某工程碾壓混凝土溢流壩溫控仿真計算分析

李世太

（甘肅電投炳靈水電開發(fā)有限責(zé)任公司 甘肅 永靖 731600）

碾壓混凝土因大量摻用粉煤灰，水化熱溫升速度減慢，混凝土達(dá)到最高溫度所需的時間較常態(tài)混凝土長。雖然碾壓混凝土的絕熱溫升低，但其施工速度較快，且施工中層面間歇時間短，熱量散發(fā)少，因此，碾壓混凝土壩的溫度并不低，同樣存在出現(xiàn)溫度裂縫的風(fēng)險【1、2】。本文采用三維有限元浮動網(wǎng)格法對某工程碾壓混凝土溢流壩段溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了仿真計算，其成果為同類工程碾壓混凝土溢流壩段的溫控設(shè)計和施工方案的確定提供參考【3、4】。

1 計算參數(shù)

工程主要開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，水庫正常蓄水位為EL183.00m，總裝機(jī)容量為400MW。溢流壩堰頂高程為EL166.50m，設(shè)計泄量為10450m3/s，壩體上游面為富漿二級配防滲碾壓混凝土，中部為二級配碾壓混凝土，底部為三級配碾壓混凝土，溢流面附近采用常態(tài)混凝土。溫控仿真計算采用的主要參數(shù)如下∶

（1）氣象資料

壩址處各月平均氣溫見表1。

（2）混凝土的熱力學(xué)參數(shù)

大壩混凝土的熱力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)見表2。

2 有限元計算模型

取橫縫間的整個壩段為計算模型,壩軸線方向?yàn)閤軸方向,指向右岸為正,水流方向?yàn)閥軸方向,指向下游為正,豎直方向?yàn)閦軸方向,向上為正。地基范圍取沿深度方向以及沿上下游方向均為100m。溫度場計算時邊界條件為∶地基底面和4個側(cè)面以及壩段橫縫面為絕熱邊界,壩體上下游面在水位以上為固—?dú)膺吔纾吹谌愡吔鐥l件處理；水位以下為固—水邊界，按第一類邊界條件處理。應(yīng)力場計算時邊界條件為：地基底面為固定支座，地基在上下游面按y向簡支處理，其余為自由邊界。溢流壩段計算模型見圖1。溢流壩材料分區(qū)見圖2。

3 計算方案

溢流壩段的壩基面高程為73.0m，堰頂高程為166.50m，壩高 93.5m，壩段長度為19.0m，壩底寬度為82.5m。溢流壩段碾壓混凝土自2010年1月1日至2010年6月4日澆筑73.0m高程至117.0m高程，澆筑層厚均為3.0m；2010年6月5日至2010年6月7日澆筑117.0m高程至119.0m高程，澆筑層厚2.0m。溢流壩段2010年7月5日開始度汛，歷時28天。2010年11月25日恢復(fù)混凝土澆筑，至2011年5月5日溢流壩澆筑至設(shè)計高程166.50m。壩前擋水位為：2010年1月1日～2010年7月4日壩前無水；溢流壩段2010年7月5日開始度汛，壩前水位為130.0m高程，度汛完成后，壩前恢復(fù)至無水狀況；水庫自2011年2月15日開始蓄水，到2012年2月15日蓄至正常蓄水位高程183.0m。計算方案見表3。

4 溫度場計算成果分析

四個方案壩體不同區(qū)域最高溫度表見表4。

從表4可以看出：

（1）在基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)：方案2最高溫度較方案1高出2.4℃，方案4最高溫度較方案3高出2.3℃，主要原因是方案2、4基礎(chǔ)弱約束區(qū)未通水冷卻，基礎(chǔ)弱約束區(qū)溫度較高，影響基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)的最高溫度；方案3最高溫度較方案1高出2.5℃，方案4最高溫度較方案2高出2.4℃，主要原因是方案3、4比方案1、2在基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)的澆筑溫度高3℃。

表1 壩址處各月平均氣溫 單位：℃

表2 大壩混凝土的熱力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)

圖1 計算模型與坐標(biāo)系

圖2 溢流壩段材料分區(qū)

（2）在基礎(chǔ)弱約束區(qū)：方案2最高溫度較方案1高出5.5℃，方案4最高溫度較方案3高出6.2℃，主要原因是方案2、4基礎(chǔ)弱約束區(qū)未通水冷卻。方案3最高溫度較方案1高出1.5℃，方案4最高溫度較方案2高出2.2℃，主要原因是方案3、4比方案1、2在基礎(chǔ)弱約束區(qū)的澆筑溫度高3℃。

