碾壓混凝土重力壩施工分層厚度分析

王建魁，李 朋

（中國水利水電第三工程局有限公司，西安710024）

碾壓混凝土的施工是一種快速高效的筑壩技術(shù)。大體積混凝土施工后，在運(yùn)行階段容易出現(xiàn)裂縫，為了將裂縫控制在允許范圍或規(guī)避，可以采取分層施工厚度[1]。在施工過程中，加大鋪筑層的厚度，減少分層數(shù)量，可以體現(xiàn)碾壓施工快速高效的優(yōu)點(diǎn)，但是由于混凝土塊過大，溫度升高過快，易產(chǎn)生溫度裂縫[2-3]。因此設(shè)置合理的分層度，對于施工意義重大。

20世紀(jì)30年代，美國胡佛大壩的建設(shè)，標(biāo)志著我們開始對大體積混凝土溫度應(yīng)力進(jìn)行研究[4]。當(dāng)時(shí)采用相關(guān)部門為了控制溫度裂縫，采取分層施工設(shè)計(jì)[5]。80年代日本學(xué)者采用ADINA對碾壓混凝土分層施工厚度的壩體進(jìn)行有限元研究[6-7]。我國朱伯芳院士建立了溫度應(yīng)力控制方面的理論體系[8]。20世紀(jì)中期他又提出了“并增算法”，看算法使?jié)仓訌姆謱佑?jì)算進(jìn)化到并層計(jì)算，隨后又進(jìn)行過優(yōu)化提出了溫度應(yīng)力的分區(qū)異步長算法[9-12]。西安理工學(xué)者提出了“三維有限元浮動(dòng)網(wǎng)格法”[13-14]，其他學(xué)者結(jié)合國內(nèi)的先進(jìn)方法進(jìn)行總結(jié)學(xué)習(xí)，我國在分層施工控制溫度應(yīng)力方面有了長足進(jìn)步[15-17]。本文以某碾壓混凝土重力壩為研究對象，結(jié)合壩體特點(diǎn)，利用ANSYS軟件熱分析模塊，對研究對象進(jìn)行不同施工分層厚度進(jìn)行溫度場模擬研究，確定出合理分層厚度。

1 模型建立

重力壩壩高123m，總碾壓混凝土量39.98萬m3，根據(jù)安排高峰期澆筑強(qiáng)度3.23萬m3。大壩有擋水壩段、溢流壩段、中孔壩段和引水壩段等幾部分組成，壩頂長179m。本次選取計(jì)算模型為擋水壩段的一個(gè)典型壩段，A，B，C為3個(gè)不同高程特征點(diǎn)，如圖1。

圖1 計(jì)算壩段剖面圖

流域多年平均水溫17.8℃，最高氣溫39.8℃，最低氣溫-4.6℃，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)定壩基計(jì)算溫度17.8℃，庫底水溫8.0℃。上游正常蓄水位1551.00m，校核水位1552.62m，死水位1513m。

壩體材料采用C20和C25混凝土。不同混凝土的絕熱溫升計(jì)算如公式（1）、（2）、（3）：

C15碾壓混凝土：

式中 θ為絕熱溫升；t為混凝土溫度（℃）。

混凝土彈性模量計(jì)算如公式（4）：

為了模擬真實(shí)施工過程，壩體根據(jù)實(shí)際分層建模。

在壩體網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格混合使用，且網(wǎng)格比較密集；地基采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用sweep掃略法進(jìn)行劃分，網(wǎng)格尺寸較大。

基巖建模尺寸選取上、下游、垂向均為1倍壩高，網(wǎng)格總數(shù)21045個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)64566個(gè)。

壩體與水接觸面為第一類邊界條件，壩體與空氣接觸面為第三類邊界條件，壩段之間接觸面及基巖之間絕熱，壩體周圍設(shè)置絕熱。

圖2為計(jì)算壩段有限元模型，其中X方向以順?biāo)鞣较驗(yàn)檎?，Y方向以右岸為正，Z方向以垂直向上為正。

圖2 計(jì)算壩段有限元模型

碾壓混凝土重力壩最優(yōu)施工厚度指在滿足溫度控制標(biāo)準(zhǔn)要求前提下的最大分層厚度。

最優(yōu)分層厚度如公式（5）、公式（6）表示：式中 B為分層厚度；ΔT1，ΔT2，ΔT3分別為基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外溫差、上下層溫差；ΔTf為規(guī)范規(guī)定溫差。

本文選擇施工分層厚度如表1。針對4種工況進(jìn)行施工期溫度場及應(yīng)力分析。

表1 不同工況施工分層厚度

2 計(jì)算分析

不同工況的施工工期分別為702，497，421，378d。

2.1 施工過程溫度分析

竣工后壩體溫度分布如圖3。

圖3 不同分層厚度壩體溫度

在相同澆筑厚度下，壩體溫度隨著高程增加逐漸升高，最高溫度出現(xiàn)在壩頂。根據(jù)不同澆筑厚度壩體溫度分布不同，最高溫度分別為：30.6，33.03，35.33，37.63℃，澆筑厚度越大，壩頂最高溫度越大。為方便研究在壩體選取不同高程點(diǎn)對整個(gè)施工過程溫度變化進(jìn)行檢測，如圖4。

