某工程碾壓混凝土溢流壩溫控仿真計算分析

李世太

（甘肅電投炳靈水電開發有限責任公司 甘肅 永靖 731600）

碾壓混凝土因大量摻用粉煤灰，水化熱溫升速度減慢，混凝土達到最高溫度所需的時間較常態混凝土長。雖然碾壓混凝土的絕熱溫升低，但其施工速度較快，且施工中層面間歇時間短，熱量散發少，因此，碾壓混凝土壩的溫度并不低，同樣存在出現溫度裂縫的風險【1、2】。本文采用三維有限元浮動網格法對某工程碾壓混凝土溢流壩段溫度場和應力場進行了仿真計算，其成果為同類工程碾壓混凝土溢流壩段的溫控設計和施工方案的確定提供參考【3、4】。

1 計算參數

工程主要開發任務為發電，水庫正常蓄水位為EL183.00m，總裝機容量為400MW。溢流壩堰頂高程為EL166.50m，設計泄量為10450m3/s，壩體上游面為富漿二級配防滲碾壓混凝土，中部為二級配碾壓混凝土，底部為三級配碾壓混凝土，溢流面附近采用常態混凝土。溫控仿真計算采用的主要參數如下∶

（1）氣象資料

壩址處各月平均氣溫見表1。

（2）混凝土的熱力學參數

大壩混凝土的熱力學試驗參數見表2。

2 有限元計算模型

取橫縫間的整個壩段為計算模型,壩軸線方向為x軸方向,指向右岸為正,水流方向為y軸方向,指向下游為正,豎直方向為z軸方向,向上為正。地基范圍取沿深度方向以及沿上下游方向均為100m。溫度場計算時邊界條件為∶地基底面和4個側面以及壩段橫縫面為絕熱邊界,壩體上下游面在水位以上為固—氣邊界，按第三類邊界條件處理；水位以下為固—水邊界，按第一類邊界條件處理。應力場計算時邊界條件為：地基底面為固定支座，地基在上下游面按y向簡支處理，其余為自由邊界。溢流壩段計算模型見圖1。溢流壩材料分區見圖2。

3 計算方案

溢流壩段的壩基面高程為73.0m，堰頂高程為166.50m，壩高 93.5m，壩段長度為19.0m，壩底寬度為82.5m。溢流壩段碾壓混凝土自2010年1月1日至2010年6月4日澆筑73.0m高程至117.0m高程，澆筑層厚均為3.0m；2010年6月5日至2010年6月7日澆筑117.0m高程至119.0m高程，澆筑層厚2.0m。溢流壩段2010年7月5日開始度汛，歷時28天。2010年11月25日恢復混凝土澆筑，至2011年5月5日溢流壩澆筑至設計高程166.50m。壩前擋水位為：2010年1月1日～2010年7月4日壩前無水；溢流壩段2010年7月5日開始度汛，壩前水位為130.0m高程，度汛完成后，壩前恢復至無水狀況；水庫自2011年2月15日開始蓄水，到2012年2月15日蓄至正常蓄水位高程183.0m。計算方案見表3。

4 溫度場計算成果分析

四個方案壩體不同區域最高溫度表見表4。

從表4可以看出：

（1）在基礎強約束區：方案2最高溫度較方案1高出2.4℃，方案4最高溫度較方案3高出2.3℃，主要原因是方案2、4基礎弱約束區未通水冷卻，基礎弱約束區溫度較高，影響基礎強約束區的最高溫度；方案3最高溫度較方案1高出2.5℃，方案4最高溫度較方案2高出2.4℃，主要原因是方案3、4比方案1、2在基礎強約束區的澆筑溫度高3℃。

表1 壩址處各月平均氣溫 單位：℃

表2 大壩混凝土的熱力學試驗參數

圖1 計算模型與坐標系

圖2 溢流壩段材料分區

（2）在基礎弱約束區：方案2最高溫度較方案1高出5.5℃，方案4最高溫度較方案3高出6.2℃，主要原因是方案2、4基礎弱約束區未通水冷卻。方案3最高溫度較方案1高出1.5℃，方案4最高溫度較方案2高出2.2℃，主要原因是方案3、4比方案1、2在基礎弱約束區的澆筑溫度高3℃。