（3）長間歇面影響區(qū)碾壓混凝土：方案3、4比方案1、2最高溫度高出1.6℃，主要原因是方案3、4比方案1、2在長間歇面影響區(qū)碾壓混凝土澆筑溫度高2℃。

（4）非約束區(qū)常態(tài)混凝土：方案1、2最高溫度為49.6℃，方案3、4最高溫度為51.1℃，最高溫度均出現(xiàn)在高程163.5m處的溢流面常態(tài)混凝土中部。該部位常態(tài)混凝土澆筑時間為2011年4月27日，外界環(huán)境溫度較高（4月平均溫度29.1℃），該區(qū)域常態(tài)混凝土的最終絕熱溫升為23.7℃，且發(fā)熱速度較快，故而溫度最高。方案3、4比方案1、2最高溫度高出1.5℃，主要原因是方案3、4比方案1、2在非約束區(qū)常態(tài)混凝土澆筑溫度高2℃。

5 應(yīng)力場仿真計算成果分析

四個方案壩體不同區(qū)域最大溫度應(yīng)力見表5，除長間歇面外其余部位最大溫度應(yīng)力均出現(xiàn)在運(yùn)行期。

由表5可以看出：

（1）在基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)碾壓混凝土中，由于方案3、4基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)碾壓混凝土澆筑溫度較高（28.0℃），最大溫度應(yīng)力均超過RⅢ碾壓混凝土的允許抗裂應(yīng)力（360天齡期的允許抗裂應(yīng)力為1.35MPa），不滿足混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范要求，方案1、2最大溫度應(yīng)力均小于該部位碾壓混凝土的允許抗裂應(yīng)力。

（2）在基礎(chǔ)弱約束區(qū)碾壓混凝土中，由于方案2、4基礎(chǔ)弱約束區(qū)碾壓混凝土澆筑時未通水冷卻，最大溫度應(yīng)力均超過RⅡ碾壓混凝土的允許抗裂應(yīng)力（360天齡期的允許抗裂應(yīng)力為1.27MPa），不滿足混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范要求，方案1、3最大溫度應(yīng)力均小于該部位碾壓混凝土的允許抗裂應(yīng)力。

（3）非約束區(qū)碾壓混凝土中，各方案的最大溫度應(yīng)力均小于該區(qū)域RⅠ碾壓混凝土的允許抗裂應(yīng)力（360天齡期的允許抗裂應(yīng)力為1.20MPa）。

（4）非約束區(qū)常態(tài)混凝土中，各方案的最大溫度應(yīng)力均小于該區(qū)域CⅠ常態(tài)混凝土的允許抗裂應(yīng)力（360天齡期的允許抗裂應(yīng)力為1.80MPa）。

（5）壩段在119m高程度汛停止混凝土施工，造成長間歇面。長間歇面附近溫度應(yīng)力較大，尤其是長間歇面度汛冷擊產(chǎn)生很大拉應(yīng)力，各方案度汛時最大溫度應(yīng)力達(dá)到 1.26MPa～1.44MPa。

表3 計算方案

表4 各方案不同區(qū)域最高溫度 單位：℃

表5 各方案最大溫度應(yīng)力 單位：MPa

6 結(jié)語

（1）溢流壩段方案1基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土澆筑溫度為25.0℃，非約束區(qū)混凝土澆筑溫度為28.0℃。混凝土澆筑后通河水冷卻，通水時間為20天。冷卻水管間距為1.5m×1.5m，通水流量為1.0m3/h，冷卻水管長度為250m。經(jīng)計算分析，溢流壩段采用上述澆筑溫度和溫控措施，各部位溫度應(yīng)力均在允許抗裂應(yīng)力范圍內(nèi)，滿足混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范要求，而其余各方案均不滿足混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范要求，故溢流壩段方案1為推薦方案。

（2）非約束區(qū)碾壓混凝土和常態(tài)混凝土中，各方案的最大溫度應(yīng)力均小于該區(qū)域混凝土的允許抗裂應(yīng)力，為節(jié)省工程投資，非約束區(qū)碾壓混凝土和常態(tài)混凝土的澆筑溫度可采用30℃。

[1]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，1999.

[2]張國新.碾壓混凝土壩的溫度控制[J].水利水電技術(shù)，2007.38（6）：41～46.

[3]李守義，張金凱，張曉飛.碾壓混凝土壩溫度應(yīng)力仿真計算研究［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

[4]張曉飛，李守義，陳堯隆.碾壓混凝土拱壩溫度場計算的浮動網(wǎng)格法[J].土木工程學(xué)報，2006.2：126～129.