大體積混凝土壩施工期溫度場仿真分析

趙文州

(新疆兵團勘測設(shè)計院(集團) 有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830002)

大體積混凝土施工過程中常常存在著溫度裂縫的問題[1-3]，混凝土重力壩作為大體積混凝土的一種形式，其溫度裂縫問題亦不容忽視。隨著我國西部一批混凝土壩的陸續(xù)開工建設(shè)，大壩施工期溫度場研究也已經(jīng)成為壩工界研究的熱點之一[4-5]。其中施工過程水泥水化熱引起的溫度場改變是壩體產(chǎn)生溫度裂縫的關(guān)鍵原因。對溫度場的研究主要分為解析方法和近似方法兩種分析方法，解析方法主要基于固體熱傳導(dǎo)理論，根據(jù)模型邊界條件的實際情況得到解的函數(shù)形式，然而實際工程中的邊界條件大都較為復(fù)雜，給解析方法在工程界的推廣運用增加了難度。隨著計算機科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，學(xué)者們在模擬大體積混凝土施工過程溫度場的研究中，近似方法中的有限元法得到廣泛應(yīng)用[6-7]。文章以國內(nèi)某混凝土壩工程為研究對象，建立了大壩三維仿真模型，并對其施工過程中溫度場變化規(guī)律進行詳細的分析研究，復(fù)核大壩施工設(shè)計中的溫控措施，結(jié)合有限元分析結(jié)果對大壩溫控及防裂措施提出改進建議，研究成果供混凝土重力壩溫控設(shè)計提供參考。

1 計算理論與方法

在溫度場計算區(qū)域R內(nèi)應(yīng)滿足拉普拉斯方程：

(1)

(2)

(3)

其中：β，λ分別為表面散熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)；Ta、Tb為邊界溫度。n為外法線方向。

對上式方程在R內(nèi)用加權(quán)余量法可以得到：

(4)

對上式進行分部積分得：

(5)

(6)

代入邊界條件求得穩(wěn)定溫度場的方程為：

(7)

2 混凝土壩施工期溫度場仿真分析

2.1 工程概況

圖1 大壩三維模型 圖2 壩體材料分區(qū)

表1 材料熱、力學(xué)性能參數(shù)

2.2 壩體混凝土的澆注溫度

壩體混凝土澆筑溫度按下式確定：

Tn=Tas+Tr+(Tb-Tas)E1+(Tp-Tas)E2

(8)

式中：E1為老混凝土澆筑塊平均溫度殘留比；E2為新澆筑混凝土塊向外界傳熱后的平均溫度殘留比；Tr為水化熱傳熱后殘留溫升；Tb為老混凝土塊或基巖材料平均溫度；Tas為混凝土塊的表面溫度；Tp為混凝土澆筑溫度。根據(jù)項目溫控設(shè)計方案，本文分別選取自然澆筑和控溫澆筑兩種工況進行對比分析。

工況一：假定在壩體混凝土澆筑過程中不考慮相關(guān)溫控措施，入倉溫度為自然溫度。工程經(jīng)驗表明，自然澆筑狀態(tài)下混凝土入倉溫度一般比當日外界氣溫高出2℃～4℃，在本文研究中取平均值3℃計算。

