寒冷干旱地區(qū)高碾壓混凝土壩溫度及溫度應(yīng)力場(chǎng)時(shí)空分布規(guī)律研究

孫啟冀，侍克斌，張磊

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052）

寒冷干旱地區(qū)，夏季炎熱干旱，冬季漫長(zhǎng)寒冷。一方面較低的年平均溫度（5℃左右），造成了較低的壩體穩(wěn)定溫度場(chǎng)，使得壩體基礎(chǔ)溫差亦較大，增大了壩體深層裂縫和貫穿性裂縫產(chǎn)生的可能性。另一方面較大的年氣溫變幅（可達(dá)40℃以上）和強(qiáng)烈且頻發(fā)的寒潮（全年各月都有發(fā)生），都極易引起表面裂縫。由于以上不利的氣候條件，以及壩體結(jié)構(gòu)型式、施工方法和溫控措施與一般地區(qū)的混凝土壩不同，使得在寒冷干旱地區(qū)修建的碾壓混凝土壩在溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力場(chǎng)時(shí)空分布規(guī)律方面具有獨(dú)特的特點(diǎn)，因此有必要深入研究。

1 計(jì)算原理

1.1 大壩溫度場(chǎng)分析原理

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，大壩溫度場(chǎng)T（x，y，z，τ）在其求解域內(nèi)應(yīng)滿足固體熱傳導(dǎo)基本方程：

式中，T為溫度函數(shù)；a為導(dǎo)溫系數(shù)；θ為混凝土的絕熱溫升。

為求出唯一解答，還必須同時(shí)滿足初始條件和邊值條件。

1）初始條件：

2）邊值條件：

第一類邊界條件，大壩表面溫度是時(shí)間的已知函數(shù)，即T（τ）=f（1τ），當(dāng)水庫(kù)蓄水后，與水接觸的壩體表面溫度等于水庫(kù)水溫；

1.2 大壩應(yīng)力場(chǎng)分析原理

采用增量法來(lái)計(jì)算壩體應(yīng)力場(chǎng)，為了計(jì)算的協(xié)調(diào)，應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算的步長(zhǎng)需與溫度場(chǎng)計(jì)算的步長(zhǎng)取值相同，則任意時(shí)段Δτn內(nèi)產(chǎn)生的總的應(yīng)變?cè)隽繛椋?/p>

總的應(yīng)變?cè)隽縶Δεn}可根據(jù)分析的要求由不同的項(xiàng)目組成，一般可由常規(guī)荷載作用引起的彈性應(yīng)變?cè)隽縶Δε}、溫度作用引起的溫度應(yīng)變?cè)隽縶Δε}、混凝土的徐變應(yīng)變?cè)隽縶Δε}、干縮應(yīng)變?cè)隽縶Δε}和自生體積變形增量{Δε}組成，即

加載本計(jì)算時(shí)段內(nèi)溫度、徐變等的單元結(jié)點(diǎn)荷載增量后，進(jìn)行單元集成形成整體剛度矩陣，即可得到整體的平衡方程為：

求解平衡方程后，可得時(shí)段[τn－1，τn]內(nèi)的位移量，由此可求出應(yīng)力增量[Δσn]，于是可得τn時(shí)刻的總應(yīng)力為：

2 仿真計(jì)算的主要過(guò)程

利用ANSYS平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，主要解決混凝土彈性模量隨齡期變化、徐變本構(gòu)模型的嵌入、水管冷卻等問(wèn)題，構(gòu)成較為成熟的大體積混凝土溫度與應(yīng)力全過(guò)程仿真軟件。

首先是建模，生成有限元模型后型進(jìn)行澆注單元組件、散熱面節(jié)點(diǎn)組件的標(biāo)注；之后進(jìn)行溫度場(chǎng)的仿真，邊界條件、荷載和施工條件定義完成后，計(jì)算程序在仿真過(guò)程中可根據(jù)計(jì)算進(jìn)程，自動(dòng)確定混凝土單元的激活、加載氣溫時(shí)程、水溫時(shí)程，散熱面的開(kāi)啟和閉合等；然后是應(yīng)力場(chǎng)的仿真，按照施工過(guò)程進(jìn)行單元激活、加載自重、加載水壓，溫度荷載則由溫度仿真計(jì)算結(jié)果予以賦值；最后進(jìn)入后處理模塊，用戶可方便地得到需要的結(jié)果。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

