碾壓混凝土重力壩整體三維仿真分析

2011-05-08 13:25:36呂文麗

水利規劃與設計 2011年3期

呂文麗

(廣東省水利水電科學研究院廣州 510610)

1 引言

據對國內外已建碾壓混凝土壩的運行觀測,總體來說碾壓混凝土筑壩技術是成功的,但己運行的一部分壩中出現較多裂縫,如加拿大的Revelstoke、美國的Dw orshak以及中國的水東等大壩,相繼出現裂縫和漏水。這不僅影響了大壩的安全運行,而且使人們對碾壓混凝土壩的筑壩技術產生疑慮,因而引起國際壩工界的高度重視[1]。

碾壓混凝土壩產生裂縫的主要原因是在受約束條件下,溫度拉應力超過了混凝土的允許拉伸變形能力從而導致開裂。為了尋找裂縫的形成、發展和擴展的規律,在設計階段必須進行溫度場及應力場仿真分析。由于施工過程中的溫度變化對碾壓混凝土壩的應力狀態有重要影響,隨著碾壓混凝土壩高的不斷增加,這種影響會越來越大。且現在在建、擬建的碾壓混凝土壩絕大多數是碾壓混凝土重力壩,因此,碾壓混凝土重力壩成層澆筑過程中的溫度場及應力場的仿真計算就成為一個重要研究課題。

本文運用有限單元法對光照碾壓混凝土重力壩進行施工、蓄水及運行全過程的溫度、應力應變綜合仿真分析,得出了溫度場、位移場、應力場的分布規律。還對壩體/壩基系統進行了全程綜合仿真分析與傳統不仿真分析,并將兩種方案結果進行對比,為工程設計和施工提供依據。

1 計算原理與分析方法

2.1 溫度場計算的基本原理[3]

根據熱傳導理論,三維非穩定溫度場應滿足下列偏微分方程:

式中:T——溫度(℃);

α—— 導溫系數 ,α=λ/cρ,單位 (m2/h);

Q——由于水化熱作用,單位時間內單位體積中發出的熱量,(k J/m3?h);

c——混凝土比熱,(kJ/kg?℃);

ρ——密度,(kg/m3);

τ——時間,(h)。

2.2 徐變應力計算的基本公式[4]

由于彈模E和徐變度都隨時間而變化,不能采用常規的方法,可以采用增量法計算,把時間劃分為一系列時段(n=1,2......n)。在時段內產生的應變增量為:

式中:{Δεne}、{Δεnc}、{ΔεnT}、{Δεng}、{Δεns}分別為彈性、徐變、溫度、自生體積、干縮應變增量;

應力增量和應變增量關系為:

計算的平衡方程為:

其中:[K] 為整體剛度矩陣;{ΔPn}L、{ΔPn}c、{ΔPn}T、{ΔPn}g、{ΔPn}s分別為外載荷、徐變、溫度、自身體積變形和干縮引起的結點載荷增量。

在計算應力時,將求得的節點溫度作為載荷,同時考慮徐變的影響,根據混凝土實際的澆筑情況設置荷載步,讀取相應的溫度荷載,徐變度的擬合公式為:

其中:x1,x2,……x8是8個待定的參數,由于參數比較多,如何根據試驗資料來確定這些參數,是混凝土徐變問題中的一個難點。這樣就涉及到多參數的曲線擬合問題,求解方法有復形法、罰函數法、序列線性規劃法、可行方向法等等。本文采用的是復形法對這8個參數進行擬合。

3 計算模型與計算方案

3.1 工程簡介及計算模型

光照水電站位于貴州省關嶺縣與晴隆縣交界的北盤江中游,是北盤江干流梯級的龍頭電站,電站以發電為主,其次航運,兼顧灌溉、供水及其他綜合效益。光照水電站碾壓混凝土重力壩最大壩高達200.50m,最大底寬159.05m,頂寬12m,壩頂長410m。大壩由左、右岸擋水壩段及溢流壩段組成,長度分別為 163m、156m和91m。正常蓄水位為745m。對大壩整體進行分析,有限元計算模型基本采用六面體八結點單元?；A向底部延伸300m,向上、延伸250m,下游350m。為了確保模擬精度,計算模型取3m一個澆筑層。網格共劃分1033755個單元,1012042個結點,其中壩體部分649353個單元,689098個結點。計算網格圖見圖1。

