某水電站拱壩溫控防裂研究

徐 巖，任建欽，趙立旺，艾明明

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司科學(xué)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130061）

0 引言

混凝土壩的裂縫是一個(gè)帶有普遍性的問題,因此有“無壩不裂”的說法[1]。國(guó)際國(guó)內(nèi)都有不少施工期或運(yùn)行期出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫，不得不停工處理的例子。有的大壩因?yàn)榱芽p嚴(yán)重影響安全和正常使用，甚至報(bào)廢[2]。在大壩裂縫事故中，除少數(shù)裂縫是因結(jié)構(gòu)不合理或地基不均勻沉降引起之外，大部分是由溫度應(yīng)力引起[3]，尤其是施工期內(nèi)的裂縫,更是如此。

某水電站大壩為雙曲薄拱壩，拱冠斷面底寬約15.14 m，澆筑塊最大底寬23.11 m。根據(jù)以往同類工程的經(jīng)驗(yàn)，混凝土拱壩的溫控防裂問題是水工結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域中的一個(gè)不容忽視的問題。為此，本文利用ANSYS大型通用有限元軟件自帶的ADPL二次開發(fā)功能，開發(fā)了能正確模擬各種復(fù)雜影響因素和初始邊界條件的拱壩施工期溫度場(chǎng)和徐變應(yīng)力場(chǎng)的程序，以該拱壩為對(duì)象，研究其溫控防裂措施。

1 ANSYS程序設(shè)計(jì)

壩體混凝土在分層澆筑的過程中體形不斷變化，計(jì)算時(shí)可用單元生死來模擬這一過程。首先將分析類型設(shè)置成熱分析，選擇熱單元類型，激活第一層澆筑混凝土單元，施加邊界條件及水化熱，進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，這樣依次循環(huán)，直至壩體澆筑完畢，流程如圖1。其次，溫度場(chǎng)計(jì)算完畢后，將熱單元類型轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)單元，設(shè)定單元材料特性，施加邊界條件，讀入上述熱分析結(jié)果作為溫度荷載，進(jìn)行熱-應(yīng)力耦合場(chǎng)分析，這樣依次循環(huán)，直至壩體澆筑完畢，流程如圖2。

圖1 壩體溫度場(chǎng)計(jì)算流程圖

2 計(jì)算基本情況

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)溫控計(jì)算的有限元法原理和方法，建立可同時(shí)滿足溫度、應(yīng)力兩場(chǎng)耦合的計(jì)算模型。坐標(biāo)系定義為：X軸為橫河向，沿壩軸線由左岸水平指向右岸；Y軸為順河向，由下游水平指向上游，且與壩軸線垂直；Z軸為鉛直向上。采用六面體八節(jié)點(diǎn)等參單元，對(duì)于每一澆筑層，層厚方向分2層單元，拱壩厚度方向分5個(gè)單元，壩軸線方向每個(gè)壩段分5個(gè)單元。壩體模型劃分17435個(gè)單元。溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)單元類型采用SOLID70，應(yīng)力場(chǎng)分析時(shí)，將熱單元類型轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元SOLID45。

圖2 壩體徐變應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算流程圖

2.2 基本材料參數(shù)

該壩址區(qū)多年平均氣溫18.5℃，極端最高氣溫42.9℃，極端最低氣溫-4.0℃。根據(jù)多年月平均氣溫回歸方程為：

壩體混凝土以C20和C25為主。C20導(dǎo)溫系數(shù)為 0.003 m2/h，導(dǎo)熱系數(shù)為 6.35 kJ/（m·h·℃），比熱為 0.85 kJ/（kg·℃），容重為 24.2 kN/m3，線膨脹系數(shù)為5.2×10-6/℃，絕熱溫升為θn=29.78 t/2.58+t，彈模 E=39.2（1-e-0.22τ0.067），泊松比 0.167。C25導(dǎo)溫系數(shù)為0.0032 m2/h，導(dǎo)熱系數(shù)6.94 kJ/（m·h·℃），比熱 0.87 kJ/（kg·℃），容重 24 kN/m3，線膨脹系數(shù)5.6×10-6/℃，絕熱溫升θn=38.82 t/7.2+t，彈模 E=41.2（1-e-0.2τ0.7），泊松比0.167。基巖容重 26.6 kN/m3，彈模 30 GPa，泊松比 0.21。計(jì)算時(shí)C20和C25混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度控制為1.6 MPa。

