小灣拱壩二期冷卻方案溫控措施對比分析

周艷國，王 江，徐 晗

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.武漢大學(xué)土建學(xué)院，武漢 430072；3.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

小灣拱壩二期冷卻方案溫控措施對比分析

周艷國1，2，王 江1，徐 晗3

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.武漢大學(xué)土建學(xué)院，武漢 430072；3.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

分期進(jìn)行加水冷卻混凝土的方法是高拱壩施工中非常重要的溫控措施，對小灣拱壩施工中2種二期冷卻方案進(jìn)行了對比分析研究。結(jié)果顯示：直接進(jìn)行冷卻的二冷方案可能會(huì)導(dǎo)致壩體出現(xiàn)較大的溫降梯度，使得壩體部分高程出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力；而采用過渡方法的二期冷卻方案一定程度上消除了壩體沿高度方向的溫度梯度過大現(xiàn)象，并且對減小壩體拉應(yīng)力有較顯著的效果。實(shí)踐證明，二期冷卻過渡方案已取得了較好的效果。

小灣拱壩；溫度場分析；溫控措施；冷卻方案

當(dāng)前，中國高拱壩建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展期，隨著拱壩建設(shè)的不斷發(fā)展，高拱壩要求解決的關(guān)鍵技術(shù)課題也更復(fù)雜，其中施工期的溫度應(yīng)力是一個(gè)非常重要的問題。施工期產(chǎn)生的溫度應(yīng)力對拱壩最終的真實(shí)工作性態(tài)有著重要的影響，使得拱壩實(shí)際工作應(yīng)力與設(shè)計(jì)期望應(yīng)力有較大的差別［1，2］。而高拱壩的壩體溫度分布情況非常復(fù)雜，需要詳盡地進(jìn)行分析以掌握壩體的實(shí)際溫度場分布情況，因此，在確定拱壩施工期承受的溫度荷載和溫度應(yīng)力時(shí)，必需要充分考慮壩體實(shí)際施工過程、材料參數(shù)和所采取的復(fù)雜溫控措施［1～3］。

小灣拱壩作為我國在建的最高拱壩，對施工期的溫控防裂十分重視，施工中采取了多種溫控措施，其中水管冷卻是大壩施工中的一個(gè)重要冷卻措施，并采取一期通水冷卻和二期通水冷卻相結(jié)合的冷卻方案［3］。一期冷卻在混凝土澆筑后即刻進(jìn)行，而二期冷卻措施的效果是一個(gè)需要進(jìn)行重點(diǎn)分析研究的問題。因此，本文依據(jù)已有實(shí)際冷卻方案施工資料，仿真分析當(dāng)前真實(shí)的壩體溫度場和相應(yīng)應(yīng)力場分布情況，對2種擬定的二期通水冷卻溫控方案進(jìn)行對比分析，并針對實(shí)際施工情況，提出合理的施工建議。

1 計(jì)算分析模型

1.1 計(jì)算模型

為精確分析小灣拱壩真實(shí)溫度場和應(yīng)力場分布情況，建立了復(fù)雜的有限元計(jì)算模型［3］，其中溫度場有限元網(wǎng)格計(jì)算模型見圖1。邊界范圍為左右岸方向各取1 425 m，上下游方向取935 m，鉛直向下取到高程660 m，模型頂高程為1 245 m。壩體網(wǎng)格總體上按3 m尺度控制，采用六面體8節(jié)點(diǎn)等參單元，考慮實(shí)際壩體材料分區(qū)以及施工情況進(jìn)行分層。其中總單元數(shù)為166 056，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為169 101。壩體單元數(shù)117 815、節(jié)點(diǎn)數(shù)123 224。

圖1 溫度場計(jì)算模型有限元網(wǎng)格Fig.1 FEM mesh of the temperature field model

1.2 熱力學(xué)基本參數(shù)

