基于ADINA的碾壓混凝土拱壩溫度仿真分析

袁開強，辛全才

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

1 工程概況

林蔭水庫位于貴州省都勻市，正常蓄水位為964 m，水庫總庫容855萬m3，工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模為小(1)型。工程總體布置為碾壓混凝土雙曲拱壩+壩頂溢洪道+壩身式放空底孔及取水管+輸水管道。

大壩為C20碾壓混凝土拋物線變厚雙曲拱壩，壩頂弧長261.95 m，大壩設(shè)有6條誘導(dǎo)縫，誘導(dǎo)縫間距20～45 m。拱壩壩頂高程966.0 m，河床建基面高程904.5 m，最大壩高61.5 m(含1.5 m墊層)。拱冠梁處頂厚6.0 m，底厚16.0 m，拱壩厚高比0.26。大壩混凝土性能參數(shù)見表1。

表1 混凝土性能參數(shù)表

本工程施工主要控制節(jié)點工期如下：

(1)2017年1—4月完成大壩922.0 m高程以下部分壩體澆筑施工并達(dá)到第一個汛期度汛要求；2017年1月中下旬，墊層澆筑完成后即進行壩基固結(jié)灌漿，灌漿期間暫停壩體澆筑。

(2)2017年5月開始澆筑922.0 m以上部分壩體，考慮到汛期施工及夏季高溫的影響，在第二年12月底完成大壩澆筑至壩頂高程。

2 計算原理與方法

2.1 穩(wěn)定溫度場的計算

混凝土完全冷卻后的運行期，初始溫度和水化熱的影響完全消失，溫度場不再隨時間變化，而只是坐標(biāo)的函數(shù)[1]。由熱傳導(dǎo)理論，穩(wěn)定溫度場T(x,y,z)在區(qū)域R內(nèi)應(yīng)滿足拉普拉斯方程為：

(1)

式中：T為溫度，℃。

2.2 非穩(wěn)定溫度場的計算

瞬態(tài)溫度場的求解就是在T=T0(x,y,z)初始條件下，求得滿足瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程及邊界條件的溫度場函數(shù)T(x,y,z,τ)。根據(jù)最小位能原理，熱傳導(dǎo)問題等價于泛函求極值問題：溫度T(x,y,z,τ)在τ=0時給定初始溫度T0(x,y,z)，在邊界上取給定邊界溫度，并使泛函取極小值。

2.3 有限元計算模型

整個有限元模型建立在笛卡爾坐標(biāo)系下，X軸為橫河方向，指向右岸為正；Y軸為順河方向，指向下游為正；Z軸為鉛直方向，向上為正。

有限元模型的范圍：大壩上游、下游、左右岸拱端及底部地基取1.5倍壩高。在整個計算域內(nèi)，對鉛直基礎(chǔ)邊界施加垂直于表面的位移約束，底部水平基礎(chǔ)邊界施加全部位移約束。

按照壩體的實際體型進行建模，并大致考慮了溢流堰的開口型式，但不考慮具體的溢流堰形狀，采用8節(jié)點6面體等參單元對壩體及基礎(chǔ)進行有限元離散。三維有限元整體網(wǎng)格及壩體細(xì)部模型如圖1所示。壩體單元總數(shù)總計41 992，節(jié)點總數(shù)共計50 852。

圖1 三維模型全視圖

3 溫度仿真分析

3.1 大壩溫度場分析

拱壩施工期壩體最高溫度沿高程存在兩個高溫區(qū)，分布對應(yīng)高溫季節(jié)澆筑碾壓混凝土部位以及絕熱溫升較高的溢流堰常態(tài)混凝土部位。如圖2所示，高溫區(qū)一為921～948 m高程附近，該部位施工時間為4—5月及9—10月上旬，各澆筑層混凝土最高溫度均超過33 ℃，最高達(dá)到40.5 ℃。夏季高溫停工面936 m高程附近新老混凝土上下層溫差為14 ℃；高溫區(qū)二為948 m高程以上溢流堰常態(tài)混凝土部位。該部位施工時間為10—11月，澆筑溫度在14.7～18.7 ℃之間，由于常態(tài)混凝土絕熱溫升高，超過33 ℃，各澆筑層最高溫度均超過40 ℃，最高達(dá)到44.5 ℃。

