某樞紐工程表孔壩段溫控仿真分析及溫控措施研究

任海平 崔建華 田龍斌 張偉

摘 要：以某樞紐工程表孔壩段為研究對象，模擬壩體混凝土施工過程，進(jìn)行三維溫度場與溫度應(yīng)力仿真計算，分析大體積混凝土溫度場與溫度應(yīng)力分布規(guī)律，針對出現(xiàn)較大應(yīng)力的部位提出溫控防裂措施建議。結(jié)果表明：壩體混凝土大部分區(qū)域最高溫度滿足設(shè)計允許最高溫度要求，各向應(yīng)力均較小；下游面附近區(qū)域應(yīng)力水平較高，應(yīng)采取一定的溫控防裂措施；對于高程414.5 m臨時過流面及下游溢流面混凝土，建議加強(qiáng)保溫或盡可能提前澆筑上層混凝土等措施，避免裂縫產(chǎn)生。研究成果可為類似工程混凝土溫控防裂措施的制定提供參考。

關(guān)鍵詞：表孔壩段；溫度應(yīng)力；仿真；防裂；溫控措施

中圖分類號：TV642.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

碾壓混凝土是一種干硬性貧水泥的混凝土，以低熱著稱，過去人們不太關(guān)注其溫度控制問題。但由于外界條件的復(fù)雜性，碾壓混凝土重力壩裂縫問題依舊突出，溫度應(yīng)力是混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者在大體積混凝土溫控防裂研究方面取得了顯著的成果[1-6]，在碾壓混凝土筑壩技術(shù)方面，張國新[7]從碾壓混凝土的材料特性、施工特點(diǎn)、溫度場及溫度應(yīng)力的變化特征入手，介紹了碾壓混凝土仿真分析方法和應(yīng)注意的問題。邢坦等[8]通過對街需碾壓混凝土壩的溫控研究，提出一冷結(jié)束后應(yīng)進(jìn)行必要的控溫，且在入冬前對混凝土進(jìn)行必要的中期降溫。任金珂等[9]通過多方案的比較分析，推薦內(nèi)部通水、表面保溫的溢流壩溫控段優(yōu)化方案，林鵬等[10]結(jié)合智能通水技術(shù)對低熱水泥碾壓混凝土壩適應(yīng)性智能通水策略進(jìn)行了研究。雷升云[11]研究了氣溫年變幅大等特殊氣候條件下的碾壓混凝土施工過程中溫控措施。黃艷梅[12]結(jié)合烏弄龍大壩研究了碾壓混凝土高壩大升層施工溫控技術(shù)。這些研究成果大大推動了碾壓混凝土壩溫控防裂技術(shù)的進(jìn)步。但混凝土壩的抗裂性能受結(jié)構(gòu)、材料、環(huán)境、施工等多種因素影響，溫控設(shè)計時，仍需根據(jù)現(xiàn)場情況及各種條件開展相關(guān)研究，提出有針對性的溫控措施，達(dá)到溫控防裂的目的。本文針對漢江上游某水利樞紐表孔壩段，結(jié)合工程現(xiàn)場的環(huán)境特點(diǎn)和施工安排，通過多方案的溫度場與溫度應(yīng)力仿真對比，分析施工中各種溫控措施對壩體混凝土工作性態(tài)的影響，為混凝土施工溫控措施優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

1 計算模型及計算條件

1.1 計算模型

該工程表孔壩段共有4個壩段，從溫控不利角度考慮，選取寬度較大的10＃壩段為研究對象，計算模擬范圍包括壩體和部分基礎(chǔ)，其中基礎(chǔ)在上下游及深度方向各模擬1.5倍壩高。壩段順?biāo)飨蜷L度為46.05 m，壩段寬度為30.0 m，最大壩高為65.0 m，閘墩厚度為5.5 m，建基面高程為392.0 m，堰頂高程為425.0 m。計算模型見圖1。

溫度場計算中，基礎(chǔ)各側(cè)面、底面取絕熱邊界?；炷僚c氣溫接觸的邊界，按第三類邊界條件處理。汛期及后期運(yùn)行期，水面以下部位取為水溫邊界，其它部位取為氣溫邊界。應(yīng)力計算中，基礎(chǔ)左右兩側(cè)面、基礎(chǔ)下游面取法向約束，基礎(chǔ)底面取三向約束?？紤]到各壩段間設(shè)有橫縫，壩體兩側(cè)面取為自由面。

1.2 混凝土與基巖力學(xué)、熱學(xué)性能參數(shù)

