新疆沖乎爾碾壓混凝土重力壩底孔溫控仿真分析

李秀琳，夏世法，孫粵琳

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 材料結(jié)構(gòu)研究所，北京 100038； 2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

新疆沖乎爾碾壓混凝土重力壩底孔溫控仿真分析

李秀琳1，2，夏世法1，2，孫粵琳1，2

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 材料結(jié)構(gòu)研究所，北京 100038； 2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

地處高寒地區(qū)的沖乎爾碾壓混凝土重力壩運(yùn)行后多個(gè)部位出現(xiàn)滲水，壩體存在多處裂縫。本文以底孔壩段為例進(jìn)行溫控仿真分析，模擬碾壓混凝土壩施工過(guò)程、混凝土分區(qū)、外界氣溫和溫控措施等，得出大壩溫度和應(yīng)力的變化過(guò)程及規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明底孔壩段存在多處溫度應(yīng)力超標(biāo)現(xiàn)象。

沖乎爾；碾壓混凝土；重力壩；底孔；溫控

1 研究背景

新疆沖乎爾碾壓混凝土壩位于新疆阿勒泰地區(qū)，是一座以發(fā)電為主要任務(wù)，兼有灌溉、供水效益的中型水電樞紐工程。擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程756.0 m，最大壩高75 m，頂寬8 m，大壩共分為29個(gè)壩段。左岸河床6#—9#壩段為發(fā)電引水壩段，每個(gè)壩段寬15.5 m，采用壩后式廠房，壓力鋼管為壩后背管；河床中部12#壩段為溢流表孔壩段，寬19.0 m；右岸階地16#壩段為泄洪底孔壩段，寬23.0 m；其余均為碾壓混凝土擋水壩段，各壩段寬度15.0～20.0 m。大壩正常蓄水位755.0 m，死水位738.0 m。水庫(kù)總庫(kù)容0.84×108m3。大壩地處我國(guó)西北高寒地區(qū)，多年平均氣溫僅為2.6℃，極端最高氣溫達(dá)36.6℃，最低氣溫達(dá)-45℃，春秋季短，冬夏季長(zhǎng)，冬季多嚴(yán)寒，氣溫年較差懸殊，氣候干燥，日較差明顯。這種氣候特征對(duì)碾壓混凝土重力壩的溫控防裂極為不利［1-5］。

2009年工程完工并投入運(yùn)行后，在左岸壩肩、壩體下游面部分永久橫縫、壩體豎向裂縫、壩體越冬水平面、大壩碾壓水平層面和壩體上游基礎(chǔ)廊道等多個(gè)部位出現(xiàn)滲水，壩體存在多處裂縫。該工程沒(méi)有對(duì)混凝土溫控防裂進(jìn)行過(guò)專(zhuān)題研究，在設(shè)計(jì)階段與溫控相關(guān)參數(shù)均參照同地區(qū)的某碾壓混凝土重力壩執(zhí)行。因此，很有必要按照沖乎爾大壩的實(shí)際澆筑過(guò)程和采用溫控措施進(jìn)行有限元仿真分析，查找出現(xiàn)溫度裂縫的成因，判斷裂縫的位置和范圍。

2 仿真模型及計(jì)算資料

2.1計(jì)算模型及邊界條件本文以壩體寬度最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的底孔壩段為例進(jìn)行模擬計(jì)算，底孔壩段具有兩孔泄洪出水口，根據(jù)對(duì)稱(chēng)性選取其中一半（一個(gè)底孔和一半中墻）建立模型，地基在水平方向和深度方向各取2倍壩高，按照實(shí)際澆筑進(jìn)度劃分網(wǎng)格，采用空間6面體8節(jié)點(diǎn)等參單元，共計(jì)13 296個(gè)單元，16 512個(gè)結(jié)點(diǎn)。

底孔剖面圖見(jiàn)圖1，底孔計(jì)算模型見(jiàn)圖2。溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，地基底面、地基4個(gè)側(cè)面、壩段橫縫及壩段厚度中截面為絕熱邊界。壩體上、下游面在蓄水前按第三類(lèi)邊界（壩面與空氣接觸）處理。蓄水以后，在水面以上為第三類(lèi)邊界；水面以下如不貼保溫板則按第一類(lèi)邊界處理，如貼保溫板則按第三類(lèi)邊界處理。應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算時(shí)，地基底面按固定支座處理，地基上、下游及左、右側(cè)自由面施加法向約束。壩段壩軸線方向中截面施加法向約束，其余為自由邊界。

