丹達河水電站拱壩混凝土墊座溫控方案比較研究

黃 澄 黃達海 張晶晶 王 飛

（三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002）

拱壩的結構和受力方式決定了其對地基地質的嚴格要求.拱壩對地基的要求主要反映在壩體應力、變形、穩定安全度等指標上.對于某些地質條件較差的地基，當設計應力、強度、變形值或穩定安全度不滿足要求時，就需要對地基進行加固處理，以滿足大壩的穩定性要求.拱壩設計中常通過設置墊座結構來調整基巖所承擔的應力，從而改善壩體的應力、位移分布及穩定性［1］.關于混凝土墊座結構國內已有相應研究，如張肖、張建海等人關于錦屏一級高拱壩大墊座穩定性的研究［2］，段寅、周偉關于錦屏一級拱壩左岸混凝土墊座溫控仿真研究［3］.本文以丹達河水電站混凝土墊座為研究對象，采用ANSYS軟件及二次開發程序進行仿真計算，通過多組溫控參數敏感性分析并結合相應規范，制定出最優溫控措施.計算說明，最優溫控措施能有效降低施工期混凝土墊座的溫度應力，減少開裂風險，供相似工程的溫控方案選擇參考.

1 溫度應力計算的一般方法

當混凝土各部分溫度發生變化時，將產生應變α（T-T0），α是混凝土的線膨脹系數，T是當前溫度值，T0是初始溫度值.如果大體積混凝土各部分溫度變形不受任何約束，則混凝土有變形但不引起應力.但是，大體積混凝土由于受外界約束或各部分溫度變化不均勻，混凝土不能自由膨脹與收縮，則將產生應力.當混凝土溫度場T求解后，需進一步求出各部分的溫度應力.

溫度變形只產生線應變，不產生剪應變，可以把這種線應變看作是物體的初應變.計算溫度應力時首先計算出溫度引起的應變ε0，進而求得相應的初應變引起的等效結點溫度荷載｛Pε0｝，然后按通常的求解應力方法求得由于溫度變化引起的結點位移，再求得溫度應力σ.單元e的等效結點溫度荷載｛Pε0｝為

式中，［B］為應變與位移的轉換矩陣；［D］為彈性矩陣.

可以將溫度變形引起的等效結點荷載Pε0與其他荷載項加在一起，求得包括溫度應力在內的總應力.如果混凝土中含初應變項，那么總應力為

2 基本資料和參數

2.1 工程概況

丹達河水電站位于云南省迪慶州德欽縣的羊拉鄉，是以發電為單一任務具有季調節的混合式電站.攔河壩采用混凝土拱壩壩型.從左（岸）到右依次由非溢流壩段、左泄洪沖沙底孔表孔段、右泄洪沖沙底孔段、右非溢流壩段等6個壩段組成.混凝土墊座結構設置在拱壩3號和4號壩段底部，為不規則多面體，底部高程為2513m，頂部高程為2533m，采用C25常態混凝土澆筑，且不分縫.根據工期要求，混凝土墊座結構應在6月底之前澆筑完畢.

2.2 氣象資料

丹達河水電站所在地的氣溫資料見表1.

表1 壩址多年各月氣溫統計表 （單位：℃）

根據表1所給氣溫資料，并參照朱伯芳院士的《大體積混凝土溫度應力與溫度控制》［4］，本次計算采用余弦函數曲線模擬氣溫公式：

式中，Ta為氣溫（℃）；τ為時間（月）.

2.3 混凝土材料參數

C25混凝土的材料參數見表2.

表2 混凝土材料參數

根據設計院資料，C25混凝土的絕熱溫升公式為

C25混凝土的彈性模量采用如下雙曲線公式：

2.4 冷卻水管

冷卻水管采用非金屬管，根據朱伯芳院士提出的水管冷卻的等效熱傳導方程［4］把冷卻水管看成來熱匯，在平均意義上考慮水管冷卻的效果，可簡化計算.考慮水管冷卻效果的混凝土等效熱傳導方程如下：

計算相應冷卻水管參數，結果見表3.

表3 冷卻水管布置形式下的混凝土等效導溫系數

管長：L＝300m，管厚：2mm，外半徑：c＝16mm，內半徑：r0＝14mm，冷卻水流量：Q＝28.0L／min.