表孔壩段下部巖體為閃長巖微新巖體，基巖彈性模量取為27.5 GPa，泊松比取0.25，不計自重。壩體內(nèi)部內(nèi)部采用碾壓混凝土，在壩體建基面、上下游面、溢流面部位采用常態(tài)混凝土，形成一種“金包銀”的包裹剖面型式，壩體材料分區(qū)見圖2。

各類混凝土彈性模量采用表達(dá)式（1）擬合，擬合系數(shù)見表1。

式中：E0為混凝土最終彈模（GPa）；t為混凝土齡期（d）。

各類混凝土絕熱溫升采用式（2）擬合，擬合系數(shù)見表2。

式中：θ（t）為混凝土絕熱溫升（℃）；t為混凝土齡期（d）。

1.3 邊界溫度條件

根據(jù)壩址區(qū)附近氣象站年平均氣溫統(tǒng)計數(shù)值以及壩址區(qū)高程位置，計算得到壩址區(qū)年平均氣溫為15.2 ℃，1月份月平均溫度最低為2.9 ℃，7月份月平均溫度最高為26.5 ℃。根據(jù)2018—2019年壩址區(qū)實(shí)測河水溫度統(tǒng)計，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)分析，得到壩址區(qū)江水年平均水溫為16.2 ℃，1月份月平均水溫最低為3.9 ℃，7月份月平均水溫最高為27.5 ℃。

1.4 施工措施

1.4.1 施工進(jìn)度控制

表孔壩段混凝土于1月開始澆筑。當(dāng)年5月底，混凝土全線澆筑至414.5 m；6月至10月，壩體度汛；第二年1月，繼續(xù)澆筑上部混凝土，其中溢流面高程418.0 m以下、418.0 m以上混凝土分別于4月中旬和下旬澆筑；第二年5月底，全線上升至446 m高程，汛期由表孔泄流度汛，壩體繼續(xù)澆筑；第二年7月底，表孔壩段全線澆筑至壩頂高程455 m。

1.4.2 澆筑溫度控制

11月至次年3月，澆筑溫度為12.2℃以下；4月、10月，澆筑溫度控制在18℃以下；5—9月澆筑溫度控制在22℃以下。

1.4.3 施工溫控措施

（1）水管布置。冷卻水管在混凝土內(nèi)按蛇形并垂直水流方向布置，水管內(nèi)徑為28.0 mm，壁厚2.0 mm。基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土內(nèi)埋設(shè)冷卻水管進(jìn)行初期通水冷卻，冷卻水管間距一般為1.5 m×1.5 m，基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)水平間距加密至1.0 m，對于2.0 m以上層厚中間增加一層冷卻水管。

（2）保溫材料及保溫措施。夏季采用灑水降溫。冬季兩側(cè)采用2 cm厚聚乙烯泡沫板，澆筑層表面采用黑心棉。

2 計算方法

混凝土及基巖視為均質(zhì)各向同性體。溫度場計算遵循固體熱傳導(dǎo)規(guī)律，采用常規(guī)方法求解[2]，在空間上用有限元離散，在時間上采用向后差分的隱式差分格式。溫度應(yīng)力的計算采用有限元法分時段進(jìn)行計算，用初應(yīng)變法考慮混凝土徐變效應(yīng)[2]。計算中模擬大壩澆筑過程，各個澆筑塊的單元組根據(jù)澆筑順序依次生成。

3 混凝土溫度場及應(yīng)力場時空分布規(guī)律

仿真計算中，澆筑溫度取擬定澆筑溫度，通水水溫取為12 ℃，通水流量取為1.0 m3/h，通水時長為14 d，不進(jìn)行表面保溫。

3.1 壩體溫度場分布

圖3為下部大體積混凝土最高溫度?？芍?，墊層部位混凝土最高溫度為21.3 ℃，下部混凝土基本在23.0 ℃以下，繼續(xù)往上由于澆筑溫度及環(huán)境溫度的升高，混凝土最高溫度依次增大，中間高程處最高溫度約為27 ℃，高程414.5 m臨時過流面以下混凝土最高溫度約為29.5 ℃。堰頂下部以及下游結(jié)構(gòu)混凝土部位溫度較高，最高溫度分別為31.7 ℃、38.0 ℃，主要原因是兩個部位的混凝土絕熱溫升相對偏高，而且高程414.5 m以下結(jié)構(gòu)混凝土澆筑時，外界氣溫較高。壩體溫度場分布總體規(guī)律是碾壓混凝土區(qū)域溫度較低，滿足設(shè)計允許最高溫度，下游面常態(tài)混凝土區(qū)域溫度較高，后期降溫中過程可能會產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

