外摻氧化鎂拱壩溫控仿真分析及橫縫設置研究

孔令梅，周仕剛

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州貴陽550002)

外摻氧化鎂拱壩溫控仿真分析及橫縫設置研究

孔令梅，周仕剛

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州貴陽550002)

基于現(xiàn)階段條件下的混凝土熱力學參數(shù)及溫控措施，考慮氣溫、混凝土性能隨齡期的變化及MgO的膨脹性等因素，采用三維有限元法對魚糧水庫拱壩的溫度場進行仿真計算分析，計算結果表明，壩體混凝土在自然入倉、冬季保溫的情況下，無需采取其它溫控措施，通過對比不分縫方案及分縫方案，說明設置誘導縫可改善壩體應力分布情況。通過改變縫的位置更加有利于釋放大壩溫度應力，且各部位應力均能滿足規(guī)范要求。

拱壩；外摻MgO；溫度場；應力場；分縫方案；優(yōu)化

外摻MgO微膨脹混凝土筑壩技術是指在大壩混凝土制造時加入適量的MgO，利用其特有的延遲微膨脹性能補償混凝土壩的收縮和溫度變形，達到防裂的目的。該技術已成功運用于國內許多中、小型水電工程中，是國內外筑壩技術的重大創(chuàng)新和突破，對提高混凝土壩的施工速度、壩體質量和經濟效益具有明顯作用。在長沙拱壩采用全壩外摻MgO混凝土不分橫縫[1]，進行仿真分析得知壩體應力的改善。在魚簡河拱壩的仿真分析中[2]得出高RCC拱壩即使摻適量MgO補償溫降引起的收縮，仍需要分縫，以避免裂縫產生。上述研究提出了在拱壩設計中通過設置橫縫釋放壩體應力，緩解壩體的較大拉應力區(qū)，以防止裂縫產生，但在橫縫設置的研究過程中較少能夠將MgO膨脹補償性及其橫縫設置進行綜合考慮，無法結合真實的混凝土熱力學參數(shù)及壩體施工過程對橫縫設置進行仿真分析。

鑒于此，本文采用ANSYS大型有限元軟件對全壩混凝土外摻MgO的魚糧拱壩分別對無縫及不同分縫方式進行仿真分析。考慮不同區(qū)域的混凝土熱力學參數(shù)，施工過程氣候環(huán)境的復雜性，動態(tài)模擬混凝土施工全過程，擬定大壩的溫控標準。并考慮誘導縫及MgO膨脹補償性的整體拱壩溫度場及應力場來進進行仿真分析，對不同的分縫方案作出綜合評價和對比分析，優(yōu)選魚糧水庫拱壩合理的分縫方案和溫控措施。

1 計算原理

1.1 溫度場計算原理

根據(jù)熱量平衡原理，可導出固體熱傳導基本方程：

初始條件:T=T0（x,y,z）

第一類邊界條件：已知邊界上的溫度分布：T=TS

式中：αx=λx/cρ、αy=λy/cρ、αz=λz/cρ為混凝土的導溫系數(shù);λx、λy、λz為混凝土在x、y、z方向上的導熱系數(shù)；θ為材料的絕熱溫升; hf為對流換熱系數(shù);Tf為物體周圍的流體溫度;TS為物體表面的溫度；T為混凝土的溫度。

將求解區(qū)域R劃為有限個單元Ωe，引入單元形函Ni，則單元內任意點的溫度可由構成單元m個節(jié)點溫度插值：

1.2 溫度應力計算原理

混凝土在復雜應力狀態(tài)下的應變增量主要由彈性應變增量、徐變應變增量、溫度應變增量、自生體積變形增量以及干縮應變增量等構成，即：

式中：D軍n為彈性矩陣；△εn為節(jié)點位移引起的單元應變增量。

2 計算模型及條件

江口縣魚糧水庫位于貴州省銅仁地區(qū)江口縣英溪河下游，大壩為雙圓心雙曲拱壩，最大壩高48 m，壩頂高程454 m，壩底高程406 m，壩軸線長134.477 m，壩頂厚3.5 m，壩底厚度11 m。

大壩整體三維有限元模型如圖1、圖2所示，其中建基面406 m高程以下基巖厚度約1.5倍壩高，壩軸線上、下游側順河向范圍約1.5倍壩高。采用8節(jié)點等參實體單元對混凝土與基巖進行離散。

