深埋地下发电厂房施工期温度场- 应力场耦合效应及分层分块浇筑工艺优化

一、引言

随着“双碳”目标的推进，深埋地下发电厂房因具备良好的安全性、隐蔽性和环境适应性，在抽水蓄能电站、核电机组等工程中应用日益广泛。此类结构通常采用大体积混凝土浇筑，单次浇筑方量可达数千立方米，如某抽水蓄能电站地下主厂房单仓底板浇筑量达 5200m³, 。混凝土硬化过程中，水泥水化热导致内部温度快速升高（峰值可达 60-80% ），随后因散热产生收缩变形，在地基约束、相邻结构约束作用下形成复杂应力场。工程实践表明，某核电地下厂房施工期因分层厚度过大（3.5 米）导致层间温差超过 25℃，引发贯穿性裂缝的案例占比达 18% ，严重影响结构耐久性。传统浇筑工艺依赖《水工混凝土施工规范》等经验参数，采用固定分层厚度（2.5-3.0 米）和矩形分块（ 20m×20m ），缺乏对不同地质条件（如硬岩地基与软岩地基散热差异）和结构部位（底板、边墙、梁柱节点）约束特性的精准分析，亟需通过理论研究与工艺创新提升施工质量。

二、施工期温度场 - 应力场耦合效应分析

（一）温度场演化规律

热源特性与温升模型水泥水化热释放遵循 S 型曲线，早期（1-3 天）释放速率最快，占总热量的 60%-70%, 。以P.O 42.5 普通硅酸盐水泥为例，每立方米混凝土水化热总量约为350-400kJ，导致内部温度在浇筑后48 小时内达到峰值。温度场分布受结构几何特征影响显著：底板中心因厚度大、散热面积小，温升幅度较边缘高 15%-20% ；边墙转角处因三维约束效应，峰值温度比平直段高8-1299 。某核电厂实测数据显示，边长 30 米的正方形底板中心温度达 72% ，而边缘温度仅 55% ，形成 17℃的径向温差。

散热路径与边界条件地下厂房施工期散热主要通过三途径：混凝土表面与空气对流（占比30%-40% ）、冷却水管强制导热（占比 40%-50% ）、地基热传导（占比 10%-20% ）。现场实测显示，未布置冷却水管的底板中心降温速率仅 0.5℃ /h，而埋设 φ32mm 冷却水管（间距 0.8 米，水温 20℃）可将降温速率提升至 1.2^∘CΩ/i h，峰值温度降低 12-15^∘C 。不同地质条件下地基导热系数差异显著：硬岩（花岗岩，λ=3.5W/(m・K)）散热效率是软岩（黏土岩， λ=1.2W/(m⋅K) ）的 3 倍，导致软岩地基上的底板峰值温度更高、高温持续时间更长。

（二）应力场形成机制约束条件分类

外部约束：地基摩阻力、围岩刚度差异导致的变形限制，如弹性地基上的底板收缩时，边缘区域受到的水平约束应力可达 1.2-1.5MPa。某水电站厂房采用刚度不均的复合地基，软岩区底板边缘拉应力较硬岩区高 40% ，成为裂缝始发区域。

内部约束：混凝土内外温差引起的自约束应力，当中心与表面温差超过25℃时，表面拉应力可达2.0MPa，接近C30 混凝土早期抗拉强度（2.5MPa@7d）。有限元模拟显示，厚度 2 米的混凝土墙体，若中心温度 65℃、表面温度 35℃，则表面拉应力达2.2MPa，超过抗拉强度设计值的 80%_< 。

应力时空分布特征 浇筑后 1-3 天，混凝土处于塑性阶段，弹性模量仅为峰值的 20%-30% （约5-10GPa），徐变效应显著，温度应力可松弛 40%-50% ；7 天后进入弹性阶段，弹性模量增长至25-30GPa，收缩应力快速积累，边角部位因“应力集中效应”，拉应力较平均水平高 30%-40% 。某抽水蓄能地下厂房监测数据显示，边墙与底板交界处的应力集中系数可达 1.8，该区域裂缝发生率占总裂缝数的 60% 以上，成为结构薄弱环节。