2.3 計(jì)算工況

施工期溫控措施共設(shè)計(jì)8種工況，具體如下：

工況1不采取任何溫控措施；工況2采取降低入倉溫度，各月入倉溫度見表1；工況3采取降低入倉溫度，各月入倉溫度見表1。

工況4采取降低入倉溫度（同工況2）和保溫措施。保溫措施：1～8澆筑層的上下游面和頂面采用10 cm厚的聚苯乙烯泡沫板進(jìn)行保溫，26～45澆筑層的上下游面采用5 cm厚的聚苯乙烯泡沫板進(jìn)行保溫，頂面采用10 cm厚的聚苯乙烯泡沫板進(jìn)行保溫。

工況5采取降低入倉溫度（同工況3）和保溫措施。保溫措施：1～9澆筑層的上下游面采用10 cm厚的聚苯乙烯泡沫板進(jìn)行保溫，頂面采用5 cm厚的稻草簾進(jìn)行保溫和養(yǎng)護(hù)；10～24澆筑層頂面采用1 cm厚的稻草簾進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)；25～45澆筑層的上下游面采用5 cm厚的聚苯乙烯泡沫板進(jìn)行保溫，頂面采用5 cm厚的稻草簾進(jìn)行保溫和養(yǎng)護(hù)；46～48澆筑層頂面采用1 cm厚的稻草簾進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。

工況6采取降低入倉溫度（同工況2）、保溫措施（同工況4）和通水冷卻措施。通水冷卻措施：基礎(chǔ)約束區(qū)和岸坡約束區(qū)水管布置間距為1.5 m×1.5 m，其他部位均采用3.0 m×1.5 m，通水流量為18.75 L/min，1～2澆筑層初期通水冷卻 10 d，其他各澆筑層通水冷卻15 d。

工況7采取降低入倉溫度（同工況2）、保溫措施（同工況4）和通水冷卻措施。通水冷卻措施：水管布置間距均為1.5 m×1.5 m，每層澆筑混凝土的通水時(shí)間為10 d，通水流量為18.75 L/min。

工況6采取降低入倉溫度（同工況3）、保溫措施（同工況5）和通水冷卻措施（同工況6）。

表1 各月入倉溫度 ℃

3 結(jié)果分析

3.1 各工況溫度場(chǎng)分析

各工況澆筑層最高溫度沿高程分布曲線如圖3?？梢钥闯?，254～266 m高程范圍內(nèi)，隨著高程的增加，各層混凝土最高溫度不斷增大，說明基巖地溫對(duì)底層混凝土最高溫度影響較大，且隨著高程的增大，基巖地溫對(duì)其影響逐漸減弱。其中工況1平均最高溫度最大；工況3平均最高溫度最小。266～334 m高程范圍內(nèi)，各層最高溫度相對(duì)較大，其中工況1平均最高溫度最大，最高溫度為64.5℃；工況8平均最高溫度最小，最高溫度為39.8℃。334～394 m高程范圍內(nèi)，各層混凝土最高溫度較為穩(wěn)定。其中工況4平均最高溫度最大，最高溫度為39.7℃；工況3平均最高溫度最小，最高溫度為32.3℃?？傮w而言，工況8所采取的措施對(duì)于降低混凝土溫度最為有利，工況1最為不利。