圖1 底孔剖面（單位：m）

圖2 底孔有限元模型

2.2基本計(jì)算資料仿真計(jì)算時(shí)盡量選取實(shí)測(cè)的日平均氣溫，仍然缺失的取當(dāng)?shù)卦缕骄鶜鉁亍位鶐r體參數(shù)為：天然密度為2 730 kg/m3，泊松比0.3，彈性模量40 GPa?；炷翢釋W(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，絕熱溫升、彈性模量、允許拉應(yīng)力計(jì)算公式見(jiàn)表2，混凝土自身體積變形參數(shù)見(jiàn)表3，徐變相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4。

表1 混凝土材料熱學(xué)參數(shù)

表2 絕熱溫升、彈性模量和允許拉應(yīng)的計(jì)算公式

表3 混凝土自身體積變形參數(shù)

混凝土徐變度計(jì)算公式為［6］：

其中：A1、A2、B1、B2、r1、r2為參數(shù)，具體取值見(jiàn)表4。

表4 混凝土徐變度參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.3溫控措施通過(guò)查閱施工期資料，計(jì)算采用溫控措施為：（1）新澆混凝土的上、下游表面及澆筑間歇層面上覆蓋2 cm厚的聚乙烯保溫被（等效放熱系數(shù)為98.58 kJ/（m2·d·℃））進(jìn)行臨時(shí)保溫；（2）越冬時(shí)頂面采用3 cm厚聚氨酯+5 cm厚棉被+7 cm厚砂子（等效放熱系數(shù)為32.37 kJ/（m2·d·℃））進(jìn)行保溫；（3）每年10月份之后在新澆混凝土的上、下游面采取5 cm聚氨酯（等效放熱系數(shù)為40.63 kJ/（m2·d·℃））永久保溫措施；（4）采用高硬度聚乙烯塑料管通水冷卻，布置為2 m×2 m，通水溫度16℃，水管冷卻范圍為高程698～732 m，一期通水開(kāi)始時(shí)間為澆筑完畢當(dāng)天，連續(xù)通水15 d，無(wú)二期通水；（5）每年6—8月用河水進(jìn)行表面流水養(yǎng)護(hù)，流水溫度6月份取18.0℃，7月和8月均取20.0℃；（6）對(duì)實(shí)際蓄水過(guò)程進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，第一次在2009年10月16日蓄到738 m高程，第二次在2010年8月12日蓄到755 m高程。

3 底孔仿真計(jì)算結(jié)果

底孔壩段自2007年6月開(kāi)始澆筑至2009年8月結(jié)束，經(jīng)歷2次越冬，其中2007年澆筑24 m厚混凝土，2008年全年僅澆筑8 m厚混凝土，剩余部分在2009年完成。底孔上游留有檢修閘門(mén)槽，靠近底板有輸水孔，散熱邊界很復(fù)雜。顯然，底孔的2個(gè)越冬層面、泄水孔之間的中間墻都是容易產(chǎn)生溫度裂縫的部位。

3.1典型剖面應(yīng)力場(chǎng)分析應(yīng)力包絡(luò)圖是壩段典型橫截面上所有計(jì)算節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力等值線圖，可以反映出該截面任意位置最大應(yīng)力數(shù)值及分布規(guī)律。圖3和圖4分別是底孔和中墻對(duì)稱(chēng)面的最大應(yīng)力包絡(luò)圖。

從圖3可以看出：（1）孔洞以上的下游立面720～740 m高程出現(xiàn)應(yīng)力超標(biāo)現(xiàn)象，底孔周邊應(yīng)力超標(biāo)；（2）底板高程以下混凝土中間區(qū)域順?biāo)鞣较驊?yīng)力較大，局部超過(guò)混凝土允許拉應(yīng)力；（3）檢修閘門(mén)上游混凝土應(yīng)力較小，原因在于此處混凝土偏薄，內(nèi)外溫度基本相同，溫差小帶來(lái)的溫度應(yīng)力也較小。檢修閘門(mén)下游表面混凝土應(yīng)力大，是因?yàn)閴蚊媸┕じ蓴_沒(méi)有進(jìn)行永久保溫所致。

