雙峰寺水庫(kù)碾壓混凝土壩溫度場(chǎng)仿真計(jì)算

王鐵強(qiáng)

摘要：雙峰寺水庫(kù)大壩地處河北省承德市，屬于嚴(yán)寒地帶，冰凍期長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月。溫度裂縫為影響碾壓混凝土大壩安全及穩(wěn)定性能的主要因素。利用有限單元程序ANSYS通用平臺(tái)，編制了ANSYS溫度場(chǎng)仿真分析命令流，對(duì)雙峰寺水庫(kù)大壩典型壩段溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)澆筑期溫度分布做了分析研究。

關(guān)鍵詞：碾壓混凝土；溫度場(chǎng)；仿真分析；ANSYS軟件

中圖分類號(hào)：TV315文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

16721683（2015）002005004

碾壓混凝土壩具有水泥用量少、低水化熱溫升的優(yōu)點(diǎn)，而在施工過(guò)程中其采用通倉(cāng)薄層澆筑、連續(xù)上升的澆筑方式，因此壩體的最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間比較晚，降溫過(guò)程緩慢，影響時(shí)間長(zhǎng)。而雙峰寺水庫(kù)大壩位于嚴(yán)寒地區(qū)，日氣溫早晚溫差大、年氣溫變化大，氣候惡劣，因此溫度控制對(duì)其裂縫的控制有重要意義。因此對(duì)于承德市雙峰寺水庫(kù)碾壓混凝土大壩，其溫度場(chǎng)的研究對(duì)壩體穩(wěn)定及安全是一個(gè)重要的課題。

目前國(guó)內(nèi)外溫度場(chǎng)的計(jì)算方法使用最多的是有限單元法。其適用于施工情況復(fù)雜、外型不規(guī)則等工程。本文研究編寫了ANSYS有限元溫度場(chǎng)仿真命令流，對(duì)雙峰寺水庫(kù)大壩典型壩段的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，并得出了澆筑期溫度場(chǎng)的分布規(guī)律。

1工程概況

雙峰寺水庫(kù)位于灤河一級(jí)支流武烈河干流上，壩址位于承德市雙峰寺鎮(zhèn)小廟子村附近，距下游承德市區(qū)約12 km，水庫(kù)總庫(kù)容1.373億m3，是一座以防洪為主，結(jié)合城市供水，兼顧發(fā)電和生態(tài)環(huán)境供水等綜合利用的大（Ⅱ）型水利樞紐工程。工程實(shí)施后，通過(guò)水庫(kù)削峰控制泄量，使承德市區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)由20年一遇提高到100年一遇，多年平均為承德市提供水量5 200萬(wàn)m3，同時(shí)為避暑山莊湖區(qū)和城市環(huán)境景觀補(bǔ)水，結(jié)合水庫(kù)放水發(fā)電，多年平均發(fā)電量408.6萬(wàn)kW·h。

水庫(kù)壩址控制流域面積2 303 km2，占武烈河流域面積的89.3%。流域多年平均年降水量為537.2 mm，70%～80%集中在汛期6月-9月份。壩址多年平均流量6.34 m3/s，多年平均徑流量2.0億m3，歷史調(diào)查最大流量4 500 m3/s，實(shí)測(cè)最大流量為2 580 m3/s。水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)2000年一遇，死水位382.0 m，汛期水位387 m，正常蓄水位3890 m，設(shè)計(jì)洪水位392.5 m，校核洪水位395.11 m。水庫(kù)死庫(kù)容0.34億m3，興利庫(kù)容0.45億m3，防洪庫(kù)容0.47億m3。

本樞紐工程主要包括攔河壩和電站，工程等別為II等，其主要建筑物攔河壩、泄水建筑物及供水、發(fā)電引水建筑物為2級(jí)，電站廠房為3級(jí)，底孔消力池和下游防護(hù)工程等次要建筑物為3級(jí)。攔河壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)被100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇；電站廠房設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇；電站廠房設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)200年一遇；底孔消力池設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，消力池左邊墻校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用200年一遇；下游防護(hù)工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇。壩址區(qū)地震基本烈度為VI度，建筑物地震設(shè)計(jì)烈度為6度。