小灣拱壩按施工混凝土分為如表1所示的A，B，C 3種材料，實(shí)際所采用的溫控參數(shù)見表1。

1.3 計(jì)算過程

根據(jù)溫度場計(jì)算原理和方法，對拱壩施工期溫度場進(jìn)行仿真分析［2］。壩體按實(shí)際澆筑上升過程簡化模擬，以22壩段為準(zhǔn)，按3 m一層拱圈上升；一期通水冷卻和二期通水冷卻按分段函數(shù)模擬。為模擬地?zé)釋误w邊界溫度場的影響，壩肩及壩基以下50 m范圍內(nèi)巖體考慮地?zé)幔?0 m邊界的地?zé)崛【禐?2.5℃。進(jìn)行壩體一期冷卻時(shí)，采用等效法進(jìn)行計(jì)算，把冷卻水管看成內(nèi)部熱源，在平均意義上考慮水管的冷卻效果。二期冷卻時(shí)，看成一個(gè)初溫均勻分布、無熱源的溫度場進(jìn)行分析，只考慮水管冷卻作用計(jì)算的混凝土平均溫度作為絕熱溫升。冷卻水管為塑料管，壩體各區(qū)混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)也根據(jù)水管尺寸進(jìn)行相應(yīng)等效。

表1 壩體混凝土材料溫控參數(shù)Table 1 Temperature control parameters of dam concrete

1.4 計(jì)算方案

根據(jù)資料［3］，小灣拱壩實(shí)際施工中，壩體混凝土一期冷卻通水時(shí)間在19 d左右，壩體溫度計(jì)監(jiān)測值與計(jì)算值均表明，一期通水冷卻完畢至二期通水冷卻前，混凝土溫度回升較大，可能會(huì)造成二冷時(shí)壩體產(chǎn)生較大的溫度梯度，從而導(dǎo)致壩體內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。因此為比較二期冷卻溫控效果，考察不同二冷方案對溫度應(yīng)力的影響，擬對1 025～1 077 m高程范圍內(nèi)壩體混凝土進(jìn)行以下2種二冷方案的對比分析。即，方案1（直接冷卻方案）：一期冷卻之后，逐次對12m高程范圍內(nèi)混凝土進(jìn)行二期通水冷卻，直接冷卻到封拱溫度。方案2（過渡冷卻方案）：一期冷卻之后，同時(shí)二冷的混凝土澆筑塊高程由12 m增加到24 m，從1 025 m高程開始采取如圖2所示的“過渡”方案要求進(jìn)行二期通水冷卻。所謂“過渡”是指同時(shí)二冷高程區(qū)域由12 m增加到24 m，并對冷卻參數(shù)和冷卻要求有所區(qū)別（如圖2），例如二冷區(qū)域1 042.12～1 055.55 m間采用的“過渡”方式為，分2次二期冷卻方式冷卻到封拱溫度，第1次二冷通15℃水進(jìn)行冷卻，第2次二冷通11℃水進(jìn)行冷卻；下一個(gè)二冷過渡區(qū)1 055.55～1 070.00 m按類似方式進(jìn)行。圖中所示的擬灌區(qū)為擬進(jìn)行封拱灌漿的高程區(qū)域，而蓋重區(qū)為擬灌區(qū)上的6 m混凝土覆蓋區(qū)域。

圖2 二期冷卻過渡方案Fig.2 Scheme of second stage artificial cooling in transitional scheme

2 二期冷卻溫控方案對比分析

2.1 溫度計(jì)算結(jié)果分析

圖3給出了2種方案下2個(gè)實(shí)際溫度監(jiān)測點(diǎn)的溫度變化過程曲線。由圖可知，2種方案中在二期冷卻之前的規(guī)律基本相同，且混凝土澆筑塊的最高溫度也相同，這是由于混凝土最高溫度一般出現(xiàn)在澆筑后5 d左右，而與二期通水冷卻的關(guān)聯(lián)性較小。并且溫度歷程曲線中均在二冷階段有較明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這是由于此時(shí)開始進(jìn)行二期通水冷卻所致。2個(gè)方案二冷開始時(shí)監(jiān)測點(diǎn)混凝土溫度相同，二冷結(jié)束時(shí)溫度也基本相同，但是二期冷卻過渡方案中由于存在“降溫過渡區(qū)”，對時(shí)間的降溫梯度與直接冷卻方案相比大為減小，也即減小了隨時(shí)間變化的溫度梯度。