新疆北部山區(qū)某碾壓混凝土重力壩最大壩高123.5 m。地處西北寒冷干旱地區(qū)，年平均氣溫僅4.46℃，最冷月（1月）月平均最低氣溫為－19.6℃，最熱月（7月）月平均最高氣溫為23.02℃，相差達(dá)42.6℃，并時(shí)有寒潮發(fā)生，溫度應(yīng)力作用突出，溫控防裂難度極大。因此，該壩具有相當(dāng)?shù)牡湫托裕梢院芎玫卮碓诤涓珊档貐^(qū)修建的碾壓混凝土壩的溫度應(yīng)力狀態(tài)。

3.2 計(jì)算條件

大壩每年4月初到10月底為混凝土澆注施工時(shí)間，11月初至下一年3月底因冬季低溫停止?jié)沧⒒炷痢２捎帽油▊}(cāng)（切縫機(jī)造橫縫）方式澆筑碾壓混凝土，0.3 m為一個(gè)碾壓胚層，連續(xù)上升5個(gè)胚層后間歇，計(jì)算中采用1.5 m作為一個(gè)澆筑層。本文重點(diǎn)對(duì)最大壩高壩段（27號(hào)擋水壩段）進(jìn)行了施工期三維仿真分析，計(jì)算模型如圖1所示，具體的計(jì)算條件從略。

圖1 27號(hào)擋水壩段有限元網(wǎng)格圖Fig.1 Finite element meshes of the 27#dam and foundation

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.3.1 溫度場(chǎng)結(jié)果及分析

選取了4個(gè)典型時(shí)刻的溫度場(chǎng)等值線圖（壩段中間截面），見(jiàn)圖2。由圖2（a）、2（c）兩圖可以看出，低溫季在未對(duì)壩體進(jìn)行保溫的情況下，壩體表面附近區(qū)域溫度梯度極大同時(shí)表面溫度極低，最低可達(dá)－18℃，這對(duì)壩體防裂是極為不利的。主要是因?yàn)槎練鉁睾艿停ㄗ畹涂蛇_(dá)－30℃），又未對(duì)壩體進(jìn)行保溫的原因，因此，壩體表面必須采取適當(dāng)?shù)谋卮胧恢劣谑够炷帘砻鏈囟冗^(guò)低。由圖2（b）、2（d）兩圖可以看出，冬歇期后大壩開(kāi)盤時(shí)，混凝土表面溫度很低（局部會(huì)低于0℃），而新澆注的混凝土溫度較高（可達(dá)30℃以上），形成了較大的上下層溫差和內(nèi)表溫差，溫度梯度極大，會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，對(duì)防裂不利，因此要特別注意越冬層面的保溫工作。

圖2 27號(hào)壩段施工過(guò)程溫度場(chǎng)等值線圖（單位：℃）Fig.2 Temperature fields of 27#segment during the construction

3.3.2 應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果及分析

通過(guò)對(duì)27號(hào)壩段溫度應(yīng)力的仿真分析，最明顯的是低溫季節(jié)壩體越冬層上下游部位的鉛直向拉應(yīng)力嚴(yán)重超標(biāo)（具體數(shù)值可見(jiàn)表1），結(jié)果是出現(xiàn)危害性嚴(yán)重的上游水平裂縫。較大的上下層溫差和內(nèi)表溫差是造成較大拉應(yīng)力的主要原因，而通過(guò)表面保溫可降低較大的溫差，所以，應(yīng)采取有效的壩體保溫措施，特別要注意越冬層頂面和棱角部位的保溫，可很大程度地減小拉應(yīng)力值。

表1 27號(hào)壩段越冬層面上下游各時(shí)刻鉛直應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab.1 The vertical stress of the over-w inter layer for 27#segment MPa

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)寒冷干旱地區(qū)典型工程的溫度場(chǎng)、溫度應(yīng)力場(chǎng)時(shí)空分布規(guī)律的研究，可得出以下主要結(jié)論。

