堆石混凝土重力壩溫度應(yīng)力仿真分析及溫控措施研究

張媛媛

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710004）

0 引言

大體積混凝土壩的防裂性能是影響大壩工程質(zhì)量的三大關(guān)鍵問(wèn)題之一[1]。雖然堆石混凝土具有水泥用量低,水化熱低的特點(diǎn),但是工程實(shí)踐表明,由于堆石混凝土壩通常不分縱縫,僅僅靠自然散熱,導(dǎo)致大壩內(nèi)部高溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),尤其是重力壩,壩體要降到穩(wěn)定溫度的過(guò)程十分漫長(zhǎng)[2]。特別是在低溫季節(jié)或遇到寒潮時(shí),會(huì)因?yàn)檩^大的內(nèi)外溫差引起壩體表面裂縫。重要部位的裂縫,很可能會(huì)影響到大壩的使用功能,還有可能破壞大壩穩(wěn)定,造成嚴(yán)重的安全事故。因此,有必要對(duì)堆石混凝土重力壩的溫度應(yīng)力進(jìn)行分析,為控制溫度裂縫提供依據(jù)[3]。

本文以滿坪水庫(kù)為研究對(duì)象,通過(guò)大型有限元分析軟件,對(duì)堆石混凝土重力壩的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了有限元計(jì)算和仿真分析,提出了合理的溫控措施,為類似工程提供了工程借鑒。

1 工程概況

滿坪水庫(kù)位于青海省民和縣滿坪鎮(zhèn)前河溝上游小峽門溝口處,庫(kù)區(qū)海拔高度在2500 m~2600 m之間,氣候寒冷,人飲和灌溉是水庫(kù)的主要功能,同時(shí)兼顧防洪和改善河道生態(tài)。

該水庫(kù)總庫(kù)容108.4×104m3,其中死庫(kù)容4.79 萬(wàn) m3,興利庫(kù)容98.2 萬(wàn)m3,防洪庫(kù)容5.407 萬(wàn) m3；相應(yīng)死水位2489.68 m,校核洪水位2539.34 m,設(shè)計(jì)洪水位2539.06 m,正常蓄水位2538 m。該水庫(kù)屬Ⅳ等?。?）型工程,主要建筑物級(jí)別為4 級(jí),次要和臨時(shí)建筑物級(jí)別為5 級(jí)。水庫(kù)大壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)采用50 年一遇設(shè)計(jì)（洪峰流量50 m3/s）,200年一遇校核（洪峰流量68.3 m3/s）,臨時(shí)建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)采用10年一遇（洪峰流量29.4 m3/s）。

本工程的主要建筑物由非溢流壩、溢流壩、放水管和導(dǎo)流底孔四大部分組成。其中,大壩為堆石混凝土重力壩,壩頂長(zhǎng)度130 m,壩頂高程2540.8 m,壩頂寬度為6 m,最大壩高77 m。

2 計(jì)算理論

（1）溫度應(yīng)力

式中：[B]為應(yīng)變與位移的轉(zhuǎn)換矩陣；[D]為彈性矩陣。

（2）仿真應(yīng)力

混凝土是彈性徐變體[4],在仿真計(jì)算中要考慮混凝土的徐變影響,否則計(jì)算出來(lái)的溫度應(yīng)力偏大,而且偏差可能比較嚴(yán)重。

混凝土的徐變?nèi)岫萚4]為：

式中：{?Pn}L為外荷載引起的結(jié)點(diǎn)荷載增量； {?Pn}C為徐變引起的結(jié)點(diǎn)荷載增量；{?Pn}T為溫度引起的結(jié)點(diǎn)荷載增量；{?Pn}0為自生體積變形引起的結(jié)點(diǎn)荷載增量； {?Pn}S為干縮引起的結(jié)點(diǎn)荷載增量。

由式（4）求出各個(gè)結(jié)點(diǎn)的位移增量之后,由式（3）求得應(yīng)力增量,累加以后得到各個(gè)單元τn時(shí)刻的應(yīng)力。

3 壩體溫度應(yīng)力計(jì)算

本次計(jì)算運(yùn)用混凝土結(jié)構(gòu)溫控防裂全過(guò)程仿真計(jì)算軟件（WKFLRJB）和 SAPTIS程序。由于本篇對(duì)大壩施工期及運(yùn)行期全過(guò)程進(jìn)行應(yīng)力分析,則可選擇典型壩段進(jìn)行單壩段仿真計(jì)算[5],即以泄流底孔壩段為典型壩段,為考慮不同壩段寬度的影響,將壩段寬度設(shè)置為22 m。如果22 m寬的泄流底孔壩段能滿足抗裂要求,那么17 m寬的溢流壩段和22 m寬的擋水壩段均能滿足要求。