整體模型網格圖圖2 整體模型網格(壩體放大)

3.2 施工過程和蓄水過程

本方案將趾槽部分 (即550m高程到555m高程)作為一個澆筑層,開始施工時間為2005年12月25日,從2006年2月6日開始555m高程以上的澆筑施工。碾壓混凝土壩一般采用通倉薄層澆筑,壩體澆筑澆筑過程按下述原則簡化:以溢流壩段為基準,同時考慮陡坡、底孔兩個壩段,根據施工進度表,原則上按3m一個澆筑層。

根據關鍵點的溫度監測值,反演影響溫度場的主要參數,即澆筑溫度、通水溫度、通水時間等。一期通水冷卻和二期通水冷卻按分段函數模擬。一期冷卻中,采用等效法計算,把冷卻水管看成內部熱源,在平均意義上考慮水管的冷卻效果。其中在處理有熱源的水管冷卻問題時,混凝土的絕熱溫升公式采用雙曲線型。進行壩體二期冷卻時,水泥水化熱已基本散發完畢,可以看成一個初溫均勻分布、無熱源的溫度場進行分析,只考慮水管冷卻作用計算的混凝土平均溫度作為絕熱溫升。

蓄水計劃嚴格按照設計院給定的《水庫蓄水進展統計表》,水位每天都有變化,但變化較小。本方案將水位每變化10m作為1次蓄水過程。水位從602.35m升高到745.0m,整個蓄水分為16次。

3.3 計算方案

為了比較考慮溫度徐變應力和不考慮溫度徐變的區別,分別采用了兩種計算方案。

(1)方案一 (仿真方案):考慮溫度和徐變作用,同時考慮壩體實際澆筑過程和分期蓄水過程?？紤]的荷載有壩體自重、溫度荷載、滲透荷載及作用在壩體上的靜水壓力。計算時按照邊澆注邊蓄水的實際施工過程,壩體分層澆注,每層 3～5m,2007年12月 31日開始蓄水,蓄水過程分為16次,每次都是在壩體分層澆注到一定高程后,再一次性將水位升到相應高程。蓄水計劃與溫度場計算中的蓄水計劃一致。

(2)方案二 (不仿真方案):不考慮溫度和徐變作用,不考慮壩體澆筑過程和分期蓄水過程?？紤]的荷載有壩體自重、滲透荷載及作用在壩體上的靜水壓力。

3.4 仿真分析流程圖

在溫度場和應力場的仿真計算中,由于要考慮外界環境、材料參數、施工過程和冷卻措施等因素在時間和空間中的不斷變化,使得即使采用現有軟件和程序,仍必須將軟件和程序的有關功能加以整合,靈活運用。為了實現仿真分析這一復雜過程,編制仿真溫度場和應力場分析控制程序,使建立模型和分析過程實現參數化。

仿真分析過程流程圖見圖3。

圖3 仿真計算流程圖

4 計算成果及分析

4.1 溫度場仿真分析

在計算的過程中按照實際的施工進度模擬出了任何一個時段的溫度分布規律,限于篇幅,文中選出溢流壩段典型斷面幾個有代表性的結果進行分析。

(1)圖4為2008-07-05年典型壩段溫度等值線圖,圖5是2008年壩體澆筑完工3個月后的溫度等值線圖。從圖4可以看出,施工期間最高溫度出現在高程670～700m之間。這是因為,這部分混凝土澆筑時間為夏季高溫季節,入倉溫度較高。從溫度等值線圖可以看出,壩體表面的溫度基本等于外界氣溫值,內部由于水化熱溫升,溫度值較大,在壩體邊界處溫度等值線較密,溫度變化幅度較大。從圖5可以看出壩體內部的溫度逐步降低,上下游水溫氣溫影響的范圍向壩體內部深入。