圖3 各工況澆筑層沿高程最高溫度分布曲線

3.2 工況應(yīng)力場(chǎng)分析

以壩體下游面為例，各工況澆筑層下游面點(diǎn)最大應(yīng)力分布曲線如圖4。可以看出，各工況下游面點(diǎn)最大拉應(yīng)力相對(duì)較大,而且隨著高程的增加，應(yīng)力波動(dòng)較大。對(duì)于工況1、工況2和工況3，由于僅采取降低底入倉溫度而沒有采取保溫措施，下游面最大應(yīng)力達(dá)到1.98 MPa，超過混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度（1.6 MPa），有發(fā)生裂縫的可能。對(duì)于工況4和工況5，雖采取了不同的保溫措施，但下游面點(diǎn)應(yīng)力還是較大，也不同程度的超過混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，相對(duì)而言工況5的保溫效果較好。工況6，255～263 m高程范圍內(nèi)下游面應(yīng)力較大，超過混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度（1.6 MPa）。工況7和工況8下游面應(yīng)力均未超過混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度。

4 結(jié)論

1）本文利用ANSYS軟件平臺(tái)，開發(fā)的溫控計(jì)算程序，計(jì)算復(fù)雜的大壩溫度應(yīng)力仿真問題，不僅可行，而且效果較好。

2）各工況計(jì)算結(jié)果表明，不采取任何溫控措施的條件下，最高溫度為64.5℃，最大拉應(yīng)力2.85 MPa；采取降低入倉溫度、保溫和冷卻通水措施下，最高溫度為39.8℃，最大拉應(yīng)力1.59 MPa。說明工況8方案采取的溫控措施效果較好。

3）施工期，11月到翌年3月混凝土采用自然溫度入倉，4月至10月入倉溫度控制為不大于14℃。

圖4 各工況各澆筑層下游面最大應(yīng)力分布曲線

4）對(duì)于新澆混凝土，冬季，上下游面采用10 cm厚的聚苯乙烯泡沫板進(jìn)行保溫，頂面采用5 cm厚的稻草簾進(jìn)行保溫和養(yǎng)護(hù)。夏季，頂面采用1 cm厚的稻草簾進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)；對(duì)于“老”混凝土，冬季，上下游面采用5 cm厚的聚苯乙烯泡沫板進(jìn)行保溫，頂面采用5 cm厚的稻草簾進(jìn)行保溫和養(yǎng)護(hù)。夏季，頂面采用1 cm厚的稻草簾進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。

5）采用通水冷卻措施時(shí)，建議在基礎(chǔ)約束區(qū)和岸坡約束區(qū)水管布置間距為1.5 m×1.5 m，其他部位采用3.0 m×1.5 m，冷卻水管采用φ32 mm聚乙烯塑料管（PE管），在壩內(nèi)按蛇行布置。

6）一期冷卻通水流量不應(yīng)小于18.75 L/min，以使管內(nèi)產(chǎn)生紊流，這樣水體與管壁的熱交換更充分，冷卻效果也更好。冷卻水溫不應(yīng)高于11℃，通水時(shí)間不應(yīng)少于15 d，在混凝土澆筑的初期，最好每12 h改變一次水流方向，盡可能降低各個(gè)斷面上的壩體混凝土的水化熱溫升，3 d以后可每一天改變一次流向，直至通水結(jié)束。二期冷卻通水，對(duì)于253～360 m高程混凝土壩體，用11℃河水先進(jìn)行不少于8 d的悶溫，再用6℃制冷水冷卻至少56 d；對(duì)于360～394 m高程混凝土壩體，用16℃河水先進(jìn)行不少于10 d的悶溫，再用6℃制冷水冷卻至少45 d，通水方向每24 h互換一次。

［1］朱伯芳，許平.加強(qiáng)混凝土壩面保護(hù)盡快結(jié)束“無壩不裂”的歷史［J］.水力發(fā)電，2004，30（3）.

［2］汝乃華，姜忠勝.大壩事故與安全—拱壩［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1995.

［3］陳宗卿.普定水電站碾壓混凝土拱壩裂縫成因探討［J］.水力發(fā)電，2000（1）.