圖1有限元剖面圖

壩體主要采用90天齡期C20外摻MgO5.0%的四級配混凝土，粉煤灰摻量為30%。根據(jù)觀音巖碾壓混凝土絕熱溫升試驗資料，采用雙曲線公式擬合試驗數(shù)據(jù)，得到混凝土絕熱溫升試驗結果如表1，混凝土熱學參數(shù)如表2，混凝土力學參數(shù)如表3。

圖2壩體有限元模型

表1 碾壓混凝土絕熱溫升試驗結果

表2 碾壓混凝土熱學參數(shù)

表3 碾壓混凝土力學參數(shù)

3 混凝土溫度控制標準研究

3.1 混凝土應力控制標準

根據(jù)《混凝土重力壩設計規(guī)范》（SL319-2005）的規(guī)定，其應力控制標準按式下確定：

式中：σ為各種溫差所產生的溫度應力之和，εp為混凝土極限拉伸值，Ec為混凝土彈性模量，Kf為抗裂安全系數(shù)，本工程采用1.65。

根據(jù)表3混凝土力學性能參數(shù)，計算了大壩混凝土的允許水平拉應力，見表4。

表4 大壩混凝土允許拉應力

3.2 允許最高溫度

綜合規(guī)范要求和基礎溫差應力的計算，擬定不同設計齡期的混凝土在典型壩段的基礎容許溫差。根據(jù)溢流壩段穩(wěn)定溫度場計算成果和溫差控制標準，擬定大壩不同部位的混凝土允許最高溫度控制標準見表5。

表5 大壩允許最高溫度單位：℃

4 大壩溫度分布及優(yōu)化分縫方案研究

為了對壩體溫度分布情況及壩體分縫方案等進行研究，本章對魚糧拱壩進行了溫度場及應力場的仿真計算，計算中根據(jù)具體情況分別考慮了不分縫方案、初始分縫方案及優(yōu)化分縫方案。在溫度場及溫度應力場的仿真計算中，考慮壩體混凝土采取自然入倉方式澆筑，除冬季保溫外不采取其他溫控措施，模擬實際大壩體型、孔口布置，施工進度及環(huán)境條件。

4.1 施工期壩體溫度場仿真計算

根據(jù)最高溫度包絡圖可知，在不采取骨料預冷及通水冷卻的情況下，拱壩內部最高溫度隨澆筑高程的上升而上升，主要是因為高程越高，其澆筑時刻的平均氣溫越高，澆筑溫度也越高。壩體最高溫度主要發(fā)生在高程EL435 m以上，最高溫度在32.7℃~33.8℃左右。

由于澆筑時間主要集中在低溫及次高溫月份，因此壩體混凝土在自然入倉、冬季保溫，除此之外不采取任何其他溫控措施的情況下，各區(qū)域混凝土最高溫度均能滿足最高溫度控制標準。4.2無縫方案施工期壩體溫度應力

根據(jù)施工期壩體的第一主應力包絡線圖可知，由于拱壩在壩肩部位的約束很強，在壩肩部位會比較容易產生應力集中現(xiàn)象。高程442 m~454 m混凝土由于在氣溫較高時段澆筑，最高溫度約達到32℃~33℃，此后受外界氣溫較影響，在冬季逐漸降至最低，與此同時應力也達到最大，左右壩肩處冬季最大拉應力約達到2.0 MPa~2.4 MPa。壩肩較大范圍超過90 d齡期施工期溫度應力控制標準值1.81 MPa。

在未分縫方案下，拱壩整體橫河向尺寸過大，整體約束非常強烈，左右岸壩肩處較大范圍應力超過相應齡期施工期溫度應力控制標準。下游面408 m高程附近約束區(qū)混凝土應力也偏大，接近施工期最大拉應力標準值。因此有必要對大壩采取合理的結構分縫措施，從而減小拱壩橫河向長邊尺寸，縮小約束區(qū)范圍，使得大壩施工期超標拉應力得到有效的釋放。