圖4至圖7分別為2次二期冷卻結(jié)束時(shí)壩體的溫度場分布情況。由圖可知，由于過渡冷卻方案與直接冷卻方案在二期通水冷卻方式上的差異，導(dǎo)致最終得到的溫度分布與數(shù)值有較大不同。具體如下：①2種方案的二期通水冷卻方式在1 025 m高程以下相同，故1 025 m高程以下的溫度分布規(guī)律基本相同，只相差0.5℃。②第1次二冷結(jié)束時(shí)，直接冷卻方案1 047～1 055 m高程區(qū)間溫度由12℃急劇變到23℃，沿高程方向出現(xiàn)了較大的溫度梯度。而二期冷卻過渡方案在區(qū)間1 025～1 055 m內(nèi)溫度過渡均勻，無明顯溫度劇變。2種方案的二冷結(jié)束后擬灌區(qū)（1 025～1 036 m）溫度也基本相同，均略高于11℃。③第2次二冷結(jié)束時(shí)，直接冷卻方案1 036～1 055 m高程區(qū)間也出現(xiàn)沿高程方向較大的溫度梯度，5.5 m高差溫度變化5℃左右。而二期冷卻過渡方案則溫度過渡均勻，擬灌區(qū)（1 036～1 050 m）溫度約為13℃。④通過對比分析，可以發(fā)現(xiàn)二期冷卻過渡方案在一定程度上消除了直接冷卻方案中沿高度方向出現(xiàn)的溫度梯度過大現(xiàn)象，也即減小了隨空間的溫度梯度，同時(shí)也達(dá)到了二期通水冷卻目的。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)溫度變化過程線（1 048.5 m高程）Fig.3 Temperature variation of observing point（at elevation 1 048.5 m）

圖4 方案1第1次二冷結(jié)束時(shí)溫度場Fig.4 Temperature distribution in Scheme 1 at the first cooling end

圖5 方案2第1次二冷結(jié)束時(shí)溫度場Fig.5 Temperature distribution in Scheme 2 at the first cooling end

圖6 方案1第2次二冷結(jié)束時(shí)溫度場Fig.6 Temperature distribution in Scheme 1 at the second cooling end

圖7 方案2第2次二冷結(jié)束時(shí)溫度場Fig.7 Temperature distribution in Scheme 2 at the second cooling end

2.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

圖8 方案1壩體剖面應(yīng)力矢量圖Fig.8 Stress vector diagram of dam section in Scheme 1

圖9 方案2壩體剖面應(yīng)力矢量圖Fig.9 Stress vector diagram of dam section in Scheme 2

圖8 和圖9為某監(jiān)測壩段徑向剖面的應(yīng)力矢量圖。由圖可知，直接冷卻方案中1 050 m高程壩體應(yīng)力以微受拉為主，局部出現(xiàn)1.5～2.0 MPa拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力達(dá)3.01 MPa；而二期冷卻過渡方案1 050 m高程壩體應(yīng)力以受壓為主，局部亦出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大約為1.71 MPa。直接冷卻方案分別在1 010 m高程、1 030～1 040 m高程間，1 050～1 060 m高程間位置出現(xiàn)了較明顯的徑向拉應(yīng)力，總體在1.5 MPa以內(nèi)；而二期冷卻過渡方案只有在1 040～1 050 m高程間了出現(xiàn)徑向拉應(yīng)力，且總體在1 MPa以內(nèi)。綜合比較可知，過渡冷卻方案對減小壩體拉應(yīng)力有較顯著的效果。由于小灣拱壩現(xiàn)場實(shí)測混凝土90 d齡期的抗拉強(qiáng)度分別為2.8 MPa（A區(qū)混凝土），2.6 MPa（B區(qū)混凝土），2.3 MPa（C區(qū)混凝土），因此壩體內(nèi)過大的拉應(yīng)力將很可能導(dǎo)致壩體產(chǎn)生裂縫。