工況二：考慮項目采取的相關(guān)溫控措施，對混凝土入倉溫度進行控制，即滿足混凝土入倉溫度大于6℃小于18℃的溫控標準?；炷翝仓跏紲囟热绫?所示。

表2 混凝土澆筑溫度

2.3 壩體施工期溫度場模擬

本文采用APDL語言實現(xiàn)對壩體施工期溫度場的模擬，根據(jù)工程資料可知，壩體混凝土澆筑工期為300 d。壩體主要分為兩段施工，壩體高程548.8～564.0 m部分(計劃工期11月到次年1月)和壩體高程564.0～616.1.0 m部分(計劃工期2月到次年8月)。壩體底部和頂部C20混凝土部分采用一次通倉澆筑，壩體其余部分采取薄層澆筑。壩體施工至110 d時，澆筑高度23 m。自然澆筑工況(工況一)下壩體溫度場等值線圖如圖3(a)所示，經(jīng)計算此時外界氣溫為3.1℃，壩體最低溫度值為4.2℃，位于上下游表面位置。壩體最高溫度值為21.4℃，位于高程555.0 m處附近，壩體內(nèi)部最大溫差為17.2℃?？販貪仓r(工況二)下壩體溫度場等值線圖如圖3(b)所示，與工況一類似，在考慮溫控措施后，最低溫度同樣出現(xiàn)在上下游表面位置，其值為7.6℃，最高溫度同樣出現(xiàn)在高程555.0 m處附近，其值為25℃，壩體內(nèi)部最大溫差17.4℃。對比圖3(a)和圖3(b)不難發(fā)現(xiàn)，兩種工況下，壩體混凝土最大溫差接近，均滿足本項目最大容許溫差18℃。

圖3 澆筑第110天壩體溫度場等值線圖

壩體施工至200天時，澆筑高度47 m。自然澆筑工況(工況一)下壩體溫度場等值線圖如圖4(a)所示，經(jīng)計算此時外界氣溫為22.2℃，壩體最低溫度值為15.3℃，位于壩體底部位置。壩體最高溫度值為32.1℃，位于高程580.0 m處附近，壩體內(nèi)部最大溫差為16.8℃?？販貪仓r(工況二)下壩體溫度場等值線圖如圖4(b)所示，與工況一類似，在考慮溫控措施后，最低溫度同樣出現(xiàn)在壩體底部位置，其值為16.1℃，最高溫度同樣出現(xiàn)在高程580.0 m處附近，其值為30.8℃，壩體內(nèi)部最大溫差14.7℃。對比圖4(a)和圖4(b)不難發(fā)現(xiàn)，與工況一相比，采取控溫措施后，壩體內(nèi)部最大溫差略有降低，兩種工況下壩體溫差均滿足設(shè)計要求。

圖4 澆筑第200天壩體溫度場等值線圖

壩體施工至300天，此時壩體澆筑完成。自然澆筑工況(工況一)下壩體溫度場等值線圖如圖5(a)所示，經(jīng)計算此時外界氣溫為22.2℃，壩體最高溫度出現(xiàn)在高程592.0 m處附近，其值為42.6℃。最低溫度為16℃，位于壩體底部位置，壩體自身溫差值為26.6℃，超出設(shè)計容許溫差值?？販貪仓r(工況二)下壩體溫度場等值線圖如圖5(b)所示，在考慮溫控措施后，壩體最高溫度同樣位于高程592.0 m處附近，其值為33.0℃。最低溫度17℃，同樣位于壩體底部位置，壩體自身溫差值16℃。對比圖5(a)和圖5(b)可以看出，在壩體澆筑完成時，自然澆筑工況下大壩內(nèi)外溫差和壩體自身溫差均不滿足設(shè)計要求，當采取相應(yīng)溫控措施后，壩體澆筑混凝土最高溫度值均得到顯著降低，溫差值滿足設(shè)計要求。

圖5 澆筑第300天壩體溫度場等值線圖

3 結(jié)語

壩體施工期由水泥水化熱和外界條件引起的溫度場變化往往是導(dǎo)致壩體裂縫的直接原因。因此，為防止壩體裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，就有必要對壩體進行施工全過程的溫度場仿真分析，研究其溫度場分布規(guī)律。本文結(jié)合某混凝土壩具體工程，基于Ansys建立大壩三維模型，并對其施工全過程溫度場進行分析模擬。研究結(jié)果表明，在考慮相應(yīng)溫控措施后，能夠顯著降低大壩內(nèi)外和壩體自身溫度差。值得注意的是在冬季施工時，受外界較低氣溫影響，壩體自身溫差接近達到最大容許溫差值，這里建議在冬季施工過程中除基本的溫控措施外，還應(yīng)適當采取其他溫控措施，比如對已澆倉面覆蓋保溫材料等。