1）由于特殊的氣候條件和施工方式，在水壓力、自重、溫度、及混凝土徐變等諸多荷載作用中，由溫度荷載因起的溫度應(yīng)力占主導(dǎo)地位。

2）惡劣的氣候條件、冬季長(zhǎng)停歇式的施工方法和不同的溫控措施，使寒冷干旱地區(qū)碾壓混凝土壩，在越冬層上下游面附近出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3）表面保溫對(duì)削減大壩上下游表面溫度應(yīng)力效果明顯。其中越冬面及上、下游棱角部位的保溫需更加加強(qiáng)，保證越冬面附近混凝土溫度不要降得太低，就可有效削減上下層溫差和內(nèi)外溫差，減小越冬面上、下游鉛直拉應(yīng)力和越冬面頂部水平拉應(yīng)力，對(duì)防止壩體裂縫有很大積極作用。

在寒冷干旱地區(qū)修件碾壓混凝土壩，溫控的關(guān)鍵是通過(guò)合理安排施工進(jìn)度，充分利用低溫季節(jié)（4月、5月、10月）和高溫季節(jié)（6—9月）的低溫時(shí)段（夜間）澆筑混凝土，結(jié)合適當(dāng)?shù)臏乜胤懒汛胧ＷC工程優(yōu)質(zhì)、快速的建成。

[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(guó)電力出版社，1999.

[2] 王成山.嚴(yán)寒地區(qū)碾壓混凝土重力壩溫度應(yīng)力研究與溫控防裂技術(shù)[D].大連:大連理工大學(xué)，2003.

[3] 毛遠(yuǎn)輝.嚴(yán)寒地區(qū)高碾壓混凝土重力壩溫控與防裂研究[D].烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

[4] 毛遠(yuǎn)輝，侍克斌，阿里木江.高碾壓重力壩在嚴(yán)寒地區(qū)施工的溫度應(yīng)力問(wèn)題[J].人民黃河，2008，30（12）:114-115.MAO Yuanhui，SHI Kebin，Alimjiang.Thermal stress study of high rcc dam in cold and arid area[J].Yellow River，2008，30（12）:114-115（in Chinese）.

[5] 孫啟冀.寒冷干旱地區(qū)高碾壓混凝土壩底孔缺口壩段三維有限元應(yīng)力分析與施工工藝研究[D].烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

[6] 唐欣薇，李鵬輝，張楚漢.碾壓混凝土壩溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)全過(guò)程仿真分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2007，24（6）:50-53.TANG Xinwei，LI Penghui，ZHANG Chuhan.Entire process simulation of temperature and stress fields for RCC dams[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2007，24（6）:50-53（in Chinese）.

[7] 孫啟冀，侍克斌，李捷.寒冷干旱地區(qū)高碾壓混凝土壩溫控防裂研究初探[J].混凝土，2013（6）:143-144.SUN Qiji，SHI Kebin，LI Jie.Preliminary study on temperature control and crack prevention of high RCC dam in cold and arid area[J].Concrete，2013（6）:143-144（in Chinese）.

[8] 黃耀英，鄭宏，周宜紅.考慮混凝土齡期及彈塑性徐變的大體積混凝土溫度應(yīng)力研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版，2011，43（2）:22-27.HUANG Yaoying，ZHENG Hong，ZHOU Yihong.Study of thermal stress for mass concrete considering concrete age and elastic-plasticity creep[J].Journal of Sichuan University（Engineering Science Edition），2011，43（2）:22-27（in Chinese）.

[9] ABDALLAH I，HUSEINMALKAWI，SAAD A，et al.Thermal-structure modeling and temperature control of roller compacted concrete gravity dam[J].Journal of Performance of Constructed Facilities，2003（11）:177-187.

[10] 汪強(qiáng)，王進(jìn)廷，金峰.壩體保溫層的等效模擬及保溫效果分析[J].水利水電科技進(jìn)展，2007，27（2）:58-61.WANG Qiang，WANG Jinting，JIN Feng.Equivalent simulation of dam heat insulators and their effect anslysis[J].Advances in Science and Technology of Water Resources，2007，27（2）:58-61（in Chinese）.

[11] 許平，朱伯芳，張國(guó)新.某重力壩溫控仿真計(jì)算及上游面裂縫成因分析[J].水利水電技術(shù)，2004，35（11）:77-80.XU Ping，ZHU Bofang，ZHANG Guoxin.Temperature control simulation and cause analysis on cracks of gravity dam[J].Water Resources and Hydropower Engineering，2004，35（11）:77-80（in Chinese）.