(2)從圖6中可以明顯看出這個高程有一期通水和二期通水兩個過程,A點整個曲線剛開始隨氣溫變化,在粘土墻鋪筑后溫度升高,待通水一段時間后,溫度開始降低,通水結束,溫度繼續升高,直到二期通水,溫度再次下降,最后趨于平穩。B點變化滯后于A點。C點處于壩體中心,開始升溫,待通水一段時間后,溫度開始降低,通水結束,溫度繼續升高,直到二期通水,溫度再次下降,最后趨于平穩。圖7所顯示的高程均在615以上,在初期階段,A,B,C三條直線的溫度變化規律均是開始升溫,這是由于水化熱溫升遠大于冷卻水管的降溫作用,待通水一段時間后,溫度開始降低,直至通水結束,然后溫度繼續升高,A曲線隨著氣溫的變化而變化,到08年3月后,A曲線呈現梯狀變化,出現明顯的溫度陡升和陡降,這是由于蓄水時水位先升后降造成的,最后水溫穩定在庫底水溫13℃左右。

圖4 (左) 2008-07-05典型壩段溫度等值線圖圖5(右) 2008-12-10典型壩段溫度等值線圖

圖6 (左) 585高程三個特征點溫度歷程線圖圖7(右) 640高程三個特征點溫度歷程線

(圖6中A點位于上游表面B點距上游面2.5m;C點距上游面30.0m;圖7中A點位于上游表面 B點距上游面1.0m;C點距上游面20.0m)

4.2 應力場仿真分析

4.2.1 位移分析

在這2種計算工況中位移分布有較大的不同,方案1計算工況下壩體向下游傾倒,順河向位移指向下游,鉛直向位移沿高程從上到下位移逐漸增大,方向向下,壩頂位移最小,由于其考慮分層澆筑,每層澆筑塊在澆筑前位移為0,其位移是其在澆筑過程中的實際位移,在靜水壓力的作用下,會沿著水壓力作用點發生扭轉。而方案2計算中,順河向位移指向下游,鉛直向位移向下,壩頂位移最大。2種計算工況下特征點的位移對比見表1,2種工況下最大的不同之處在壩頂,差別可達39mm。在壩踵和壩趾二者相差很小,僅為2mm。

圖8 (左) 方案1蓄水后典型斷面位移矢量圖圖9(右) 方案2蓄水后典型斷面位移矢量圖

表1 兩種方案下斷面特征點位移比較(單位:mm)

4.2.2 應力分析

圖10～圖17為兩種計算工況下典型斷面鉛直向應力等值線圖、順河向應力等值線圖、應力等值線圖及應力等值線圖。從圖中可以看出兩種計算工況下,應力的分布規律總體趨勢是相似。只是在方案1中出現許多分布較為密集的層狀等值線封閉區,使得方案1應力等值線分布不均勻,出現層狀應力集中。這是因為在壩體澆筑和蓄水過程中溫度作用一直存在,只是隨著高程的增加,壩體上部澆筑塊上下游方向厚度逐漸減小,溫升較之壩體下部基礎強約束區內要小,溫度作用也有所減小,由于溫度應力造成的層狀應力集中區也漸漸減小;但是在施工過程中壩體下游表面,由于一直直接與空氣接觸,受氣溫影響,表面出現一定范圍的受拉區,壩體表面與寒冷的空氣相接觸,而內部又由于水化熱作用不斷放熱,使得下游溢流堰表面出現較大范圍的受拉區。從整個澆筑和蓄水過程來看,溫度應力的確會造成壩體表面及其內部出現拉應力集中區,特別在每次澆筑塊交接面上,應力集中較為明顯,但由于溫度作用造成的壩體內的拉應力較小。

表3列出了特征點位置的應力值,兩種計算工況下,應力值方向相同,量值的差別均在1.7MPa以內。