基于溫度應(yīng)力仿真的三河口碾壓混凝土拱壩分縫設(shè)計(jì)研究

劉 茜，張 昕，王家明，嚴(yán) 濤

(1.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，西安 710024；2.西安理工大學(xué)，西安 710048)

1 概述

碾壓混凝土拱壩通倉薄層澆筑、全斷面整體碾壓、大面積連續(xù)上升，具有施工進(jìn)度快、超載能力強(qiáng)、安全性能高等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前國內(nèi)外高壩建設(shè)的一個(gè)重要發(fā)展方向[1]。其快速高效的施工特點(diǎn)，使得混凝土產(chǎn)生的水化熱短時(shí)期內(nèi)大量積蓄在壩體，不能及時(shí)消散，產(chǎn)生較大的內(nèi)外和上下層溫差。受周邊基礎(chǔ)和外部環(huán)境的雙重約束作用，壩體更易產(chǎn)生溫度裂縫[2-4]。因而，不論結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是現(xiàn)場施工，都應(yīng)高度重視碾壓混凝土拱壩的溫控防裂工作。

選擇合理的壩體結(jié)構(gòu)分縫方案，降低溫度荷載產(chǎn)生的不利影響，控制溫度收縮引起的無序裂縫，對(duì)碾壓混凝土拱壩尤其關(guān)鍵。周偉等[5]通過全過程溫度應(yīng)力仿真計(jì)算，分析了萬家口子碾壓混凝土拱壩不同結(jié)構(gòu)分縫方案的壩體工作性態(tài)；周燕紅等[6]考慮桑郎碾壓混凝土拱壩施工期瞬態(tài)溫度荷載，對(duì)不同結(jié)構(gòu)分縫的壩體應(yīng)力和誘導(dǎo)縫開裂情況進(jìn)行了分析比較；李海楓等[7]改進(jìn)了碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫數(shù)值計(jì)算模型，并提出基于全過程溫控仿真分析的誘導(dǎo)縫防裂設(shè)計(jì)方法；李金鳳[8]通過招徠河碾壓混凝土拱壩的三維非線性結(jié)構(gòu)計(jì)算，提出了分縫拱壩的溫度荷載計(jì)算公式；陳媛等[9]依托沙牌碾壓混凝土拱壩，通過結(jié)構(gòu)模型破壞試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了拱壩的分縫形式和壩體開裂、破壞機(jī)理。

目前，國內(nèi)外碾壓混凝土拱壩普遍采用“誘導(dǎo)縫”或“橫縫+誘導(dǎo)縫”的分縫形式來改善壩體約束條件、釋放壩體溫度應(yīng)力。研究表明以下兩種情況的碾壓混凝土拱壩必須設(shè)置橫縫[10]：① 地處寬淺河谷且不能在低溫季節(jié)完成壩體混凝土澆筑;② 地處高寒地區(qū)且穩(wěn)定溫度較低。因此，對(duì)碾壓混凝土拱壩進(jìn)行合理地分縫設(shè)計(jì)，使其在滿足溫控標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)又不影響結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性和安全性，具有重要的實(shí)際研究價(jià)值。本文采用有限元分析軟件ANSYS，對(duì)考慮全過程瞬態(tài)溫度荷載的三河口碾壓混凝土拱壩進(jìn)行溫度應(yīng)力仿真和分縫設(shè)計(jì)研究，并在初期蓄水階段對(duì)壩體接縫實(shí)施變形監(jiān)測分析。研究成果可為類似工程的溫度控制和裂縫預(yù)防提供借鑒，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 溫度應(yīng)力計(jì)算原理

壩體混凝土溫度場的時(shí)空分布規(guī)律見式(1)，定解邊值條件詳見文獻(xiàn)[10]。

(1)

式中:

α——導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h；

θ——絕熱溫升，℃。

壩體混凝土在某個(gè)時(shí)間段的應(yīng)力-應(yīng)變增量見式(2)，逐時(shí)段累加可得應(yīng)力見式(3)。

(2)