3.1 泄流底孔壩段計(jì)算模型

混凝土是彈性徐變體[6],在計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)應(yīng)考慮混凝土徐變,不計(jì)自生體積變形。計(jì)算模型見(jiàn)圖1,計(jì)算網(wǎng)格共有26055 個(gè)單元,31474 個(gè)結(jié)點(diǎn),361 個(gè)縫單元。計(jì)算過(guò)程中將各壩段的坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)于0 高程水平面、壩縱+0.0 平面和壩橫+44.85,定義順河方向?yàn)閄軸正方向,由右岸到左岸方向?yàn)閅軸正方向,建基面高程往上為Z軸正方向。

圖1 壩體網(wǎng)格圖

3.2 泄流底孔壩段計(jì)算工況

在混凝土壩施工中,影響壩體溫度和溫度應(yīng)力的因素很多,溫度變化過(guò)程十分復(fù)雜。影響溫度應(yīng)力的主要內(nèi)因是溫度變化,主要外因是結(jié)構(gòu)約束。因此,溫度控制主要應(yīng)從內(nèi)因和外因兩方面進(jìn)行把握。計(jì)算工況有兩種,工況1采用了一系列溫控措施,如控制澆筑溫度,高溫季節(jié)采用表面流水降溫,冬季采用表面保溫措施等。工況2 在采用溫控措施的基礎(chǔ)上,在上游防滲板增設(shè)伸縮縫。壩體每22 m設(shè)置一道橫縫,上游面設(shè)有1.0 m~1.5 m防滲面板,防滲面板每11 m設(shè)置一道伸縮縫[7]。

3.3 溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 工況1計(jì)算成果分析

本節(jié)研究采用簡(jiǎn)單溫控措施的影響,上游防滲面板不設(shè)伸縮縫。對(duì)于中小型堆石混凝土壩,堆石混凝土的水化熱溫升較小,在低溫季節(jié)澆筑考慮選擇簡(jiǎn)單易行的溫控措施。然而對(duì)于大體積高壩來(lái)說(shuō),特別是在高溫時(shí)期連續(xù)施工,澆筑溫度高導(dǎo)致最高溫度較大,不采用溫控措施難以保證質(zhì)量。因此,采取溫控措施應(yīng)從減小內(nèi)外溫差的角度來(lái)解決。具體可控制澆筑溫度,采用表面流水、表面保溫等措施。

最大壩高剖面最高溫度包絡(luò)圖見(jiàn)圖2,混凝土的最高溫度位于壩體內(nèi)部,澆筑季節(jié)直接影響最高溫度的數(shù)值高低,大壩頂部高溫季節(jié)澆筑的混凝土最高溫度為24℃左右,大壩中下部相對(duì)低溫季節(jié)澆筑的混凝土最高溫度為16℃左右。大壩上游面的混凝土溫度在蓄水之前隨氣溫周期性變化,在蓄水之后隨庫(kù)水溫周期性變化,并且下游面的混凝土溫度在蓄水之后隨氣溫周期性變化。通過(guò)計(jì)算大壩最大壩高剖面的穩(wěn)定溫度場(chǎng)和準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)可知,下部高程的大壩穩(wěn)定溫度場(chǎng)為8℃左右,上部高程的大壩穩(wěn)定溫度場(chǎng)為10℃左右。

圖2 最大壩高剖面最高溫度包絡(luò)圖

利用低溫時(shí)段澆筑混凝土,壩體拉應(yīng)力較小,適當(dāng)控制澆筑溫度,可以降低最高溫度與溫差,從而降低壩體拉應(yīng)力,可不采取分縫和溫控措施。堆石混凝土根據(jù)試驗(yàn)和計(jì)算成果,在仿真分析時(shí)取最大溫升值為15℃。當(dāng)氣溫小于15℃時(shí),澆筑溫度等于氣溫,當(dāng)氣溫高于15℃時(shí),澆筑溫度按15℃考慮。在蓄水前施工期低溫季節(jié)（10月~3月）上游面、下游面與倉(cāng)面都應(yīng)采用表面保溫措施[8],也就是采用2 cm厚聚苯乙烯泡沫板,并且應(yīng)保證覆蓋嚴(yán)密、搭接完好,實(shí)際施工時(shí)按保溫板下部溫度不低于1℃控制。

