碾壓混凝土拱壩溫度應(yīng)力場仿真研究

張曉飛，顧冬冬，簡　威，丁陸軍

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院， 陜西 西安 710048; 2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 德陽 618000)

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碾壓混凝土拱壩溫度應(yīng)力場仿真研究

張曉飛1，顧冬冬1，簡威1，丁陸軍2

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院， 陜西 西安 710048; 2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 德陽 618000)

拱壩是固結(jié)于基巖的空間殼體結(jié)構(gòu)，體型較為復(fù)雜。針對拱壩易存在的溫度裂縫問題，結(jié)合碾壓混凝土拱壩的施工特點及進度計劃，采用三維有限元浮動網(wǎng)格法進行溫控仿真研究計算。計算結(jié)果表明：在高溫月份控制碾壓部位壩體混凝土的入倉溫度，對不同區(qū)域碾壓的混凝土進行初期、中期和后期冷卻，最大溫差和最大應(yīng)力均可滿足拱壩溫控設(shè)計要求。計算結(jié)果為預(yù)防壩體混凝土開裂提供了重要理論依據(jù)。

碾壓混凝土拱壩；溫度場；溫度應(yīng)力；有限元浮動網(wǎng)格法

碾壓混凝土拱壩是水利工程建設(shè)中最常用的壩型之一，具有施工速度快、機械化程度高、造價低等優(yōu)點[1]。溫度荷載是拱壩設(shè)計中的一項主要荷載。由于拱壩是固結(jié)于基巖的空間殼體結(jié)構(gòu)，壩體結(jié)構(gòu)無法隨溫差的變化而自由伸縮，所以在壩體內(nèi)極易產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，因此對碾壓混凝土拱壩進行溫控仿真研究對預(yù)防壩體開裂具有重要的理論指導(dǎo)意義[2-4]。國外的碾壓混凝土溫度應(yīng)力場研究主要以美國的有限元時間過程法和日本的約束系數(shù)矩陣法為代表，但其計算所得應(yīng)力結(jié)果與實測結(jié)果相差較大。在國內(nèi)，朱伯芳院士提出了并層復(fù)合單元、并層壩塊接縫單元、分區(qū)異步長解法、浮動網(wǎng)格法等[5-8]，減少了計算量，提高了計算速度和效率。本文以某實際工程為例，采用浮動網(wǎng)格法分析了不同溫控措施對壩體溫度應(yīng)力的影響，在保證計算精度和效率的同時提出了合理可靠的溫度控制方案。

1　工程概況

某碾壓混凝土拱壩體型采用拋物線雙曲拱壩，壩頂高程為1 054.7 m，壩底高程978 m，最大壩高76.7 m，壩頂寬7 m，壩底厚20 m，壩底寬高比2.59，厚高比0.26，上游面最大倒懸度0.18，下游面最大倒懸度0.20。該工程總庫容646.45萬m3，工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模為小(1)型。

2　計算原理與方法

在計算域R內(nèi)任意一點，非穩(wěn)定溫度場T(x,y,z,τ)需滿足以下熱傳導(dǎo)方程[9]

(1)

式中：α為導(dǎo)溫系數(shù)；θ為混凝土的絕熱溫升。

應(yīng)力隨時間變化，那么在時段Δτn內(nèi)，總應(yīng)變增量通過下式計算[10-11]：

(2)

3　計算參數(shù)

據(jù)氣象站氣溫統(tǒng)計資料，工程壩址區(qū)1961年—2011年綜合月平均氣溫見表1。

材料分區(qū)：(1) 基礎(chǔ)墊層需滿足強度要求，故選取C20常態(tài)混凝土； (2) 底孔、溢流表孔部位需滿足耐磨、耐沖等要求，故均選取C25常態(tài)混凝土； (3) 壩體上游側(cè)需滿足防滲、防凍等要求，故選取二級配碾壓混凝土材料；壩體內(nèi)部及下游側(cè)需滿足穩(wěn)定、強度等要求，故選取三級配碾壓混凝土材料。各材料熱力學(xué)實驗參數(shù)如表2所示。