從圖4可以看出：（1）泄洪底孔高程以下區(qū)域，順?biāo)鞣较驊?yīng)力較大，多處超過(guò)混凝土允許拉應(yīng)力，原因首先是壩體下游閘門(mén)操作室與壩體下游相連接，造成底部順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)達(dá)60 m，其次澆筑溫度較高（20℃），最高溫度達(dá)42℃所致；（2）孔洞周邊區(qū)域受施工期外界氣溫影響應(yīng)力較大，超過(guò)混凝土允許拉應(yīng)力；（3）壩體下游與閘室相連接的混凝土平臺(tái)，其外部表面盡管有永久保溫在冬季仍然存在應(yīng)力超標(biāo)現(xiàn)象。下游立面冬季拉應(yīng)力在4 MPa左右，很容易出現(xiàn)裂縫。

3.2典型點(diǎn)應(yīng)力過(guò)程線分析根據(jù)最大應(yīng)力包絡(luò)圖分布規(guī)律，分別在基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)中間部位、壩體下游越冬層面選取1個(gè)典型點(diǎn)繪制應(yīng)力過(guò)程線，分析其應(yīng)力隨時(shí)間變化的過(guò)程。圖5為基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)典型點(diǎn)溫度應(yīng)力過(guò)程線。從圖5可見(jiàn)，從澆筑開(kāi)始順?biāo)骱痛怪彼鞣较驊?yīng)力就逐漸增大，在2007年9月達(dá)到最大應(yīng)力2.08 MPa，此后應(yīng)力逐漸下降。從2009年3月開(kāi)始隨著混凝土溫度的降低應(yīng)力又逐漸增大，到2013年3月順?biāo)鞣较驊?yīng)力大于3 MPa，超過(guò)混凝土允許拉應(yīng)力，存在開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。圖6為下游表面越冬層典型點(diǎn)溫度應(yīng)力過(guò)程線。由圖6可見(jiàn)，溫度應(yīng)力與外界氣溫呈負(fù)相關(guān)，表面雖然有保溫板但是保溫作用不明顯，冬季最低溫度-5.5℃，此時(shí)混凝土拉應(yīng)力可達(dá)7 MPa，超過(guò)混凝土允許拉應(yīng)力。此后混凝土溫度呈周期性變化，只是每個(gè)冬季都會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力超標(biāo)現(xiàn)象。

3.3裂縫成因及防范措施根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果看出，底孔壩段溫度應(yīng)力最大值主要出現(xiàn)在泄水孔周?chē)緶囟葢?yīng)力大大超過(guò)混凝土允許拉應(yīng)力，應(yīng)力超標(biāo)原因主要有：（1）泄水底孔無(wú)保溫混凝土裸露于空氣中，冬季氣溫嚴(yán)寒混凝土內(nèi)外溫差大，并且混凝土彈性模量已經(jīng)很高，較大的內(nèi)外溫差必然帶來(lái)較大的溫度應(yīng)力；（2）中墻兩面臨空混凝土溫度隨外界氣溫變化而劇烈改變，同時(shí)中墻受到頂部及底部壩體約束，為典型的薄層大尺寸強(qiáng)約束部位，極易產(chǎn)生溫度應(yīng)力超標(biāo)；（3）壩體下游閘門(mén)操作室與壩體連接，造成底部順?biāo)鞣较驖仓K長(zhǎng)達(dá)60 m，上下游尺寸過(guò)大；（4）基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)澆筑溫度偏高導(dǎo)致該區(qū)域應(yīng)力超標(biāo)。為了盡量減小基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)以及泄水孔周邊混凝土的溫度應(yīng)力，對(duì)以后寒冷地區(qū)建設(shè)類(lèi)似工程起到借鑒作用，在設(shè)計(jì)上避免上下游尺寸過(guò)大，施工中嚴(yán)格控制混凝土入倉(cāng)溫度，在泄水口內(nèi)表面噴涂聚氨酯等保溫材料，厚度參照上下游永久保溫，條件允許的情況下進(jìn)入運(yùn)行期之前對(duì)上下游泄水口密封，防止外界低溫入侵［7-8］。