(3)

式中：

[Dn]——彈性矩陣；

3 基本資料

3.1 工程概況

三河口碾壓混凝土拱壩為拋物線雙曲拱壩，最大壩高為141.5 m，壩頂拱圈上游弧長為472.15 m，壩頂厚為9.0 m、拱冠梁底厚為36.60 m，為中厚拱壩(壩體厚高比為0.26)。大壩泄洪建筑物正對(duì)下游主河床布置，由3個(gè)溢流表孔和2個(gè)排沙底孔組成。2016年11月開始澆筑壩體混凝土，2019年2月壩體混凝土澆筑至壩頂。該拱壩壩址區(qū)多年月平均氣溫見表1。

表1 三河口碾壓混凝土拱壩壩址區(qū)月平均氣溫 ℃

3.2 混凝土材料參數(shù)

三河口碾壓混凝土拱壩壩體各部位混凝土熱力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 壩體各部位混凝土熱力學(xué)參數(shù)

3.3 壩體分縫方案及有限元計(jì)算模型

國內(nèi)部分已建碾壓混凝土拱壩工程實(shí)踐表明，壩體分縫間距一般控制在30～90 m，如果分縫間距過大，即使采取溫度控制措施也會(huì)使得壩段內(nèi)混凝土溫度分布不均，導(dǎo)致殘余溫度應(yīng)力過大。三河口碾壓混凝土拱壩壩體分縫方案1(4條誘導(dǎo)縫+4條橫縫)和方案2(4條誘導(dǎo)縫+5條橫縫)見圖1和圖2。采用生死單元技術(shù)模擬壩體混凝土的施工過程[11-13]，建立圖3所示的三維有限元計(jì)算模型，利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(ANSYS Parametric Design Language)編制開發(fā)APDL命令流自動(dòng)進(jìn)行壩體溫度場和溫度應(yīng)力場的仿真計(jì)算。

圖1 壩體分縫方案1示意

圖2 壩體分縫方案2示意

圖3 三維有限元計(jì)算模型示意

3.4 溫控標(biāo)準(zhǔn)

壩體混凝土允許溫度應(yīng)力按式(4)確定[14]，經(jīng)計(jì)算三河口碾壓混凝土拱壩壩體各部位混凝土允許拉應(yīng)力見表3。

表3 壩體各部位混凝土允許拉應(yīng)力

(4)

式中：

εp——極限拉伸標(biāo)準(zhǔn)值；

Ec——彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值，GPa；

a 墊層(壩高0.3 m處)

Kf——安全系數(shù)，取為1.65。

4 溫控仿真計(jì)算工況

分別對(duì)兩種壩體分縫方案進(jìn)行溫度場和溫度應(yīng)力場仿真計(jì)算，計(jì)算工況見表4。

表4 溫控仿真計(jì)算工況

工況1：不采取通水冷卻措施，控制5—9月混凝土澆筑溫度18.0℃、10月—次年4月混凝土澆筑溫度為月平均氣溫加2℃的太陽輻射溫升。

工況2：在工況1的基礎(chǔ)上采取通水冷卻措施。為降低壩體混凝土的最高溫度，在大層混凝土澆筑完即刻進(jìn)行初期通水冷卻；此外，為了滿足壩體接縫灌漿的要求，在接縫灌漿前進(jìn)行中、后期通水冷卻。冷卻水管水平和垂直間距為1.5 m×1.5 m，通水流量為1.0 m3/h，單根長度為250 m。

5 計(jì)算成果分析

5.1 溫度場計(jì)算成果分析

對(duì)兩種壩體分縫方案分別進(jìn)行溫度場仿真計(jì)算，由于兩種分縫方案下的壩體溫度場分布規(guī)律基本一致，此處僅給出方案2(滿足溫控標(biāo)準(zhǔn)的壩體分縫方案)的溫度場計(jì)算結(jié)果。工況2基礎(chǔ)約束區(qū)(強(qiáng)、弱約束區(qū))碾壓混凝土最高溫度云圖見圖4，各工況不同區(qū)域(強(qiáng)、弱、非約束區(qū))碾壓混凝土最高溫度、穩(wěn)定溫度和最大溫差見表5。

a)強(qiáng)約束區(qū)