圖4為對稱面各澆筑層中間點(diǎn)的溫度歷程?？芍?，各澆筑層中心點(diǎn)溫度變化規(guī)律基本一致。以高程401.0 m特征點(diǎn)為例，該澆筑層澆筑溫度為18 ℃，第4d達(dá)到最高溫度26.6 ℃，由于通水作用，溫度降低至23.0 ℃。之后由于上層混凝土的澆筑，溫度回升至25.2 ℃，后期降溫過程較為緩慢，準(zhǔn)穩(wěn)定溫度約為15.4 ℃。由于壩體尺寸相對較大，壩體內(nèi)部混凝土降溫較慢，基本在第8～9年達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定溫度約在15.4 ℃。高程413.0 m接近高程414.5 m長間歇面，早期受氣溫影響波動較大，第二年1月受上部混凝土澆筑，溫度回升到21.0 ℃，后期由于接近溢流面邊界，受外界溫度變化影響，仍有小的溫度波動，變幅約0.9 ℃。

3.2 壩體混凝土應(yīng)力場分布

圖5為壩體對稱面順流向和橫流向應(yīng)力最大值云圖。可知，碾壓混凝土內(nèi)部應(yīng)力較小，順流向和橫流向拉應(yīng)力最大值分別為1.07 MPa、1.10 MPa，高程414.5 m區(qū)域應(yīng)力較大，兩個方向拉應(yīng)力最大值分別達(dá)到2.72 MPa、2.10 MPa。壩體上游面、下游面處橫流向拉應(yīng)力較大，最大值分別為1.82 MPa、2.27 MPa。這些應(yīng)力較大部位存在一定的開裂風(fēng)險，需進(jìn)行必要的研究，提出相應(yīng)的溫控措施。

圖6為壩體不同高程處特征點(diǎn)順流向應(yīng)力歷程?？芍?，下部高程（高程392.8 m、401.0 m）特征點(diǎn)整個歷時過程應(yīng)力均較小，后期隨氣溫年變化呈波動狀態(tài)。高程414.5 m（澆筑層頂面）混凝土應(yīng)力較大，當(dāng)年年底最大應(yīng)力值達(dá)到3.0 MPa，該澆筑層中間部位應(yīng)力最大值為1.83 MPa，后期由于上層混凝土的澆筑，層面處應(yīng)力有明顯減小，中間部位應(yīng)力最大值約為1.09 MPa，隨年氣溫變化波動。該部位產(chǎn)生較大應(yīng)力的主要原因是當(dāng)年10月汛期過后至第二年年初，表孔壩段未繼續(xù)往上澆筑，該時間段高程414.5 m層面一直祼露，屬施工長間歇，在年溫變化影響下，混凝土表面產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，超過混凝土的允許抗拉強(qiáng)度，有較高開裂風(fēng)險，須對該層面應(yīng)采取必要的溫控防裂措施。

4 溫控防裂措施影響研究

4.1 澆筑溫度的影響

分別計算擬定澆筑溫度、升高2℃、升高4℃時的壩體溫度場和溫度應(yīng)力?？芍?，澆筑溫度升高時，壩體溫度場和溫度應(yīng)力分布規(guī)律接近。當(dāng)澆筑溫度升高2 ℃時，壩體內(nèi)部溫度上升值在1.10～1.70 ℃?；A(chǔ)約束區(qū)溫升值約為1.25 ℃，中間高程處溫升值約為1.36 ℃。當(dāng)澆筑溫度升高4 ℃時，壩體內(nèi)部溫度上升值在2.59～3.40 ℃。當(dāng)澆筑溫度升高2 ℃時，壩體內(nèi)部順流向和橫流向最大應(yīng)力增加值均約0.1 MPa。當(dāng)澆筑溫度升高4 ℃時，壩體內(nèi)部順流向和橫流向最大應(yīng)力增加值均約為0.2 MPa。

澆筑溫度每升高1℃，混凝土溫升值約為0.55～0.85 ℃，應(yīng)力最大值增大約0.05MPa。說明澆筑溫度的升高會引起壩體溫度的升高，導(dǎo)致后期壩體內(nèi)部各向應(yīng)力的增大，施工過程中應(yīng)盡量降低澆筑溫度。

4.2 通水冷卻的影響

相對于不通水情況，采用1.0 m3/h進(jìn)行通水時，澆筑塊的溫升峰值降低值約為5 ℃，后期壩體內(nèi)部溫度也相對較低。通水情況下，混凝土早期應(yīng)力略有升高，后期應(yīng)力較小。需要注意的是，如果初期通水流量較大、通水時間較長，會導(dǎo)致混凝土早期降溫過大，使得混凝土初期應(yīng)力較大，增大初期開裂風(fēng)險。