本工程主要工程量包括碾壓混凝土56.22萬(wàn)m3，其中碾壓混凝土38.08萬(wàn)m3，常態(tài)混凝土13.72萬(wàn)m3，變態(tài)混凝土4.47萬(wàn)m3；土石方開(kāi)挖96.74萬(wàn)m3（含圍堰拆除開(kāi)挖量），其中土方開(kāi)挖8.63萬(wàn)m3，砂卵石開(kāi)挖48.78萬(wàn)m3，石方明挖39.09萬(wàn)m3，石方洞挖300 m3；土石方填筑43.26萬(wàn)m3（含圍堰填筑）；鋼筋制安4 820.4t；漿砌石6 792 m3；干砌石5 726 m3等。

2計(jì)算基本資料

2.1水文與氣象資料

工程區(qū)處于暖溫帶和寒溫帶過(guò)渡地帶，屬大陸性燕山山地氣候，春季干旱少雨，天氣多變；夏季高溫多雨，多雷雨天氣；秋季天高氣爽，晝暖夜涼；冬季干燥少雪，天氣寒冷。春夏季多西南風(fēng)，冬季多西北風(fēng)。全年最大風(fēng)速15～20 m/s，年平均氣溫8.9 ℃，極端最高氣溫41.5 ℃，極端最低氣溫-29.5 ℃。壩址區(qū)多年月平均氣溫見(jiàn)表1。全年無(wú)霜期110～

170 d。封凍期最長(zhǎng)89 d，最早封凍日期11月28日，最厚凍土深度1.26 m，最大河心冰厚0.96 m。

多年平均水面蒸發(fā)量約為1 000 mm，多年平均路面蒸發(fā)量為420～440 mm。武烈河流域多年平均年降水量為537.2 mm。降水量年際變化較大，年內(nèi)分配極不均勻，70%～80%集中在汛期6月-9月。壩址區(qū)多年月平均氣溫見(jiàn)表1，壩址旬平均氣溫資料統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

為了考慮氣溫對(duì)混凝土溫度場(chǎng)的影響，將多年月平均氣溫?cái)M合成一條余弦曲線公式（1），通過(guò)ANSYS熱分析邊界條件施加氣溫邊界。

Ta=9.48+15.7×cos[π[]6（r-6.0）]（1）

2.2水溫

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，壩址區(qū)多年平均水溫見(jiàn)表3。

2.3材料參數(shù)

（1）熱學(xué)參數(shù)。

碾壓混凝土的各項(xiàng)熱學(xué)參數(shù)如混凝土導(dǎo)溫系數(shù)α、導(dǎo)熱系數(shù)λ、比熱c、熱膨脹系數(shù)α、混凝土表面放熱系數(shù)β、混凝土絕熱溫升由室內(nèi)試驗(yàn)獲得。

雙峰寺水庫(kù)大壩壩體碾壓混凝土采用的配合比見(jiàn)表4，混凝土各項(xiàng)熱學(xué)參數(shù)如下：導(dǎo)熱系數(shù)：λ=9.12 kJ/（m·h·℃）。比熱： c=0.88 kJ/（kg·℃）。密度：ρ=2 417.7 kg/m3。導(dǎo)溫系數(shù)：α=λ[]cρ=4.288×103 m2/h?；炷帘砻嬖诳諝庵蟹艧嵯禂?shù)取42 kJ/（m2·h·℃）。絕熱溫升：Q（t）=13.5 t[]5.57+t

（2）混凝土力學(xué)參數(shù)。

3有限元模型的建立與計(jì)算方案的選取

碾壓混凝土大壩的澆筑層，其有限元模型的建立是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，為了后續(xù)的有限元模型的網(wǎng)格剖分和減少計(jì)算量，本文取澆筑塊體強(qiáng)約束區(qū)頂面作為建模的基準(zhǔn)面。首先建立混凝土結(jié)構(gòu)模型，再通過(guò)坐標(biāo)平面的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)來(lái)簡(jiǎn)歷地基模型。選取X向設(shè)置為壩體上下游方向，Y向正向豎直向上，Z向平行于壩體。整個(gè)模型地基計(jì)算范圍上下游延伸15 m，地基取18 m。endprint