表5 各工況不同區(qū)域碾壓混凝土最高溫度、穩(wěn)定溫度和最大溫差 ℃

溫度場計(jì)算結(jié)果分析表明：

1)不同的分縫布置方案溫度場分布規(guī)律基本一致，在拱冠梁剖面增加1條橫縫(壩體采用“5條橫縫+4條誘導(dǎo)縫”的分縫布置形式)，可適當(dāng)減小壩體約束區(qū)范圍，提高約束區(qū)基礎(chǔ)容許溫差，對(duì)壩體溫控防裂是有利的。

2)強(qiáng)約束區(qū)碾壓混凝土在低溫季節(jié)澆筑，未采取通水冷卻措施，因此工況1和工況2的溫度場分布規(guī)律基本一致，方案1最大溫差超過規(guī)范容許溫差，方案2最大溫差未超過規(guī)范容許溫差；弱約束區(qū)碾壓混凝土范圍內(nèi)，方案1和方案2只控制澆筑溫度(工況1)的最大溫差均超過規(guī)范容許溫差，既控制澆筑溫度又通水冷卻(工況2)的最大溫差均未超過規(guī)范容許溫差。綜上所述：三河口碾壓混凝土拱壩采用方案2的分縫形式和采取工況2的溫控措施，即可滿足壩體溫度控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

3)在施工期，對(duì)高溫和次高溫季節(jié)澆筑的壩體混凝土，采取控制澆筑溫度和通水冷卻的雙重溫控措施，可將混凝土最高溫度降低7℃～8℃。

4)三河口碾壓混凝土拱壩壩體溫度場的時(shí)空分布規(guī)律符合一般客觀規(guī)律。壩體最高溫度出現(xiàn)在施工期內(nèi)，最高溫度降到穩(wěn)定溫度需要經(jīng)過一個(gè)漫長的過程。拱壩運(yùn)行期壩體混凝土與外部環(huán)境進(jìn)行熱交換，壩體內(nèi)部最高溫度逐漸降低并趨于穩(wěn)定溫度13.5℃。

5.2 應(yīng)力場計(jì)算成果分析

工況2滿足碾壓混凝土壩溫度控制標(biāo)準(zhǔn)要求，因此針對(duì)工況2對(duì)兩種壩體分縫方案分別進(jìn)行應(yīng)力場仿真計(jì)算。方案1壩體中間壩段第一主應(yīng)力S1包絡(luò)圖見圖5，方案2壩體不同部位混凝土最大溫度應(yīng)力見表6，方案2拱冠梁剖面不同高程典型點(diǎn)第一主應(yīng)力S1歷時(shí)曲線見圖6。

圖5 方案1壩體中間壩段第一主應(yīng)力S1包絡(luò)示意(單位：MPa)

表6 方案2壩體不同部位混凝土最大溫度應(yīng)力 MPa

溫度場應(yīng)力場計(jì)算結(jié)果分析表明：

1)壩體應(yīng)力與溫度的時(shí)空分布規(guī)律基本吻合，即高溫和次高溫季節(jié)澆筑的混凝土，溫度較高、應(yīng)力相對(duì)較大；低溫季節(jié)澆筑的混凝土，溫度較低、應(yīng)力相對(duì)較小。拱壩結(jié)構(gòu)比較單薄，壩體內(nèi)部和表面的溫度應(yīng)力隨外部環(huán)境溫度以年為周期呈簡諧變化。

