新疆某混凝土重力壩運(yùn)行期溫度場和應(yīng)力場反饋分析

林 鋒，趙 妮，孫粵琳，李秀琳

（1.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，新疆 烏魯木齊 830000；3.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

1 研究背景

碾壓混凝土具有絕熱溫升低、發(fā)熱慢等優(yōu)點(diǎn)，同時，碾壓混凝土壩的施工速度快，一般不設(shè)縱縫、通倉、薄層快速連續(xù)上升。因此，我國目前除200 m以上的特高拱壩和高寒地區(qū)的大壩外，大多數(shù)混凝土壩都采用碾壓混凝土技術(shù)[1]。但是高寒地區(qū)的碾壓混凝土壩穩(wěn)定溫度較低，基礎(chǔ)溫差不易控制；上下游面附近內(nèi)外溫差大，容易出現(xiàn)表面裂縫；大壩越冬間歇時間長達(dá)5個多月，更增加了溫控的難度[2]。國內(nèi)對東北和西北高寒地區(qū)混凝土壩展開了大量的溫控防裂研究[3-7]。對于埋設(shè)有溫度監(jiān)測儀器的混凝土壩，以溫度監(jiān)測值為目標(biāo)進(jìn)行溫度場反饋分析有助于把握仿真計(jì)算采用的材料參數(shù)以及邊界條件，從而提高仿真精度[8-11]。

新疆某混凝土重力壩是引額供水工程的水源工程之一，壩址區(qū)氣候干燥，春秋季短，冬季較長，氣溫年較差懸殊。多年平均蒸發(fā)量為1915.1 mm，而平均降雨量僅183.9 mm[12]。壩址處極端最低、最高氣溫分別為-49.8℃和40.1℃，年均氣溫僅2.7℃，最大凍土深175 cm[2]。大壩壩頂高程745.5 m，最大壩高121.5 m。為了滿足溫控防裂的要求，大壩按溫控設(shè)計(jì)從施工期開始陸續(xù)在上游壩面貼上10 cm厚的苯板，自2008年水庫第一次蓄水后，水位變動區(qū)保溫板經(jīng)常出現(xiàn)剝落，2010年12月718.5 m高程以上保溫板也出現(xiàn)部分脫落，2011年1月開展了XPS板補(bǔ)貼工作，因此大壩蓄水后的實(shí)際溫度邊界條件與設(shè)計(jì)有較大變化。鑒于水庫自蓄水后，進(jìn)行了上游壩面、壩體內(nèi)部連續(xù)的溫度監(jiān)測，監(jiān)測資料完整[13]，本研究旨在結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)測溫度資料對大壩溫度場進(jìn)行三維有限元反饋仿真分析，校準(zhǔn)仿真計(jì)算的邊界條件和有關(guān)參數(shù)，使仿真計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場觀測結(jié)果基本一致，以滿足大壩溫度場和應(yīng)力場預(yù)測精度的要求，并重點(diǎn)分析溫度邊界條件發(fā)生變化區(qū)域的溫度應(yīng)力，評價大壩局部開裂的可能性。

2 仿真模型及計(jì)算參數(shù)

2.1 計(jì)算模型選取埋設(shè)儀器較多的35#壩段建立三維有限元計(jì)算模型，如圖1所示，其中壩體共計(jì)12 324個單元，15 281個節(jié)點(diǎn)。壩段沿壩軸線方向取15 m，基礎(chǔ)范圍在壩踵上游、壩趾下游和壩基往下各取100 m。坐標(biāo)原點(diǎn)在壩段壩踵處，x軸為順?biāo)鞣较?，正向?yàn)樯嫌沃赶蛳掠?；y軸為垂直水流方向，正向?yàn)橛野吨赶蜃蟀?；z軸正向?yàn)殂U直向上。應(yīng)力場計(jì)算地基底面按固定支座處理，地基在上下游方向按x向簡支處理，地基沿壩軸線方向的兩個邊界按y向簡支處理[14]。

2.2 計(jì)算參數(shù)壩基巖體參數(shù)中，天然密度為2730 kg/m3，泊松比0.3，彈性模量15 GPa?；炷僚浜媳葻釋W(xué)參數(shù)見表1。

圖1 35#壩段三維有限元模型

表1 混凝土材料熱學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 計(jì)算邊界條件

計(jì)算考慮了35#壩段澆筑塊的設(shè)計(jì)溫控方案和實(shí)際施工及運(yùn)行狀況，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，相應(yīng)的邊界條件如下。