表1　1961年—2011年壩址區(qū)多年月平均氣溫

表2　各材料熱力學(xué)實驗參數(shù)

從2015年12月1日開始澆筑底板2.0 m厚常態(tài)混凝土，2015年12月11日至2016年1月10日進行基礎(chǔ)固結(jié)灌漿。碾壓混凝土的開澆時間為2016年1月11日，至2016年4月30日澆筑至1 010.0 m高程。2016年5月至2016年9月因高溫及度汛停止大壩混凝土澆筑。2016年10月1日恢復(fù)碾壓混凝土澆筑，至2017年4月30日，壩體澆筑至設(shè)計高程1 054.7 m。施工計劃見表3。

4　計算模型

采用ANSYS有限元計算軟件，考慮到地基對溫度場和溫度應(yīng)力場的影響，取拱壩整體作為溫控仿真計算模型。坐標(biāo)原點為拱冠梁剖面壩頂中心點，X方向為左右岸方向，指向右岸為正；Y方向為水流方向，向下游為正；Z方向為壩高方向，向上為正。地基與壩體均選取8節(jié)點solid45單元進行網(wǎng)格剖分，壩體與地基整體計算模型共有57 956個單元，拱壩壩體計算模型共有36 737個單元。計算模型見圖1～圖2。

表3　施工計劃

溫度場計算邊界條件的選擇[12-13]：水位以下為固-水邊界,按第一類邊界條件處理。壩體上游面、下游面在水位以上為固-氣邊界，按第三類邊界條件處理。絕熱邊界為地基底面及地基、壩肩的各個側(cè)面。

圖1　整體計算模型圖

圖2壩體計算模型圖

溫度應(yīng)力場計算邊界條件的選擇：X方向約束為整體計算模型的左右岸兩個側(cè)面；Y方向約束為整體計算模型的上下游兩個側(cè)面；地基底面按固定約束處理[14-15]。

5　計算方案

方案1：該方案采取自然入倉且溫度小于18℃。當(dāng)月平均氣溫加2℃小于等于18℃時，澆筑溫度采用月平均氣溫。

方案2：該方案對4月和10月澆筑的大壩混凝土部位采取初期通水冷卻措施，通水溫度為當(dāng)?shù)睾铀疁囟?，通水持續(xù)時間為15 d，大層澆筑完即刻通水；對3月到4月以及10月—11月碾壓的大壩混凝土區(qū)域進行中期通水冷卻；對整個壩體采取后期通水冷卻措施。澆筑溫度與方案1相同。

6　溫度場計算結(jié)果分析

方案1和方案2施工期2016年6月01日拱冠梁中心剖面溫度云圖如圖3和圖4所示，方案1和方案2溫度場計算結(jié)果對比見表4。

圖3　方案1施工期2016年6月01日拱冠梁剖面溫度云圖(單位：℃)

圖4方案2施工期2016年6月01日拱冠梁剖面溫度云圖(單位：℃)

表4　方案1和方案2溫度場計算結(jié)果對比表

從溫度場計算成果可以看出：

(1) 在強約束區(qū)碾壓混凝土(高程978.0 m～992.0 m)范圍內(nèi)，方案1和方案2最高溫度均為25.19℃，小于該部位的容許溫度28.0℃。

(2) 在弱約束區(qū)碾壓混凝土(高程992.0 m～906.0 m)范圍內(nèi)，方案1最高溫度為33.9℃，大于容許最高溫度30.5℃。方案2最高溫度為29.9℃，小于容許最高溫度30.5℃。

(3) 在非約束區(qū)碾壓混凝土(高程906.0 m～954.7.0 m)范圍內(nèi)，方案1最高溫度為34.1℃，方案2最高溫度為30.01℃。方案2最高溫度比方案1低4.09℃，主要是方案2對4月和10月澆筑的部位采取了初期通水措施，有效降低了壩體內(nèi)部最高溫度。

