澆筑間隔時(shí)間對(duì)碾壓混凝土重力壩影響分析

曾 智

（鳳岡縣水務(wù)局，貴州 鳳崗564200）

1 概述

實(shí)際工程建設(shè)中，澆筑的時(shí)間間隔期是限制施工的一個(gè)重要因素［1］。如何更好的利用混凝土的散熱，放置混泥土的開(kāi)裂，控制合適的溫度意義重大。

我國(guó)學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究［2-4］。謝微、劉虎虎等人對(duì)不同坯層在不同間隔時(shí)間下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行了研究分析［5］。董福品、朱伯芳等人對(duì)碾壓混凝土的溫度徐變應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行了深入研究［6］。劉林生等人針對(duì)世界最高的拱壩錦屏水電站進(jìn)行了澆筑層厚度、澆筑間歇期的影響研究［7］。隨著科技發(fā)展，對(duì)壩體施工的研究越來(lái)越多，方法也越來(lái)越多樣化［8-9］，但在碾壓混凝土重力壩的研究目前還相對(duì)較少。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬，研究間隔時(shí)間對(duì)碾壓混泥土壩的溫度和應(yīng)力分布的影響，為實(shí)際工程提供一定的理論指導(dǎo)。

2 模型建立

某工程為碾壓混凝土重力壩，溢流壩段的壩高829m，壩底寬59m，堰頂高程893m，壩段長(zhǎng)27m，壩體采用3級(jí)碾壓混凝土。

碾壓混凝土的徐變參數(shù)：

式中C（t，τ）為徐變度；t為混凝土施加荷載時(shí)間；t-τ為混凝土持荷時(shí)間。

坐標(biāo)系的設(shè)置選取壩軸線指向河右岸為X軸正方向，順河流指向下游為Y軸正方向，在鉛錘面向上為Z軸正方向。壩體在運(yùn)行的時(shí)候考慮自重荷載，以及施工過(guò)程中的機(jī)械荷載等共同作用。有限元模型的約束設(shè)置，在壩基底部采用全約束，其他部分不設(shè)置過(guò)多約束。

建立有限元模型的范圍按照相關(guān)規(guī)范要求，在壩基和壩體的上下游均延長(zhǎng)100m來(lái)進(jìn)行分析。

模型采用八節(jié)點(diǎn)的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，AWEEP掃略法進(jìn)行劃分。在模型不同位置采用不同的密度，靠近壩體的網(wǎng)格尺寸相對(duì)較小，延長(zhǎng)的地基不作為重點(diǎn)研究對(duì)象，網(wǎng)格尺寸較大。整體模型的網(wǎng)格數(shù)為39520個(gè)，節(jié)點(diǎn)為43616個(gè)。計(jì)算有限元模型如圖1。

圖1 有限元模型

表1 模擬工況

在實(shí)際工程中，混凝土的澆筑厚度通常采用3m，故本文采用澆筑厚度為3m。設(shè)置5種不同工況，每種工況之間此采用相同的澆筑厚度和溫度控制措施來(lái)進(jìn)行控制變量，間歇期分析采用3，7，10，15，20d來(lái)進(jìn)行研究，如表1。

3 對(duì)比分析

3.1 間隔時(shí)間對(duì)壩體溫度影響

對(duì)壩體高程836m處的中心點(diǎn)的溫度進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，變化曲線如圖2。

圖2 溫度變化曲線

根據(jù)圖2可知，中心點(diǎn)處的溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)為先迅速升高，然后隨時(shí)間逐漸降低，溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在施工兩個(gè)月的時(shí)間點(diǎn)內(nèi)。不同的間隔時(shí)間最高溫度也不一樣，可以看出隨著間隔時(shí)間增加，最高溫度變得越來(lái)越低，這主要是因?yàn)殡S著時(shí)間間隔的增加，混凝土內(nèi)熱量散發(fā)量逐漸增大，導(dǎo)致最高溫度逐漸降低。不同方案之間不同位置的溫度最高點(diǎn)也不相同，如圖3。