（1）地基溫度。仿真計(jì)算開始時，地基溫度采用澆注起始時間2007年7月份的實(shí)測地溫。

（2）上游面保溫情況。2007年越冬期（10月份）之前，采用2 cm厚聚氨酯泡沫被進(jìn)行臨時保溫，2007年10月中旬澆筑到越冬面高程時，黏貼10 cm厚XPS板進(jìn)行保溫，其中回填坡積物到638.0 m高程，等效放熱系數(shù)取20 kJ/（m2·d·℃）[15]；2008年9月21日之前，采用2 cm厚聚氨酯泡沫被進(jìn)行臨時保溫，之后黏貼10 cm厚XPS板進(jìn)行保溫，水下部分的保溫板由于出現(xiàn)浸水，保溫效果大幅度損失，等效放熱系數(shù)取300 kJ/（m2·d·℃）；2009年9月21日之前，采用2 cm厚聚氨酯泡沫被進(jìn)行臨時保溫，之后粘貼10 cm厚XPS板保溫，等效放熱系數(shù)選取同2008年，其中，665.0～683.0 m高程范圍內(nèi)在2009年9月1日—2010年6月1日之間處于水位變動區(qū)，保溫效果有損失，等效放熱系數(shù)取60 kJ/（m2·d·℃）；2010年澆筑時間為6—7月，澆筑完成后采用2 cm厚聚氨酯泡沫被進(jìn)行臨時保溫，從9月21日起黏貼10 cm厚XPS板保溫；2010年12月28日718.5 m高程以上保溫板部分脫落，等效放熱系數(shù)取200 kJ/（m2·d·℃），2011年1月2日起補(bǔ)貼XPS板，等效放熱系數(shù)取35 kJ/（m2·d·℃）。

（3）下游面保溫情況。2007年越冬期（10月份）之前，采用2cm厚聚氨酯泡沫被進(jìn)行臨時保溫，2007年10月中旬澆筑到越冬面高程時，粘貼10 cm厚XPS板進(jìn)行保溫；2008年9月21日之前，采用2 cm厚聚氨酯泡沫被進(jìn)行臨時保溫，之后粘貼10 cm厚XPS板進(jìn)行保溫，水下部分的保溫板由于出現(xiàn)浸水，保溫效果大幅度損失，等效放熱系數(shù)取300 kJ/（m2·d·℃），其中679.0～681.0 m采用1 cm聚氨酯保溫；2009年9月21日之前，采用2 cm厚聚氨酯泡沫被進(jìn)行臨時保溫，之后粘貼10 cm厚XPS板保溫；2010年澆筑時間為6—7月，澆筑完成后采用2 cm厚聚氨酯泡沫被進(jìn)行臨時保溫，從9月21日起粘貼10cm厚XPS板保溫。

（4）倉面保溫情況。間歇層采用2 cm厚聚氨酯泡沫被進(jìn)行臨時保溫，在6—9月份采取“噴淋”方式養(yǎng)護(hù)。2007年第一個越冬頂面在10月31日之前，縱0+23 m上游越冬面采用4 cm棉被（聚氨酯被）保溫，縱0+23 m下游越冬面完全暴露在空氣中，從11月1日起全部采用24 cm厚棉被進(jìn)行保溫，到2008年春季保溫被從3月8日開始至4月5日逐層揭開；2008年第二越冬面在11月14日之前采用1 cm聚氨酯被保溫，11月15日用24 cm厚棉被進(jìn)行保溫，考慮到被子在2007年已經(jīng)用過，等效放熱系數(shù)折減為20 kJ/（m2·d·℃），2009年春季保溫被從3月26日開始至4月5號逐層揭去；2009年第三越冬面在10月6日開始用24 cm厚棉被進(jìn)行保溫，等效放熱系數(shù)折減為18.41 kJ/（m2·d·℃）。

（5）通水冷卻。水管冷卻范圍為高程687～735 m，水管布置間距為1.5 m×1.5 m，通水溫度15℃，一期通水開始時間為澆筑當(dāng)天，通水結(jié)束時間為澆筑以后第16天，無二期通水。

（6）蓄水情況。第一次蓄水時間為2008年9月20日，上下游水位分別為668.0 m和645.0 m；第二次蓄水時間為2010年6月2日，上下游水位分別為718.5 m和651.7 m。

（7）氣溫選取。從2007年7月12日澆筑開始至2012年11月2日外界氣溫采用當(dāng)?shù)貙?shí)測氣溫，2012年11月3日至2013年12月31日外界氣溫采用2011年11月3日至2012年12月31日同期實(shí)測氣溫，2014年和2015年采用多年平均旬平均氣溫。

4 溫度場反饋分析

圖2 35#壩段溫度計(jì)埋設(shè)位置示意圖

將根據(jù)上述參數(shù)和計(jì)算邊界條件計(jì)算得到的溫度場仿真計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測溫度進(jìn)行比較，以評價計(jì)算結(jié)果的客觀性。監(jiān)測溫度計(jì)埋設(shè)位置見圖2，在上下游面共選取5個典型監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行溫度場反饋分析。