4.3 初步分縫方案壩體施工期應力

初步分縫方案擬定為在溢洪道兩側設置誘導縫。初步分縫方案下，高程442 m~454 m壩肩處冬季最大拉應力約達到1.5 MPa~1.9 MPa。壩肩部位局部地區(qū)略微超過90 d齡期施工期溫度應力控制標準值1.81 MPa，較不分縫方案有較為明顯減小。壩肩處其他地方的拉應力最大值約為0.9 MPa~1.4 MPa，均滿足施工期應力控制標準。

4.4 優(yōu)化分縫方案壩體施工期應力

優(yōu)化分縫方案是在分縫方案的基礎上對縫的位置進行適當調整，分別將兩條誘導縫向左右岸壩肩方向調整，從而減小陡坡壩段橫河向尺寸，具體位置見圖3。圖4給出了優(yōu)化分縫方案施工期壩體的第一主應力包絡圖。

以上結論表明，優(yōu)化分縫方案較初設分縫方案更能有效釋放大壩的超標應力，防止了大壩其它部位隨機無序裂縫的產生，保證大壩的安全；橫縫釋放超標應力后，大壩其它部位的主拉應力基本小于施工期的允許應力，且應力分布更為均勻。

圖3壩體優(yōu)化分縫方案示意圖

圖4優(yōu)化分縫方案最大第一主應力包絡圖

5 結論

（1）根據(jù)溫度場仿真結果可知，壩體混凝土在自然入倉、冬季保溫的情況下，各區(qū)域混凝土最高溫度均能滿足最高溫度控制標準，故無需采取其它溫控措施。

（2）通過不分縫方案及分縫方案的應力分析及對比，對于不分縫方案，由于拱壩整體橫河向尺寸過大，整體約束非常強烈，左右岸壩肩處較大范圍應力超過相應齡期施工期溫度應力控制標準。下游面408 m高程附近約束區(qū)混凝土應力也偏大，接近施工期最大拉應力標準值。在設置2條誘導縫以后，約束區(qū)408 m高程附近及壩肩處442 m~454 m高程范圍內應力較大部位混凝土拉應力均得到明顯改善，說明設置誘導縫能夠在一定程度上改善壩體應力分布情況，有效釋放應力集中區(qū)域應力。但初始設縫方案算得施工期溫度應力在高程442 m~454 m壩肩處最大應力仍略大于施工期允許拉應力控制標準。

（3）采用優(yōu)化分縫方案，計算得最大拉應力為1.4~1.8 MPa，發(fā)生在高程444 m~454 m高程上下游表面壩肩附近，滿足施工期允許拉應力控制標準1.81 MPa，相應的內部碾壓混凝土最大拉應力為1.4~1.7 MPa，亦滿足應力控制標準。

該結果表明修改后縫的位置更加有利于釋放大壩溫度應力，且各部位應力均能滿足規(guī)范要求。因而可以認為該分縫方案是一種可行的、安全的、合理的結構分縫方案。

[1]羅小青,張國新,金峰,劉振威.外摻MgO混凝土不分橫縫快速筑拱壩仿真分析[J].水力發(fā)電學報,2003,2:80-87.

[2]張國新,羅健,楊波,陳大松.魚簡河拱壩的溫度應力仿真分析及溫控措施研究[J].水利水電技術.2005,36(5):26-29

Temperature Control Simulation Analysis of Outside Magnesium Oxide Arch Dam and Its Transverse Joint Set&Research

Kong Lingmei,Zhou Shigang，Guizhou provincial
（Guizhou provincial water resources and hydropower surveyand design institute,Guiyang550002,Guizhou）

Based on the thermodynamic parameters of concrete and the temperature control measures under the current conditions with thinking of the temperature,the concrete performance changing with it’s the time going and the expansion of Mgoand soon,the temperature field of the arch dam of the fish grain reservoir is simulated and analyzed by three-dimensional finite element method.Its results showthat the stress distribution of the dam can be improved by setting the induced seam by comparing the non-joint scheme and the sub-jointing scheme in the case of natural storage and winter insulation.By changing the position of the seam is more conducive to the release of the dam temperature stress,and the stress of all parts can meet the specification requirements.

The arch dam,outside mixed MgO,the temperature field,the stress field,the joint scheme and tooptimize

TV431

B

1673-9000（2017）03-0104-03

2017-02-15

孔令梅（1976-），女，布依族，貴州都勻人，高級工程師，主要從事水利水電工程建筑設計工作。