7　應(yīng)力場計算結(jié)果分析

拱壩拱冠梁剖面方案1、方案2碾壓混凝土溫度應(yīng)力最大值見表5。

表5　方案1、方案2碾壓混凝土溫度應(yīng)力最大值表

從溫度應(yīng)力場計算成果分析得出：

(1) 碾壓混凝土的最大應(yīng)力出現(xiàn)在長間歇面1 010 m高程附近。壩體表面最大應(yīng)力出現(xiàn)在低溫季節(jié)2017年2月1日，壩體內(nèi)部最大應(yīng)力出現(xiàn)在高溫季節(jié)2017年8月1日，壩體應(yīng)力符合一般分布規(guī)律。

(2) 方案1碾壓表面混凝土最大應(yīng)力為1.48 MPa，碾壓內(nèi)部混凝土最大應(yīng)力為0.87 MPa；方案2碾壓表面混凝土最大應(yīng)力為1.35 MPa，碾壓內(nèi)部混凝土最大應(yīng)力為0.85 MPa；方案2壩體表面的最大溫度應(yīng)力比方案1減小0.13 MPa，壩體內(nèi)部的最大溫度應(yīng)力比方案1減小0.02 MPa。

(3) 方案2采取了控制澆筑溫度和通水冷卻兩種溫控措施，計算得出的最大溫度應(yīng)力值均有所減小，故方案2為碾壓混凝土拱壩溫控推薦方案。

8　結(jié)　語

(1) 對方案1、方案2溫控仿真計算結(jié)果對比分析可以得出：控制高溫月份碾壓混凝土的澆筑溫度，且對不同碾壓部位的混凝土進行通水冷卻，最高溫度和最大應(yīng)力均可滿足溫控設(shè)計要求。

(2) 通水冷卻是降低壩體內(nèi)部最高溫度值的有效措施之一,水管仿真模擬時對通水冷卻效果進行了簡化，忽略了水管水溫變化以及混凝土表面散熱的影響，不符合具體工程實際。因此建立合理的冷卻水管仿真計算模型是接下來需要解決的重點難題。

(3) 溫控措施設(shè)計除了要能滿足規(guī)范要求，還應(yīng)考慮工程造價，因此在提出溫控措施要求的同時還需用工程造價進行優(yōu)化方案的比選。

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Simulation of Roller Compacted Concrete Arch Dam Temperature Stress Field

ZHANG Xiaofei1, GU Dongdong1, JIAN Wei1, DING Lujun2

(1.FacultyofWaterResourcesandHydraulicPower,Xi'anUniversityofTechnology,Xi'an,Shaanxi710048,China；2.SichuanCollegeofArchitecturalTechnology,Deyang,Sichuan618000,China)

Arch dam is a space shell structure which is consolidated on the foundation, its shape is more complicated. In consideration of the temperature cracking of a roller compacted concrete (RCC) arch dam, we have adopted the three-dimensional finite element calculation in the process of temperature and stress field simulation and simulated the concrete dam construction process and feature of temperature and stress field simulation. This results are as follows: for the site of pouring in hot season, the pouring temperature should be controlled. Meanwhile, cool the concrete in different regions at early, medium and late term respectively, with the maximum temperature and stress meeting the design specifications of temperature control of arch dam. This research can provide significant foundation for the prevention of concrete cracking.

roller compacted concrete gravity dam; temperature field; temperature stress; three-dimensional finite element method

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.019

2016-01-01

2016-02-20

國家自然科學(xué)基金項目(51479168)；四川省科技計劃項目(2015JY0035)

顧冬冬(1992—)，男，江蘇邳州人，碩士研究生，研究方向為拱壩溫度應(yīng)力場仿真計算與分析。 E-mail: 635922404@qq.com

TV642.4

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1672—1144(2016)04—0093—04