（三）耦合作用关键节点

温 - 应力耦合存在三个临界阶段： ① 升温期（0-48h）：热膨胀产生压应力，但若浇筑温度过高（ >30% ），早期弹性模量增长加快（每日增幅超 15% ），可能提前进入拉应力状态；②降温期（3-14d）：收缩变形主导，当降温速率超过 1.5℃/h 时，约束应力增长率达 0.3MPa/d，超过混凝土抗拉强度增长速率（0.2MPa/d@C30）； ③ 长期时效（14d 后）：徐变松弛与温度重分布持续调整应力状态，残余应力影响结构耐久性，如持续拉应力会加速钢筋锈蚀，降低使用寿命 10%-15%. 。

三、传统分层分块浇筑工艺瓶颈

（一）参数设计主观性强

某水电工程传统方案采用“等厚度分层 + 矩形分块”，分层厚度 2.5 米（规范建议值），分块尺寸 20m×20m_⨀ 。但未考虑不同部位约束差异：底板中心散热条件差，实际温升比设计值高 9℃，导致中心区域拉应力超过抗拉强度；边墙分块跨度过大（ $2 0 \nast \$ ），拆模后角部因应力集中出现网状裂缝，裂缝率达 22%. 。此外，传统方法未结合混凝土初凝时间（约 6-8h）优化分层厚度，曾出现下层混凝土已初凝（强度1.2MPa），上层仍未浇筑的情况，导致层间结合力下降 30% 。

（二）施工缝处理粗放

层间施工缝普遍采用人工凿毛，深度仅 _1-2cm ，低于规范要求的 5cm ，且未设置键槽结构，抗剪强度仅为整体混凝土的 60%-70%_⨀ 。冬季施工时（环境温度 <5^cC ），间隔时间超过 7 天未采取保温措施（如覆盖电热毯维持 10℃以上），导致层间结合面出现“冷缝”，超声波检测显示密实度降低 15% ，渗水试验漏水量增加2 倍。某项目因边墙施工缝处理不当，运营期出现渗漏，被迫进行化学灌浆处理，增加成本约 200 万元。

（三）温控措施滞后性

传统工艺依赖经验式通水降温，未根据实时温度场调整冷却参数。某项目底板埋设冷却水管间距 1.0 米（偏大），且未随温度峰值变化调整通水流量，导致中心温度骤降（10℃ /d），引发反向温差应力（表面受压、中心受拉），新增裂缝数量较预期增加 30% 。此外，未考虑冷却水管布置与钢筋排布的冲突，曾出现水管与主筋碰撞导致漏水，影响混凝土浇筑质量。

四、基于耦合效应的工艺优化策略

（一）分层厚度动态设计方法

建立“约束刚度 - 散热能力”双因子模型，采用 ANSYS 有限元软件进行温度场模拟，根据不同部位约束等级（硬岩地基取高约束，软岩地基取低约束）和散热效率（冷却水管布置密度）确定分层厚度：

强约束区（底板、梁柱节点）：分层厚度 1.5-2.0 米，匹配冷却水管间距 0.6-0.8 米，水管呈梅花形布置，确保水化热在 3 天内散失 40% 以上。某核电工程应用后，底板中心峰值温度从 72℃降至 58℃，降温速率控制在 1.0% /h 以内。

弱约束区（顶板、自由边墙）：分层厚度2.0-2.5 米，允许峰值温度较环境温度高20-25℃，利用后期徐变（30天徐变系数1.5）释放 60% 以上早期应力。结合MIDAS/GTS软件进行应力松弛分析，确保边缘拉应力≤ 1.5MPa。

（二）分块尺寸优化技术

采用“应力均衡化”分块原则，结合结构受力特点与施工机械能力（如混凝土泵车臂长56米）

平面分块：大底板采用“中心十字分块法”，首块浇筑尺寸 15m×15m （匹配泵车浇筑半径），后续块体按跳仓法施工，间隔时间 5-7 天（待先浇块强度达 70% ），减少相邻块体约束。分块缝设置 30cm 宽后浇带，内配双层 Φ20@150 钢筋，提高抗裂性能。

立面分块：边墙沿高度方向每 3 米设水平施工缝，结合环向预应力布置（间距 2 米），将单块宽度控制在 8-10 米（匹配模板尺寸），避免弧形边墙出现周向应力集中。采用 ABAQUS 软件模拟不同分块宽度下的应力分布，确定最优宽度为9 米，此时边角应力集中系数从1.8 降至 1.2。