2)方案1中間壩段混凝土溫度應(yīng)力偏大，不滿足混凝土拱壩應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，需在拱冠梁附近再加設(shè)1條橫縫，以改善壩體約束條件，削弱基礎(chǔ)溫降引起的拱向溫度應(yīng)力，減小壩體開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3)方案2滿足混凝土拱壩應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)要求，墊層常態(tài)混凝土C2825W6F150最大溫度應(yīng)力為1.86 MPa，溢流面常態(tài)混凝土C2840W8F200最大溫度應(yīng)力為2.13 MPa；迎水面二級(jí)配碾壓混凝土C9025W8F150和壩體內(nèi)部三級(jí)配碾壓混凝土C9025W6F100最大溫度應(yīng)力均出現(xiàn)在低溫季節(jié)壩體表面，主要是由于較高的澆筑溫度和水化熱溫升，使得壩體內(nèi)部溫度升高，入冬后內(nèi)外溫差梯度增大，受周邊基礎(chǔ)和外界環(huán)境的雙重約束，從而產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。

6 橫縫及誘導(dǎo)縫變形監(jiān)測分析

三河口水利樞紐作為引漢濟(jì)渭工程兩個(gè)水源地之一，其主要任務(wù)是調(diào)蓄支流子午河來水及一部分抽入水庫的漢江干流來水，向關(guān)中地區(qū)供水，兼顧發(fā)電。攔河壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，無論結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是現(xiàn)場施工均取得很大突破，因而在建設(shè)和初次蓄水過程中的工作性態(tài)備受關(guān)注。因此，為全面深入了解三河口碾壓混凝土拱壩蓄水至550 m高程各收縮縫的安全狀態(tài)，采用單向測縫計(jì)對(duì)壩體接縫變形進(jìn)行安全監(jiān)測，測縫計(jì)垂直于縫面沿高程呈梅花形布置。蓄水階段壩體接縫測縫計(jì)特征值統(tǒng)計(jì)見表7。

表7 蓄水階段壩體接縫測縫計(jì)特征值統(tǒng)計(jì) mm

壩體接縫變形監(jiān)測結(jié)果分析表明：蓄水期間，橫縫和誘導(dǎo)縫開合度整體變化較小，變幅在0.3 mm以內(nèi)，未出現(xiàn)異常突變跡象，說明本次蓄水對(duì)已灌漿的接縫開合度基本無影響，同時(shí)也印證了三河口碾壓混凝土拱壩采用的分縫方案和采取的溫控措施是合理可行的。壩體接縫變形安全監(jiān)測評(píng)價(jià)，不僅是監(jiān)察施工質(zhì)量、反饋設(shè)計(jì)成果的有效手段，也是及時(shí)準(zhǔn)確地掌握大壩工作性態(tài)，為蓄水決策提供技術(shù)支撐的重要手段。

7 結(jié)語

采用有限元軟件ANSYS，考慮全過程瞬態(tài)溫度荷載，對(duì)三河口碾壓混凝土拱壩進(jìn)行了基于溫度應(yīng)力仿真的分縫設(shè)計(jì)研究，計(jì)算結(jié)果表明：

1)采取控制澆筑溫度(5—9月澆筑溫度為18.0℃)和通水冷卻(初冷15 d，冷卻水溫18℃；中冷60 d，冷卻水溫18℃和14℃；后冷30 d，冷卻水溫8℃)的雙重溫控措施，采用“4條誘導(dǎo)縫+5條橫縫”的分縫形式，可保證壩體在溫度荷載下的運(yùn)行安全。

2)增加壩體分縫條數(shù)，可適減小壩體分縫間距和基礎(chǔ)約束區(qū)范圍，改善壩體約束條件，削弱施工期溫度回降引起的拱向溫度應(yīng)力，對(duì)壩體溫控防裂是個(gè)有利因素。

3)三河口碾壓混凝土拱壩初期下閘蓄水至550 m高程，壩體橫縫和誘導(dǎo)縫的開合度整體變化較小，變幅在0.3 mm以內(nèi)，未出現(xiàn)異常突變跡象，說明本次蓄水對(duì)已灌漿的接縫開合度基本無影響，也印證了采用的分縫方案和采取的溫控措施是合理可行的。