圖2 大壩拱冠梁剖面最高溫度包絡(luò)圖(單位：℃)

3.2 大壩應(yīng)力場分析

根據(jù)規(guī)范，本文將壩體主拉應(yīng)力作為控制應(yīng)力。影響壩體主拉應(yīng)力分布規(guī)律的因素主要有壩體結(jié)構(gòu)、施工工藝與邊界條件[2]。同時考慮施工期以及運行期溫度應(yīng)力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力，力求反映壩體真實的應(yīng)力狀況。壩體蓄水前，結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要為自重應(yīng)力，壩體蓄水后，結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要為自重應(yīng)力加靜水壓力加揚壓力。大壩各典型高程水平截面主拉應(yīng)力見表2。

由表2可知，大壩主拉應(yīng)力能夠滿足應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)的要求[3]。

4 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)及措施

4.1 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

考慮本工程結(jié)構(gòu)條件，在拱壩溫度和溫度應(yīng)力仿真分析成果的基礎(chǔ)上，參考規(guī)范規(guī)定和國內(nèi)部分相關(guān)工程經(jīng)驗，制定出本工程溫度控制標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表2 大壩典型高程水平截面主拉應(yīng)力數(shù)值表 MPa

表3 壩體混凝土溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

4.2 溫控措施

根據(jù)溫度場和溫度應(yīng)力仿真分析成果，參考國內(nèi)部分相關(guān)工程經(jīng)驗，推薦溫控措施如下：

(1)壩體區(qū)域4—5月、9—10月上旬高溫時段澆筑碾壓混凝土(921～948 m高程)，采取一期通水冷卻措施，壩內(nèi)埋設(shè)高密聚乙烯塑料管，水平間距×鉛直間距為1.5 m×1.5 m，通水流量為1.5 m3/h，通天然河水一期冷卻20 d。

(2)壩體區(qū)域10—11月澆筑的溢流堰常態(tài)混凝土(948 m高程以上)，采取一期通水冷卻措施，壩內(nèi)埋設(shè)高密聚乙烯塑料管，水平間距×鉛直間距為1.5 m×1.5 m，通水流量為1.5 m3/h，通天然河水一期冷卻20 d。

5 結(jié) 論

本文采用ADINA三維有限元分析方法，模擬混凝土拱壩實際澆筑施工過程，仿真分析拱壩在施工期的溫度場動態(tài)變化規(guī)律，同時以壩體主拉應(yīng)力作為控制應(yīng)力，分析施工期及運行期壩體溫度應(yīng)力場的分布情況。準(zhǔn)確分析拱壩在各個時期的溫度應(yīng)力，為碾壓混凝土拱壩在施工期采取相應(yīng)的溫度控制標(biāo)準(zhǔn)和措施提供參考和依據(jù)。

在碾壓混凝土拱壩溫度應(yīng)力仿真分析成果基礎(chǔ)上，提出了可供施工方參考的溫度控制標(biāo)準(zhǔn)和合理的溫控措施。對碾壓混凝土拱壩溫控設(shè)計具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

[1] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M]. 北京：中國水利水電出版社，2012.

[2] 中華人民共和國水利部.碾壓混凝土壩設(shè)計規(guī)范：SL 314—2004[S]. 北京：中國水利水電出版社，2005.

[3] 曾昭揚, 馬黔. 高碾壓混凝土拱壩中的構(gòu)造縫問題研究[J]. 水力發(fā)電, 1998(2):30-33.

[4] 黃達(dá)海, 宋玉普. 碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫的等效強度研究[J]. 工程力學(xué), 2000, 17(3):16-22.