（三）浇筑顺序优化控制

实施“对称约束释放”工艺，通过施工仿真系统（如Synchro 软件）进行4D 进度模拟：

底板浇筑：采用“由中间向四周辐射”顺序，首仓浇筑中心区（占底板面积1/4），24 小时后对称浇筑两侧区，利用初期混凝土的塑性变形（坍落度保留值 ⩾180mm ）释放 30%-40% 约束应力。浇筑过程中控制混凝土入模温度 ⩽28% ，采用冰水混合物搅拌降低初始温度。

立体浇筑：遵循“先基础后主体、先低约束后高约束”原则，边墙浇筑滞后底板 5 天（待底板收缩完成 60% ），避免底板收缩对边墙产生水平拉力。梁柱节点采用“核心区优先浇筑”法，提前4 小时浇筑节点区高流动性混凝土（坍落度 220±20mm ），减少节点区应力集中。

（四）层间间隔时间精准控制

建立“温度- 强度双控”标准，通过埋设振弦式温度计和应变计实时监测：

温度条件：下层混凝土中心温度降至 35℃以下，且与环境温差 ⩽15% （避免温差过大引发应力突变）；

强度条件：下层混凝土抗压强度 gtrsim10MPa （约 7 天龄期，通过早期强度推定公式计算），确保上层荷载传递安全。某项目将层间间隔时间从传统的3 天延长至5-6 天，层间结合面抗拉强度提升25% ，抗剪强度达整体混凝土的 85% 。

五、工程应用与效果验证

（一）项目概况

某抽水蓄能电站地下厂房，埋深 300 米，主厂房尺寸 150m×25m×50m （长 × 宽 × 高），混凝土总量 12 万立方米，设计使用 C30 低热混凝土（粉煤灰掺量 30% ，水化热降低 25% ）。原方案裂缝发生率 12% ，主要集中在底板边角（占 45% ）及边墙施工缝（占 35% ）， 重影响结构抗渗性能。

（二）优化工艺实施

温控系统升级：底板埋设 Φ32mm 蛇形冷却水管（间距 0.7 米，单仓水管长度800 米），通水流量 20L/min ，持续 7 天，出口水温控制在 25±2^∘C ；边墙采用带保温层模板（5cm 厚挤塑板，导热系数 ⩽0.15W/(m⋅K) ），拆模时间延长至72 小时，延缓降温速率至 0.8^∘C /h

分块工艺调整：底板分为9 块 ⋅15m×15m ），跳仓浇筑间隔5 天，每块设置2 条后浇带（宽度80cm ）；边墙按高度分为10 层（每层5 米），单块宽度 8 米，增设键槽式施工缝（深度 5cm，梯形截面 10cm×8cm ，间距 30cm ），缝面涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料。

优化后， Γ 房主体结构未出现贯穿性裂缝，超声波检测显示混凝土密实度提升 10% ，抗压强度标准差从 4.5MPa 降至 2.8MPa ，均质性显著提高。运营期渗漏检测显示，单位长度渗水量从 0.8L/(m⋅min) 降至 0.2L/(m⋅min) ，达到一级防水标准。

六、结论与展望

深埋地下发电厂房施工期温- 应力耦合效应受材料特性、结构约束、施工工艺多重影响，需建立“温度场预测 - 应力场反演 - 工艺参数迭代”的闭环控制体系。通过 ANSYS、MIDAS 等软件进行多物理场耦合模拟，可精准识别裂缝风险区域。

分层分块浇筑工艺优化的核心在于平衡散热效率与约束应力，通过动态调整分层厚度、分块尺寸及浇筑顺序，结合冷却水管智能通水系统（如流量自动调节装置）和保温模板技术，可有效降低温度应力 30%-50% ，裂缝发生率控制在 5% 以内。

未来研究可结合数字孪生技术，开发基于 BIM 的实时耦合分析模型，集成温度、应力、应变等多源监测数据，实现施工过程的智能化调控。同时，探索纳米外加剂（如碳纳米管增强混凝土）在降低水化热、提高抗裂性能中的应用，进一步提升深埋地下结构的建造精度与安全性。

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