4.3 表面保溫的影響

高程414.5 m為長間歇面，在當(dāng)年10月份之后對該表面進(jìn)行保溫，可使混凝土表面溫度年變幅減小，從而混凝土內(nèi)外溫差減小，順流向應(yīng)力有明顯減小，最大值從2.47 MPa減小至1.93 MPa，減小值約為0.54MPa。同樣，對于下游面附近混凝土，在保溫情況下橫流向應(yīng)力減小值約為0.60 MPa。發(fā)生氣溫驟降，溫降幅度為9 ℃時進(jìn)行表面保溫，高程414.5 m表面溫度變幅從6.45 ℃減小為1.04 ℃，產(chǎn)生的順流向應(yīng)力從1.63 MPa減小為0.67 MPa。可知，保溫是減小壩體表面附近大應(yīng)力的有效手段，建議在冬季降溫前或氣溫驟降前對大壩裸露面進(jìn)行必要保溫。

4.4 澆筑時間的影響

按照初步擬定的混凝土施工過程，高程414.5 m以上混凝土于第二年1月開始澆筑，高程414.5 m表面一直裸露，由于年氣溫變化的影響，冬季時表面附近會產(chǎn)生較大的應(yīng)力?？紤]將高程414.5 m以上混凝土開始澆筑時間提前至上年11月中旬，結(jié)果表明，當(dāng)上層混凝土澆筑時間提前時，該處混凝土順流向應(yīng)力由3.0 MPa減小至2.43 MPa，減小值約為0.57 MPa。同樣對于溢流面混凝土，按照最初擬定的混凝土施工過程，于4月上旬澆筑，受年氣溫變化影響，冬季混凝土表面橫流向應(yīng)力接近3.0 MPa，應(yīng)力水平較高，如將該部位混凝土提前至3月中旬澆筑，特征點(diǎn)橫流向最大應(yīng)力減小值約為0.58 MPa，開裂風(fēng)險明顯降低。

5 結(jié) 論

采用大型三維水工數(shù)值分析工具，對表孔壩段大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度場和溫度應(yīng)力時空分布規(guī)律以及各類溫控防裂措施對壩體應(yīng)力的影響進(jìn)行了仿真計算分析。主要結(jié)論如下。

（1）壩體大部分區(qū)域混凝土的最高溫度滿足設(shè)計要求。壩體內(nèi)部應(yīng)力相對較小，開裂風(fēng)險較低。在高程414.5 m長間歇面以及下游面附近混凝土應(yīng)力較大，應(yīng)采取表面保溫、加大通水力度、適當(dāng)改變混凝土澆筑時間等措施減小混凝土應(yīng)力，降低開裂風(fēng)險。

（2）澆筑溫度的升高會引起壩體溫度的升高，導(dǎo)致后期壩體內(nèi)部各向應(yīng)力的增大，施工過程中應(yīng)盡量降低澆筑溫度。

（3）進(jìn)行通水能夠有效降低混凝土溫升峰值，降低后期應(yīng)力，但應(yīng)適當(dāng)控制通水流量及通水時長，避免早期開裂風(fēng)險。

（4）保溫能有效降低壩體表面附近的應(yīng)力，建議在冬季降溫前或氣溫驟降前對大壩裸露面進(jìn)行必要保溫。

（5）條件允許情況下，可適當(dāng)調(diào)整特定區(qū)域混凝土澆筑時間，降低混凝土開裂風(fēng)險。

總體而言，壩體碾壓混凝土區(qū)域絕熱溫升較低，采取一定的通水措施即可滿足溫控要求，但對于溢流面、上下游面部位，出于防滲或抗沖磨等目的，通常采用高標(biāo)號常態(tài)混凝土，對其溫控問題，仍需給予高度重視。

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Temperature Control of Dam Concrete at Surface Sluice of a Hydropower Station：Simulation and Measures

REN Haiping1，CUI Jianhua2，TIAN Longbin1，ZHANG Wei1

（1. Sinohydro Bureau 12 Co.，Ltd.，Hangzhou 310004，China；2. Center for Information Technology，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：The temperature field and temperature stress of dam concrete at the surface sluice of a hydrojunction project were computed by simulating the concrete construction process. The distribution regularities of temperature field and temperature stress of mass concrete were examined，and crack prevention measures were proposed for areas subjected to large stresses. Results indicate that the maximum temperature in most areas of the dam concrete stays within the maximum allowable design value，and stresses in all directions are small. However，due to high stress levels near the downstream face，specific temperature-controlled anti-cracking measures should be taken. To mitigate potential cracks，heat preservation or pouring the upper layer concrete as early as possible should be taken for the temporary and the downstream overflow surface at elevation 414.5 m. The findings offer a reference for designing temperature-controlled anti-cracking measures for concrete in similar projects.

Key words：surface sluice dam；temperature stress；simulation；crack prevention；temperature control measures