蓋下壩水電站施工期溫度應力及損傷仿真分析

徐 闖，朱為玄，鄧愛民，孫偉偉

（河海大學力學與材料學院，江蘇 南京 210098）

0 引 言

大體積混凝土在施工中容易產生溫度裂縫，降低了混凝土的完整性，影響壩體的安全。如果溫度應力過大，超過相應齡期的允許溫度應力，混凝土就會產生裂縫。拱壩由于自身的體形特點和工作原理，溫度變化對結構應力狀態具有重要影響，溫控問題顯得尤為突出。采用三維有限元法仿真大壩施工期非穩定溫度場及溫度應力，預測壩體施工期溫度場及溫度應力的變化規律，對壩體溫控防裂提出合理建議。

混凝土損傷理論可以揭示混凝土材料的破壞機理。通過混凝土壩損傷仿真計算，反映其任何時刻的損傷狀態，對其工作性態、危險程度、剩余壽命等的分析以及安全運行有著重要作用。

1 計算資料及仿真模型

1.1 計算資料

蓋下壩水電站位于重慶市云陽縣和奉節縣境內的長江一級支流長灘河中上游河段，大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高160 m，壩頂長153.31 m，水庫總庫容 3.54×108m3， 調節庫容 2.03×108m3， 電站裝機容量為120 MW。大壩共設8條橫縫，分成9個壩段，沿中心線弧長橫縫的間距一般為16～18 m，最大18.92 m，不設縱縫，拱壩拱冠斷面底寬約15.14 m。壩體混凝土進行通倉澆筑，并分層分塊進行，澆筑塊最大底寬23.11 m，最大澆筑倉面面積342 m2。基礎約束區澆筑塊分層厚度為1.5 m；非約束區澆筑塊分層厚度為3 m。壩體孔口部位分層分塊厚度根據孔口高度作局部調整。材料熱力學參數見表1。氣溫按當地多年平均氣溫擬合，表達式為

表1 材料熱力學參數

混凝土徐變度采用以下指數函數表達式

式中，C（t，τ）為混凝土徐變度；τ為混凝土加載齡期；a、b、c、d為擬合參數，其取值見表2。

表2 混凝土徐變度參數取值

壩體冷卻水管采用φ32或φ40聚乙烯塑料管（PE管），在壩內按蛇行布置。基礎約束區的冷卻水管進行加密布置，采用1.5 m（澆筑層厚）×1.5 m（水管間距）布置；岸坡壩段為1.5 m（澆筑層厚）×1.5 m （水管間距）。非約束區為3.0 m （澆筑層厚）×1.5 m （水管間距），特殊部位可根據結構情況適當調整。一根PE冷卻水管長250 m，冷卻水比熱為4.187 kJ/（kg·℃）。

1.2 仿真模型

由于大壩為通倉分壩段分層澆筑，本次計算基于ANSYS軟件平臺，采用空間20節點等參單元進行。計算模型及網格剖分見圖1。計算網格單元數17 601個，節點總數84 795個。計算中壩體厚度方向分3層，高度方向1.5 m/層，共分94層，每個壩段長度方向分4～6列不等，以使得壩體單元尺寸盡量合理。在灌漿封拱前，橫縫按縫單元處理；封拱后，作為壩體單元相同的實體單元處理。基巖范圍：大壩左、右、上游、下游及壩底約取1.5倍壩體高度，河槽及兩岸適當簡化。壩體混凝土及基巖材料分區也根據實際情況概化處理。在計算時，將壩體分為若干澆筑層，按照從壩基至壩頂的順序，分為若干荷載步依次激活每層混凝土。隨著壩體單元的逐步激活，相應的溫度荷載也同時施加，以此類推，直到壩頂澆筑層澆筑完成。這樣，就可以仿真模擬大壩整個施工過程的溫度場和應力場。

圖1 計算模型及網格剖分

2 成果分析

施工期計算從壩體開始澆筑之日起 （第3年5月1日），至壩體澆筑結束之日 （第4年10月30日），共550 d，步長為1 d。

2.1 溫度場

由計算結果可以知，各種初始條件、邊界條件及各項溫控措施在溫度場上都得到了合理的反映，施工期最高溫度為37.97℃，發生部位在高程292 m右岸5壩段，該點拱圈溫度等值線見圖2。從圖2可以看出，在采取合適的冷卻措施后，很好地控制了施工期最高溫度，達到溫控要求。

2.2 溫度應力場

施工期最大拉應力為0.96 MPa，在高程310 m左邊壩段靠基巖的下游面處，該時間該位置壩體拱圈第一主應力等值線見圖3。由圖3可知，該部位由溫度荷載引起的最大主拉應力值小于混凝土的容許抗拉強度設計值1.2 MPa。這說明溫控措施得當，壩體能夠滿足抗裂要求。

2.3 損傷場

施工期還沒有開始蓄水，壩體損傷主要由溫度應力引起，溫度應力為拉應力。因此，只需考慮最大拉應力時刻壩體損傷場。取壩體混凝土初始損傷D0為0.05，損傷閾值Df為0.2，計算得該時刻該處壩體損傷等值線 （見圖4）。

從圖4可以看出，最大損傷值為0.16。

圖2 壩體溫度最高點拱圈溫度等值線 （單位：℃）

圖3 最大拉應力處拱圈第一主應力等值線 （單位：MPa）

圖4 最大拉應力時刻壩體下游面損傷等值線

3 結 語

（1）有限元仿真計算結果表明，蓋下壩水電站施工期壩體最高溫度和最大溫度應力均小于容許值，溫度應力得到有效控制。從損傷計算結果可以看出，在施工期出現最大主拉應力時壩體損傷最大值為0.16，施工期溫度損傷并不大，壩體材料整體來說處于損傷發展的緩慢階段，尚未出現宏觀裂縫。

（2）出現最高溫度的時刻和部位，其應力并不是最大的，這說明施工期溫度應力大小取決于溫變值而不是溫度絕對值。

（3）從應力場還是損傷場可以看出，壩體與巖體接觸的壩肩部位拉應力和損傷值都較其他地方大，這是因為該部位混凝土受到約束，也可能是網格劃分帶來的應力集中所致，但施工時應引起注意。

（4）本文僅考慮了溫度荷載引起的損傷，沒有考慮混凝土自重引起的損傷。

（5）計算中的基礎參數氣溫和水溫是多年平均值，沒有考慮可能出現的極端高溫和低溫，也不可能考慮1 d內的變化。另外，其他計算參數也沒有考慮其不確定性。因此，計算結果有可能是偏小的。

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