数，为混凝土导热系数，为r的表面放热系数，为水冷却边界。需指出的是，混凝土中的冷却水管属于强制对流换热，由于对流换热系数很大，水管冷却面可以近似地当作第一类边界处理。冷却水管大多采用钢管或铝管，一般外径25mm，壁厚1．5～1．8

7、ram。当用金属水管时，由于金属的导热系数远比混凝土大，水管厚度对冷却效果实际上影响很小。因此，在计算中可以认为管壁内外温度相同，即取金属水管的热阻近似为零，可忽略管壁的厚度。否则，水管冷却面也应视为第三类边界条件，但目前尚缺乏这方面的参数试验研究成果。把上述温度场问题等价地转换为求泛函极值的变分问题，利用有限单元法和差分法分别对空间域和时间域进行离散，可得到支配方程：i[圳+G⋯t+i[圳一G⋯t-At+[F]+[F]f_△r=0(2)式中：△￡为时间步长；[H]，[G]为有限元系数矩阵；[F]为边界温度影响列阵。根据以上方程，由￡一At时刻的温度场即可求

8、解￡时刻的温度场。1．2水温增量的计算求解上述支配方