網(wǎng)格剖分時(shí)， 為了保證計(jì)算精度且減少計(jì)算量，本文采用了六面體映射網(wǎng)格劃分的方法，其中典型塊體的X向劃分為15份，Y向都劃分為18份，混凝土和地基均采用solid70單元，其中混凝土典型澆筑體單元總數(shù)3 134個(gè)，地基單元總數(shù)2 310個(gè)，整個(gè)仿真模型的單元總數(shù)為5 444個(gè)，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為5 936個(gè)。其有限元模型見(jiàn)圖1-圖4。

為了準(zhǔn)確模擬承德市雙峰寺水庫(kù)大壩碾壓混凝土結(jié)構(gòu)分層分塊澆筑的施工過(guò)程，在仿真程序中響因素有機(jī)結(jié)合在一起并實(shí)時(shí)的進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。計(jì)算中壩體澆筑層為17層，層厚3 m對(duì)其進(jìn)行模擬。地基四個(gè)側(cè)面取為絕熱邊界條件。在仿真計(jì)算中將混凝土與空氣接觸的面在在仿真計(jì)算中設(shè)置為第三類邊界條件。

4雙峰寺水庫(kù)大壩計(jì)算結(jié)果分析

整個(gè)有限元模型采用瞬態(tài)分析方法，每4 d設(shè)置一個(gè)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)?？紤]到整個(gè)模型求解時(shí)間和計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，本文只輸出了澆筑第4 d、第8 d、第12 d、第16 d、第32 d澆筑層的溫度場(chǎng)云圖見(jiàn)圖5-圖9。

從圖5至9可以看出，隨著碾壓混凝土的澆筑，澆筑層的溫度由內(nèi)部到外部溫度逐漸降低，壩體換外部溫度等于周圍環(huán)境溫度，澆筑中心由于水化熱的產(chǎn)生且不容易散發(fā)，溫度最高，對(duì)壩體的穩(wěn)定和防滲性能影響較大，因此在碾壓混凝土澆筑過(guò)程中應(yīng)做好溫控工作同時(shí)優(yōu)化碾壓混凝土配合比，避免產(chǎn)生溫度裂縫及貫穿性裂縫。

由于各層澆筑塊體在澆筑期內(nèi)表層與大氣接觸，混凝土水化作用產(chǎn)生的一部分熱量散發(fā)至空氣中。受上述因素的影響，混凝土澆筑體內(nèi)部與散熱表層之間也呈現(xiàn)出一個(gè)明顯的溫度梯度，為了合理控制好該部分的溫差，必要時(shí)其接觸表面應(yīng)該采取一定的保溫措施。混凝土澆筑塊體與基巖接觸面屬于第四類邊界條件，澆筑塊體一部分水化熱量是通過(guò)該邊界傳遞給基巖。

從圖中可以看出當(dāng)整個(gè)塊體混凝土澆筑完畢后，混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)漸趨于一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)。到仿真計(jì)算時(shí)間結(jié)束即第72 d時(shí)，混凝土塊體的最高溫度出現(xiàn)在其內(nèi)部，其最高溫度為47 ℃，溫度較壩體表面溫度高20 ℃，說(shuō)明碾壓混凝土澆筑過(guò)程中水化熱溫升不可忽視，該澆筑層處于6月份，初始溫度定為18 ℃，該工程位于河北省承德市雙峰寺水庫(kù)，年平均氣溫較低，每年11月-次年4月溫度均在零下，因此碾壓混凝土壩內(nèi)外溫差較大，應(yīng)做好保溫措施和壩體冷卻措施。

以上分析了施工期混凝土的溫度場(chǎng)云圖分布規(guī)律，本文選取了兩個(gè)不同位置的結(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，輸出了其溫度時(shí)間歷程曲線見(jiàn)圖10、圖11。

可以看出，結(jié)點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線在整個(gè)仿真期內(nèi)也即澆筑期內(nèi)都有一定的波動(dòng)，溫度先上升后下降，其溫度最高可達(dá)70 ℃仿真期結(jié)束時(shí)溫度趨于平穩(wěn)為18 ℃。

5論結(jié)

（1）嚴(yán)寒地區(qū)碾壓混凝土溫度場(chǎng)分布為在其澆筑過(guò)程中其內(nèi)部溫度梯度高，且降溫速度快，最終穩(wěn)定溫度場(chǎng)的形成需要很長(zhǎng)時(shí)間。

（2）碾壓混凝土壩體內(nèi)最高溫度場(chǎng)受外界環(huán)境溫度的影響較大，而壩內(nèi)溫度則需要自身降溫。

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