圖4 不同分層厚度溫度變化曲線

由圖4可知，A高程點(diǎn)在施工過程的溫度變化規(guī)律為正弦分布；B，C高程點(diǎn)溫度變化規(guī)律類似，前期變化幅度較大，迅速升高，隨后溫度逐漸趨于穩(wěn)定。3個(gè)曲線圖均說明隨著分層厚度的增大，同一位置點(diǎn)的溫度逐漸升高。

2.2 施工過程應(yīng)力分析

不同分層厚度對應(yīng)特征點(diǎn)在施工過程中應(yīng)力變化關(guān)系曲線如圖5。

圖5 不同分層厚度特征點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

從圖5可知，在A特征點(diǎn)應(yīng)力變化和溫度變化規(guī)律類似呈現(xiàn)正弦分布，應(yīng)力大小區(qū)分不明顯；B特征點(diǎn)處應(yīng)力變化與對應(yīng)溫度變化不一樣，先出現(xiàn)迅速的增大，達(dá)到最大值后出現(xiàn)突然下降，然后在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)。分層厚度0.35m時(shí)的應(yīng)力峰值最大，在最后穩(wěn)定波動(dòng)期內(nèi)分層厚度0.2m時(shí)應(yīng)力較大；C特征點(diǎn)的分布規(guī)律為分層厚度0.2m時(shí)先迅速增大，然后出現(xiàn)突降，最后趨于穩(wěn)定，其他厚度應(yīng)力分布規(guī)律與對應(yīng)溫度變化類似。不同分層厚度特征點(diǎn)應(yīng)力最大值如表2。

表2 不同分層厚度第一主應(yīng)力最大值 單位：MPa

當(dāng)分層厚度為0.2m和0.3m時(shí)，各特征點(diǎn)的第一主應(yīng)力最大值均在材料承受范圍內(nèi)。當(dāng)分層厚度為0.35m和0.4m時(shí)，B特征點(diǎn)處第一主應(yīng)力最大值分別為1.90，2.33MPa，超過混凝土抗拉強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生裂縫。

2.3 施工分層厚度優(yōu)選

根據(jù)公式 （5）、（6）對4種不同工況進(jìn)行溫差分析，分別對基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外溫差和上下層溫差進(jìn)行比較，選取具有代表性2月份和8月份不同分層進(jìn)行對比分析，如表3～表5。

表3 基礎(chǔ)溫差比較 單位：℃

表4 內(nèi)外溫差比較 單位：℃

表5 上下層溫差比較 單位：℃

根據(jù)重力壩的溫度控制相關(guān)要求，強(qiáng)約束區(qū)的基礎(chǔ)溫差12℃，弱約束區(qū)的基礎(chǔ)溫差取14.5℃。6，7，8層靠近壩基為強(qiáng)約束區(qū)，23，24，25層靠近壩頂為弱約束區(qū)。根據(jù)表3可知，分層厚度為0.2m和0.3m時(shí)，基礎(chǔ)溫差最大基礎(chǔ)溫差分別為11.87，11.96℃，均滿足要求；分層厚度為0.35，0.4m時(shí)，最大溫差分別為14.32，16.43℃，不滿足要求。

控制內(nèi)外溫差來防止出現(xiàn)表面裂縫，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求：基礎(chǔ)約束溫差20～22℃，基礎(chǔ)約束范圍外溫差23～25 ℃。6，7，8層為基礎(chǔ)約束，溫差范圍20～22 ℃；23，24，25層溫差范圍23～25℃。 根據(jù)表4可知，分層厚度為0.2m和0.3m時(shí)，最大溫差分別為13.47，14.34℃，滿足要求。分層厚度為0.35m和0.4m時(shí)，在基礎(chǔ)約束區(qū)最大溫差分別為24.26，24.43℃，不滿足要求。

上下層溫差主要防止混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，控制范圍為15～20℃。根據(jù)表5可知，4種分層厚度的內(nèi)外溫差均在規(guī)定范圍內(nèi)，滿足要求。

在基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外溫差和上下層溫差及壩體應(yīng)力的約束下，只有分層厚度0.2m和0.3m滿足?？紤]到兩種工況的施工時(shí)間分別為702，497d，工程施工中工期也是很重要的一項(xiàng)指標(biāo)，因此推薦分層厚度為0.3m，即O（B）=0.3m。

3 結(jié)語

（1）壩體溫度隨著最高程的增加逐漸升高，最大值出現(xiàn)在壩頂位置，且隨著分層厚度增大，壩頂溫度最大值逐漸升高。

（2）壩體不同部位的溫度變化規(guī)律不一樣。在壩基附近溫度隨施工時(shí)間變化規(guī)律呈現(xiàn)正弦分布；隨著高程增加，不同點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化先迅速升高，然后趨于穩(wěn)定。

（3）壩體不同部位的應(yīng)力變化受溫度變化的影響，在壩基隨時(shí)間變化為正弦分布；隨高程增大，壩體應(yīng)力隨時(shí)間先迅速增大，再突然下降至趨于穩(wěn)定；靠近壩頂附近時(shí)應(yīng)力先迅速增大，然后逐漸趨于穩(wěn)定。

（4）從基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外溫差、上下層溫差、壩體應(yīng)力及工期等方面綜合考慮，認(rèn)為使用分層厚度為0.3m時(shí)相對較好。