（3）長間歇面影響區碾壓混凝土：方案3、4比方案1、2最高溫度高出1.6℃，主要原因是方案3、4比方案1、2在長間歇面影響區碾壓混凝土澆筑溫度高2℃。

（4）非約束區常態混凝土：方案1、2最高溫度為49.6℃，方案3、4最高溫度為51.1℃，最高溫度均出現在高程163.5m處的溢流面常態混凝土中部。該部位常態混凝土澆筑時間為2011年4月27日，外界環境溫度較高（4月平均溫度29.1℃），該區域常態混凝土的最終絕熱溫升為23.7℃，且發熱速度較快，故而溫度最高。方案3、4比方案1、2最高溫度高出1.5℃，主要原因是方案3、4比方案1、2在非約束區常態混凝土澆筑溫度高2℃。

5 應力場仿真計算成果分析

四個方案壩體不同區域最大溫度應力見表5，除長間歇面外其余部位最大溫度應力均出現在運行期。

由表5可以看出：

（1）在基礎強約束區碾壓混凝土中，由于方案3、4基礎強約束區碾壓混凝土澆筑溫度較高（28.0℃），最大溫度應力均超過RⅢ碾壓混凝土的允許抗裂應力（360天齡期的允許抗裂應力為1.35MPa），不滿足混凝土重力壩設計規范要求，方案1、2最大溫度應力均小于該部位碾壓混凝土的允許抗裂應力。

（2）在基礎弱約束區碾壓混凝土中，由于方案2、4基礎弱約束區碾壓混凝土澆筑時未通水冷卻，最大溫度應力均超過RⅡ碾壓混凝土的允許抗裂應力（360天齡期的允許抗裂應力為1.27MPa），不滿足混凝土重力壩設計規范要求，方案1、3最大溫度應力均小于該部位碾壓混凝土的允許抗裂應力。

（3）非約束區碾壓混凝土中，各方案的最大溫度應力均小于該區域RⅠ碾壓混凝土的允許抗裂應力（360天齡期的允許抗裂應力為1.20MPa）。

（4）非約束區常態混凝土中，各方案的最大溫度應力均小于該區域CⅠ常態混凝土的允許抗裂應力（360天齡期的允許抗裂應力為1.80MPa）。

（5）壩段在119m高程度汛停止混凝土施工，造成長間歇面。長間歇面附近溫度應力較大，尤其是長間歇面度汛冷擊產生很大拉應力，各方案度汛時最大溫度應力達到 1.26MPa～1.44MPa。

表3 計算方案

表4 各方案不同區域最高溫度 單位：℃

表5 各方案最大溫度應力 單位：MPa

6 結語

（1）溢流壩段方案1基礎約束區混凝土澆筑溫度為25.0℃，非約束區混凝土澆筑溫度為28.0℃。混凝土澆筑后通河水冷卻，通水時間為20天。冷卻水管間距為1.5m×1.5m，通水流量為1.0m3/h，冷卻水管長度為250m。經計算分析，溢流壩段采用上述澆筑溫度和溫控措施，各部位溫度應力均在允許抗裂應力范圍內，滿足混凝土重力壩設計規范要求，而其余各方案均不滿足混凝土重力壩設計規范要求，故溢流壩段方案1為推薦方案。

（2）非約束區碾壓混凝土和常態混凝土中，各方案的最大溫度應力均小于該區域混凝土的允許抗裂應力，為節省工程投資，非約束區碾壓混凝土和常態混凝土的澆筑溫度可采用30℃。

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］.北京∶中國電力出版社，1999.

[2]張國新.碾壓混凝土壩的溫度控制[J].水利水電技術，2007.38（6）：41～46.

[3]李守義，張金凱，張曉飛.碾壓混凝土壩溫度應力仿真計算研究［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

[4]張曉飛，李守義，陳堯隆.碾壓混凝土拱壩溫度場計算的浮動網格法[J].土木工程學報，2006.2：126～129.