而對(duì)高溫期澆筑的混凝土來(lái)說(shuō),應(yīng)考慮采用表面流水或者避開高溫時(shí)段澆筑的方式散熱。

采用表面流水降溫,蓄水前施工期氣溫高于15℃時(shí),上下游面、倉(cāng)面溫度取15℃。

選取最能代表大壩溫度應(yīng)力的應(yīng)力包絡(luò)圖,即為工況1大壩上游面最大橫河向應(yīng)力包絡(luò)圖（見(jiàn)圖3）。滿坪水庫(kù)工程等別為Ⅳ等,主要建筑物為4級(jí)建筑物,抗裂安全系數(shù)取1.5,并以此確定各混凝土分區(qū)的抗拉強(qiáng)度和允許拉應(yīng)力,見(jiàn)表1、表2。

圖3 上游面最大橫河向應(yīng)力包絡(luò)圖

表1 混凝土抗拉強(qiáng)度 單位：MPa

表2 混凝土允許拉應(yīng)力 單位：MPa

計(jì)算可得,內(nèi)部最大橫河向應(yīng)力為0.6 MPa。長(zhǎng)間歇面附近上游面橫河向拉應(yīng)力為1.4 MPa。2475 m~2480 m上游面橫河向拉應(yīng)力為1.4 MPa。長(zhǎng)間歇面附近下游面橫河向拉應(yīng)力為1.4 MPa。2475 m~2480 m上游面橫河向拉應(yīng)力為0.8 MPa。上游面豎向拉應(yīng)力為1.4 MPa。均滿足防裂要求。

總之,上游防滲面板不設(shè)置伸縮縫時(shí),只采取簡(jiǎn)單溫控措施,上游防滲板和壩體頂部較薄且高溫澆筑的堆石混凝土體的拉應(yīng)力較大。

采取簡(jiǎn)單溫控措施后,各月最高溫度見(jiàn)表3。

表3 采取簡(jiǎn)單溫控措施各月最高溫度 單位：℃

3.3.2 工況2計(jì)算成果分析

青海屬于高海拔地區(qū),冬夏季節(jié)溫差大,溫度作用明顯,壩體在溫差作用下存在較大的拉裂風(fēng)險(xiǎn)[9]。不進(jìn)行上游防滲面板的分縫,只采取簡(jiǎn)單的溫控措施,壩體的拉應(yīng)力削減作用有限,因此本節(jié)繼續(xù)采用工況1的溫控措施,研究采用防滲板分縫對(duì)溫度應(yīng)力的影響。

如圖4~圖5所示為最大壩高剖面最高溫度包絡(luò)圖,上游面最大橫河向應(yīng)力包絡(luò)圖。與工況1相比,本工況針對(duì)上游防滲板的拉應(yīng)力較大問(wèn)題。對(duì)比兩個(gè)工況的上游面橫河向拉應(yīng)力包絡(luò)圖可知,分縫后,約束條件降低,上游面拉應(yīng)力有顯著降低。長(zhǎng)間歇面附近上游面橫河向拉應(yīng)力由1.8 MPa降低至1.0 MPa,2475 m~2480 m高程上游面拉應(yīng)力由1.8 MPa降低至0.8 MPa。分縫后,上游面橫河向拉應(yīng)力均控制在1.0 MPa以內(nèi)。均滿足防裂要求。

圖4 大壩最大壩高剖面最高溫度包絡(luò)圖

圖5 上游面最大橫河向應(yīng)力包絡(luò)圖

4 結(jié)論與建議

本文研究了滿坪水庫(kù)堆石混凝土壩的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力規(guī)律,研究了兩種工況對(duì)壩體溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響,結(jié)論如下：

（1）溫度場(chǎng)分布規(guī)律：混凝土澆筑溫度越高,混凝土內(nèi)部達(dá)到的峰值溫度就越高,并且最大拉應(yīng)力與澆筑溫度幾乎呈正相關(guān),表明混凝土的入模溫度是影響溫度應(yīng)力的關(guān)鍵因素之一,因此施工時(shí)要嚴(yán)格控制澆筑時(shí)混凝土的初始溫度。

（2）應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律：堆石混凝土壩采用簡(jiǎn)易溫控措施之后,防滲板分縫的工況下的溫度應(yīng)力值可以控制在較小范圍內(nèi),上游面拉應(yīng)力有顯著降低,優(yōu)于不分縫的工況。由此可見(jiàn),在堆石混凝土壩施工中,上下游面采用防滲板防滲時(shí),設(shè)置伸縮縫十分必要,它對(duì)于溫度控制具有十分重要的意義。

綜上所述,堆石混凝土的溫度控制應(yīng)以仿真計(jì)算成果為依據(jù),利用低溫時(shí)段澆筑的優(yōu)勢(shì)施工,而在高溫時(shí)段應(yīng)利用上下游防滲板的分縫并采取簡(jiǎn)易可行的溫控措施,既快速又高質(zhì)地完成筑壩目標(biāo)。