小灣拱壩壩體混凝土澆筑在2007年10月以前的施工中，采用了上述方案1進(jìn)行二期冷卻，施工中發(fā)現(xiàn)1 040 m高程處壩體出現(xiàn)了部分裂縫。由上述對比分析知，可能是因?yàn)樗扇〉亩浯胧┦沟脡误w沿高程方向溫度梯度過大引起，因此，針對當(dāng)前壩體施工中出現(xiàn)的裂縫問題，可考慮在下一步混凝土澆筑施工時(shí)考慮采取上述二期冷卻過渡方案，以此降低壩體內(nèi)較大拉應(yīng)力的出現(xiàn)，改善壩體受力狀態(tài)。實(shí)際上，在2007年10月以后的小灣壩體實(shí)際施工中，已采用本文所研究比較的過渡冷卻方案進(jìn)行二期冷卻［3］，并證明取得了較好的冷卻效果。

3 結(jié)語

針對小灣拱壩工程，對實(shí)際施工中的二期冷卻溫控措施進(jìn)行對比分析研究，得出如下結(jié)論：

（1）直接1次進(jìn)行冷卻的二冷方案，使壩體內(nèi)部出現(xiàn)空間與時(shí)間上較大的溫降梯度，可能導(dǎo)致壩體部分高程出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。

（2）分2次冷卻的二期冷卻過渡方案，在一定程度上消除了直接二冷方案中壩體沿高度方向出現(xiàn)的溫度梯度過大現(xiàn)象，減小了隨空間變化的溫度梯度分布，同時(shí)也達(dá)到了二期通水冷卻目的。

（3）二期冷卻過渡方案對減小壩體拉應(yīng)力有較顯著的效果。針對前期壩體施工中出現(xiàn)的部分裂縫問題，在下一步混凝土澆筑施工時(shí)可采取二期冷卻過渡方案，以此降低壩體內(nèi)較大拉應(yīng)力的出現(xiàn)，改善壩體受力狀態(tài)。

［1］ 朱伯芳.混凝土壩計(jì)算技術(shù)與安全展望［J］.水利水電技術(shù)，2006，37（10）：24-28.

［2］ 朱伯芳.混凝土壩安全評估的有限元全程仿真與強(qiáng)度遞減法［J］.水利水電技術(shù)，2007，38（1）：1-6.

［3］ 武漢大學(xué)，中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院.小灣拱壩仿真反饋分析與信息化動(dòng)態(tài)跟蹤研究［R］.昆明：水電昆明勘測設(shè)計(jì)研究院，2008.

［4］ 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［5］ 雷麗萍，黃天潤，春光魁，等.小灣水電站雙曲拱壩混凝土溫控措施仿真計(jì)算研究［J］.西北水電，2007，（1）：73-78.

Comparison of Second Stage Artificial Cooling Schemes in Xiaowan Arch Dam

ZHOU Yan-guo1，2，WANG Jiang1，XU Han3

（1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.School of Civil Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China；3.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Wuhan 430010，China）

Cooling concrete in different stages in different schemes of water pipe cooling is one of the important temperature control measures in the construction of the high arch dam，and the comparison of two ways of second stage artificial cooling in Xiaowan arch dam is presented.The study result shows that：with the scheme of direct second stage artificial cooling，the temperature gratitude may be so biggish that the tensile stress appears in certain elevation of the dam；with the way of transitional second stage artificial cooling，the temperature gratitude can be decreased effectively and the tensile stress in the dam can be eliminated somewhat.Obviously，through the comparison of two kinds of artificial cooling schemes，the later is better than the fomer.In construction practice，the transitional second stage cooling scheme has

good effect.

Xiaowan Arch Dam；Temperature Field Analysis；Temperature Control Measure；Artificial Cooling Way

TV642

A

1001-5485（2009）07-0048-04

2008-08-25；

2008-11-17

周艷國（1976-），男，湖北仙桃人，博士，主要從事工程結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真分析方法研究，（電話）027-68772240（電子郵箱）zhouyanguowhu＠126.com。

（編輯：劉運(yùn)飛）