4.1 上游面監(jiān)測點(diǎn)選取監(jiān)測點(diǎn)TW3-3、TW3-7和監(jiān)測點(diǎn)TW3-9進(jìn)行溫度場反饋分析，其中監(jiān)測點(diǎn)TW3-3位于死水位以下，所在上游面保溫板浸水未脫落；監(jiān)測點(diǎn)TW3-7位于死水位和正常蓄水位之間，所在上游面保溫板未發(fā)生過脫落；監(jiān)測點(diǎn)TW3-9位于正常蓄水位以上，所在上游面保溫板發(fā)生過脫落并進(jìn)行了補(bǔ)貼。3個監(jiān)測點(diǎn)的溫度過程線見圖3—圖5。

從溫度計(jì)的實(shí)際監(jiān)測值和埋設(shè)位置臨近的結(jié)點(diǎn)溫度計(jì)算值比較可以看出，TW3-3監(jiān)測點(diǎn)在2010年6月以前，計(jì)算值與實(shí)測值比較接近，之后的最高溫度計(jì)算值較實(shí)測值偏低，這說明計(jì)算時通過《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319-2005）中規(guī)定的方法計(jì)算得出的庫水溫度跟實(shí)際的水溫有一定的差別，造成計(jì)算值與實(shí)測值有一定的出入。TW3-7監(jiān)測點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)測值的變化規(guī)律完全一致：在混凝土澆筑完畢的3～5 d內(nèi)混凝土達(dá)到最高溫度32℃；后面幾天由于水管冷卻、表面散熱等原因，混凝土溫度有所下降；在上層混凝土澆筑以后，由于熱量回灌混凝土溫度又有所回升；以后混凝土的溫度隨外界環(huán)境溫度的變化呈周期性波動，在每年2月溫度降到最低，在3℃左右。TW3-9監(jiān)測點(diǎn)在2010年12月28日保溫板脫落之前的溫度計(jì)算值與實(shí)測值非常接近，保溫板脫落后，混凝土壩面直接裸露于空氣中，在氣溫的作用下最低溫度均降至0℃以下，2011年1月補(bǔ)貼保溫板之后，實(shí)測的溫度值明顯高于計(jì)算值，尤其是2011年的8月份，實(shí)測溫度值接近甚至超過了外界氣溫，說明現(xiàn)場補(bǔ)貼保溫板的措施沒有達(dá)到預(yù)期效果。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)TW3-3溫度過程線

圖4 監(jiān)測點(diǎn)TW3-7溫度過程線

圖5 監(jiān)測點(diǎn)TW3-9溫度過程線

由此可見，根據(jù)現(xiàn)有資料得出的大壩溫度場計(jì)算的邊界條件選取基本合適，包括外界環(huán)境溫度變化、保溫措施熱學(xué)參數(shù)和施工蓄水過程等；由于蓄水過程中的庫水溫度變化比較復(fù)雜，而規(guī)范中的規(guī)定方法更適用于運(yùn)行期的穩(wěn)定庫水溫計(jì)算，造成以這種方法計(jì)算出的庫水溫作為邊界條件得到的上游面溫度的計(jì)算值與監(jiān)測值存在一定的差異；另外，保溫板脫落這種突發(fā)事件的不確定性也造成計(jì)算邊界條件與實(shí)際會有一定的出入，同時，保溫板脫落后再進(jìn)行黏貼的補(bǔ)救措施可能在施工工藝或者黏接性能上與原設(shè)計(jì)有較大差異，造成現(xiàn)場補(bǔ)貼保溫板的措施達(dá)不到預(yù)期的保溫效果。

4.2 下游面監(jiān)測點(diǎn)選取監(jiān)測點(diǎn)T03-3和監(jiān)測點(diǎn)T03-8進(jìn)行溫度場反饋分析，兩個監(jiān)測點(diǎn)的溫度過程線見圖6和圖7。從圖中可以看出，T03-3和T03-8監(jiān)測點(diǎn)的溫度實(shí)測值與計(jì)算值吻合得較好，由于下游面保溫狀況良好，每年的溫差在10℃左右。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)T03-3溫度過程線

圖7 監(jiān)測點(diǎn)T03-8溫度過程線

4.3 內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)選取監(jiān)測點(diǎn)T3-8和監(jiān)測點(diǎn)T3-23進(jìn)行溫度場反饋分析，兩個監(jiān)測點(diǎn)的溫度過程線見圖8和圖9。從圖中可以看出，大壩內(nèi)部三級配區(qū)域的兩個監(jiān)測點(diǎn)T3-8和T3-23的溫度計(jì)算值過程線與實(shí)測值過程線基本一致，說明大壩混凝土采用的計(jì)算參數(shù)可以反映其真實(shí)的熱力學(xué)性能。