圖3 底孔對(duì)稱(chēng)面最大主應(yīng)力包絡(luò)圖

圖4 中墻對(duì)稱(chēng)面最大主應(yīng)力包絡(luò)圖

圖5 基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)典型點(diǎn)溫度應(yīng)力過(guò)程線

圖6 下游表面越冬層典型點(diǎn)溫度應(yīng)力過(guò)程線

4 結(jié)論

從沖乎爾碾壓混凝土重力壩底孔壩段施工期和運(yùn)行期的溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果看出，底孔壩段存在多處應(yīng)力超標(biāo)現(xiàn)象。泄洪底孔底高程以下順?biāo)鞣较驊?yīng)力較大，基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)多處超過(guò)混凝土允許拉應(yīng)力。施工期底孔周邊以及中墻受外界氣溫影響大，在壩體中部出現(xiàn)應(yīng)力超標(biāo)。此外底孔壩段比其他壩段順?biāo)鞣较虻拈L(zhǎng)度增加近20多米，基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)范圍更大，不利于溫控防裂。為了盡量泄水孔周邊混凝土的溫度應(yīng)力，建議對(duì)泄水口內(nèi)表面進(jìn)行永久保溫，防止外界低溫侵襲，為以后寒冷地區(qū)建設(shè)類(lèi)似工程起到借鑒作用。

綜上所述，在嚴(yán)寒地區(qū)修建碾壓混凝土重力壩，溫控防裂必須引起業(yè)主、設(shè)計(jì)和監(jiān)理等各參建方的足夠重視，嚴(yán)格遵照溫控防裂技術(shù)措施進(jìn)行施工，盡量減少溫度裂縫出現(xiàn)，確保工程質(zhì)量提高工程運(yùn)行效益。

［1］ 夏世法，李秀琳，魯一暉，等.高寒地區(qū)碾壓混凝土壩岸坡壩段保溫方案研究［J］.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2008，6（2）：93-99.

［2］ 劉有志，劉偉明，徐波，等.武都碾壓混凝土壩施工期溫控措防裂效果分析［J］.水力發(fā)電，2011（12）：27-30.

［3］ 任金珂，李守義.某碾壓混凝土溢流壩段溫控計(jì)算分析［J］.西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，26（4）：444-446.

［4］ LIU Youzhi，ZHANG Guoxin，LIU Weiming.Simulation Analysis of Temperature Stress in RCC Gravity Dam Based on Feedback Infomr ation of On-site Construction［M］.New Progress on Roller Compacted Concrete Dams，2007.

［5］ 解凌飛，常曉林，周偉.小灣拱壩溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力場(chǎng)全過(guò)程仿真分析［J］.水利水電技術(shù)，2006（1）：64-65.

［6］ 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．

［7］ 李勁飛.沖乎爾水電站碾壓混凝土重力壩的設(shè)計(jì)［J］.小水電，2011（3）：39-41.

［8］ 馬月俊，田忠勇，劉松林.新疆沖乎爾大壩工程聚氨酯保溫保濕方案設(shè)計(jì)［J］.湖北水力發(fā)電，2011（增刊）：61-63.

Analysis on temperature control for the bottom outlet section of
Chonghuer RCC Gravity Dam

LI Xiulin1，2，XIA Shifa1，2，SUN Yuelin1，2
（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，Beijing 100038，China）

Concentrated seepage and cracks appear in many positions of the dam after the operation of Chonghuer RCC gravity dam，which is located in alpine region.Numerical simulation of the process of con?struction，concrete zoning，atmospheric temperature，temperature control measures is carried out for the bot?tom hole section.The varying process of temperature and temperature stress and their distribution law are obtained.Numerical results show that overweight temperature stress does exist in the bottom outlet section of Chonghuer RCC gravity dam.

Chonghuer；RCC；gravity dam；bottom dam section；temperature control

TV315

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.01.006

1672-3031（2017）01-0044-05

2016-01-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51409284）；清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（SKLHSE-2015-C-02）；河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（2014491311）

李秀琳（1982-），男，山東費(fèi)縣人，博士生，高級(jí)工程師，主要從事大體積混凝土溫控防裂與混凝土無(wú)損檢測(cè)研究。E-mail：lixl@iwhr.com