圖3 不同位置最高溫度變化

由圖3可知，隨著間隔時(shí)間的增加，溢流面和強(qiáng)約束區(qū)的最高溫度逐漸降低，降低幅度分別為17.6%，15.8%，最大溫差也逐漸降低，降低幅度分別為30.8%，29.4%。然而，弱約束區(qū)和費(fèi)約束區(qū)的最高溫度逐漸升高，升高幅度分別為17.0%，24.8%，最大溫差也逐漸升高，升高幅度分別為26.4%，62.0%?；A(chǔ)墊層由于靠近地下溫度變化受間隔時(shí)間的影響較小，隨間隔時(shí)間增大，基本保持不變。

3.2 間隔時(shí)間對(duì)壩體應(yīng)力的影響

對(duì)高程836m中心點(diǎn)處不同方向的應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，不同間隔時(shí)間對(duì)應(yīng)的隨施工時(shí)間變化曲線如圖4。

圖4 不同工況應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

由圖4可知，澆筑層的應(yīng)力隨施工時(shí)間的增加先迅速增大，然后出現(xiàn)震蕩式的緩慢增加。出現(xiàn)應(yīng)力變化的原因與澆筑層的內(nèi)外溫度差有關(guān)。不同方案3個(gè)方向的應(yīng)力變化幅度不一樣，隨著間隔時(shí)間的增加，應(yīng)力增加幅度逐漸減小。且不管哪種方案，Y向的應(yīng)力相對(duì)較大，Z向的應(yīng)力相對(duì)較小。隨著間隔時(shí)間的變化，澆筑層不同位置的應(yīng)力也發(fā)生變化，如圖5。

圖5 不同位置應(yīng)力與間隔時(shí)間關(guān)系

由圖5可知，在混凝土基礎(chǔ)墊層范圍內(nèi)，X，Y，Z3個(gè)方向的拉應(yīng)力均隨著間隔時(shí)間增加逐漸增大。從工況1～5，X方向的最大拉應(yīng)力從1.79MPa增加到2.43MPa；Y方向的最大拉應(yīng)力從1.34MPa增加到2.19MPa；Z方向的最大拉應(yīng)力從0.69MPa增加到1.34MPa；3個(gè)方向的應(yīng)力增加幅度分別為35.8%，63.4%，94.2%，且均滿足混凝土抗拉強(qiáng)度要求。

在碾壓混凝土區(qū)域，X，Y，Z3個(gè)方向的拉應(yīng)力均隨著間隔時(shí)間增加逐漸降低。從工況1～5，X方向最大拉應(yīng)力從1.14MPa降低到0.81MPa。Y方向最大拉應(yīng)力從1.25MPa降到0.86MPa，雖然降低后滿足要求，但在間隔時(shí)間為3d時(shí)，最大應(yīng)力1.25MPa，大于1.2MPa，故間隔時(shí)間為3d是不可取的。Z方向最大拉應(yīng)力從1.60MPa降到1.19MPa；3個(gè)方向的應(yīng)力降低幅度分別為28.9%，31.2%，25.6%。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)施工厚度保持不變，施工間隔時(shí)間分別為：3，7，10，15，20d 5種工況的溫度和應(yīng)力進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論：

（1）澆筑間隔時(shí)間對(duì)壩體的溫度和應(yīng)力有顯著影響。

（2）隨著間隔時(shí)間的增加，壩體混凝土散熱越充分，混凝土內(nèi)最高溫度逐漸降低。溢流面和強(qiáng)約束區(qū)的最高溫度逐漸降低，降低幅度分別為17.6%，15.8%。弱約束區(qū)和費(fèi)約束區(qū)的最高溫度逐漸升高，升高幅度分別為17.0%，24.8%。

（3）混凝土基礎(chǔ)墊層范圍內(nèi)3個(gè)方向的應(yīng)力隨間隔時(shí)間的增加逐漸增大，且增加幅度分別為35.8%，63.4%，94.2%。碾壓混凝土區(qū)域內(nèi)X，Y，Z3個(gè)方向的拉應(yīng)力均隨著間隔時(shí)間增加逐漸降低，降低幅度分別為28.9%，31.2%，25.6%。

（4）間隔時(shí)間為3d不滿足應(yīng)力需求，實(shí)際工程具體間隔時(shí)間要結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行分析確定。