圖8 監(jiān)測點(diǎn)T3-8溫度過程線

圖9 監(jiān)測點(diǎn)T3-23溫度過程線

5 應(yīng)力場分析

上游面監(jiān)測點(diǎn)TW3-3、TW3-7和監(jiān)測點(diǎn)TW3-9的應(yīng)力過程線見圖10—圖12。其中監(jiān)測點(diǎn)TW3-3在2010年1月溫度降到最低，此時的應(yīng)力最大達(dá)到2.3 MPa。監(jiān)測點(diǎn)TW3-7在2010年蓄水后的每年冬季溫度降到最低的時候產(chǎn)生的拉應(yīng)力較大，其中最大值為2.3 MPa。監(jiān)測點(diǎn)TW3-9的溫度在2010年12月28日保溫板脫落后，受外界氣溫直接作用下降低到0℃以下，產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力達(dá)5.7 MPa。

由此可見，上游面水位以下監(jiān)測點(diǎn)的最大拉應(yīng)力不超過混凝土的允許拉應(yīng)力（2.3 MPa），能滿足混凝土的抗裂要求；大壩位于庫水位以上的監(jiān)測點(diǎn)的最大拉應(yīng)力發(fā)生在保溫板脫落顯著高于混凝土的允許拉應(yīng)力，不能滿足混凝土的抗裂要求，很有可能造成混凝土開裂，但是后續(xù)保溫板補(bǔ)貼后混凝土的拉應(yīng)力很快降到允許值以下。因此大壩后續(xù)運(yùn)行過程中需要對保溫板脫落區(qū)域進(jìn)行及時的補(bǔ)貼。

圖10 監(jiān)測點(diǎn)TW3-3應(yīng)力過程線

圖11 監(jiān)測點(diǎn)TW3-7應(yīng)力過程線

圖12 監(jiān)測點(diǎn)TW3-9應(yīng)力過程線

下游面監(jiān)測點(diǎn)T03-3和監(jiān)測點(diǎn)T03-8兩個監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力過程線見圖13和圖14。兩個監(jiān)測點(diǎn)在澆筑后的第一個冬季和第二個冬季拉應(yīng)力達(dá)到最大，最大拉應(yīng)力分別為2.0 MPa和2.45 MPa，可見下游面局部區(qū)域最大拉應(yīng)力略高于混凝土的允許拉應(yīng)力（2.3 MPa），不能滿足混凝土的抗裂要求，但超出幅度較小，應(yīng)不會出現(xiàn)明顯的開裂現(xiàn)象。

圖13 監(jiān)測點(diǎn)T03-3應(yīng)力過程線

圖14 監(jiān)測點(diǎn)T03-8應(yīng)力過程線

6 結(jié)論

通過對新疆某混凝土重力壩運(yùn)行期溫度場的反饋分析和應(yīng)力計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：

（1）將大壩上下游面及內(nèi)部混凝土中埋設(shè)的溫度計(jì)的實(shí)測值和該處的溫度計(jì)算值進(jìn)行比較可以看出，下游表面混凝土和內(nèi)部三級配混凝土擬合精度較高，上游表面混凝土在澆筑后的前期擬合效果也很好，說明仿真計(jì)算結(jié)果采用的方法是正確的，計(jì)算參數(shù)及邊界條件也基本符合大壩的實(shí)際情況，可以滿足大壩后期溫度場及應(yīng)力場預(yù)測的要求。但是受到外界環(huán)境、保溫效果、施工情況、庫水位變化及計(jì)算中庫水溫的取值方法等因素的影響，上游表面混凝土在后期的擬合精度較低。

（2）在大壩運(yùn)行階段受環(huán)境因素等的影響，大壩局部區(qū)域施加的溫控措施的效果有所減弱，導(dǎo)致這些區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力超標(biāo)的現(xiàn)象。其中，大壩上游面中部高程和大壩下游面的大部分區(qū)域混凝土的拉應(yīng)力值略高于混凝土的允許拉應(yīng)力，不能滿足混凝土的抗裂要求，但超出幅度較小，應(yīng)不會出現(xiàn)明顯的開裂現(xiàn)象；大壩位于庫水位以上的區(qū)域受到保溫板脫落的影響，其最大拉應(yīng)力（5.0 MPa左右）顯著高于混凝土的允許拉應(yīng)力（2.3 MPa），不能滿足混凝土的抗裂要求，很有可能出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，建議對運(yùn)行過程中保溫板脫落區(qū)域進(jìn)行及時的補(bǔ)貼。