等效導溫系數

2.5 允許溫差及最高溫度控制標

按《混凝土拱壩設計規范》（DL／T-5346-2006）［5］，采用混凝土極限拉伸值來估算基礎均勻溫降條件下的混凝土容許溫度應力：

式中，［σ］為混凝土容許溫度應力（MPa）；εp為28d齡期混凝土極限拉伸的實測值；Ec為28d齡期混凝土彈性模量的標準值（GPa）；r0為溫度應力控制正常使用極限狀態短期組合結構系數，取1.5；rd3為結構重要性系數，取1.1.

表4 基于極限拉伸值的容許溫度應力

取表4基于極限拉伸值的容許應力成果計算容許溫差.按《混凝土拱壩設計規范》（DL／T-5346-2006）［5］，容許溫差計算公式

式中，［ΔT］為均勻溫降下混凝土容許溫差；μ為混凝土泊松比；k為混凝土結構安全系數，取1.5；Kp為混凝土徐變松弛系數，當對應的［σ］90d齡期時，取0.65～0.75，此處取0.70；Ec為各齡期混凝土彈性模量（GPa）；R為基礎約束系數（新老約束系數）；α為混凝土線膨脹系數.

按上述公式，計算了C25混凝土的基礎容許溫差為18℃.由于丹達河拱壩壩體很薄，沒有穩定溫度場，計算年平均氣溫下壩體的準穩定溫度場如圖1所示.

圖1 年平均氣溫下壩體中心剖面準穩定溫度場云圖

混凝土墊座結構與邊界條件相對簡單，結合壩體的準穩定溫度場和基礎容許溫差，確定混凝土墊座的最高溫控標準為28℃.

3 各種工況下混凝土墊座溫控參數敏感性分析

3.1 計算模型及邊界條件

采用ANSYS建模，模型如圖2所示，共有節點61960個，單元56588個.邊界條件如圖3所示.

圖2 墊座與周圍基巖

圖3 墊座邊界條件

3.2 計算工況

為了確定最優溫控措施，擬定以下工況見表5.

表5 計算工況表

3.3 溫控方案分析

對上述的的7種工況分別進行仿真分析計算，對這7種工況溫控措施進行比較，選取典型位置（如圖4所示）作相應的溫度包絡線圖及點過程線圖.

圖4 墊座中心線及中心點位置圖

從圖5可以看出：

1）在不通冷卻水自然澆筑狀態下，混凝土澆筑溫度為澆筑期內的月平均氣溫（氣溫超過18℃，控制混凝土澆筑溫度為18℃），3.0m層厚澆筑時混凝土內部最高溫度高達37.8℃，2.5m層厚澆筑時混凝土內部最高溫度達到37.3℃，2.0m層厚澆筑時混凝土內部最高溫度達到36.5℃，1.5m層厚澆筑時混凝土內部溫度也達到35.2℃.因此，不通冷卻水自然澆筑難以滿足溫控標準的要求.

2）通水冷卻對控制混凝土內部最高溫度的效果非常明顯，最高溫度降幅超過7℃.1.5m澆筑、通16℃冷卻水時墊座上部小范圍最高溫度超過溫控標準0.5℃，能夠滿足溫控標準的要求.

3）推薦溫控措施擬選定如下：混凝土澆筑溫度為月平均均氣溫（氣溫超過18℃，控制混凝土澆筑溫度為18℃）、通水溫度為16℃、通水15d，水管采用1.5 m×1.5m的布置方式.除此之外，混凝土澆筑塊表面要特別注意進行表面養護，以適當降低表面最高溫度.

圖5 各種工況下墊座中心最高溫度包絡線圖

3.4 澆筑層厚敏感性分析

均不采用冷卻水管，澆筑氣溫均為月平均氣溫，計劃每7d澆筑1層，對澆筑層厚分別為1.5m、2.0 m、2.5m、3.0m4種工況（工況1～4）進行澆筑層厚敏感性分析.澆筑日期從3月30日至6月29日，其中6月份平均氣溫為19.6℃，應控制澆筑溫度為18℃.選取墊座中心2523m高程點作為典型點，作出相應工況下典型點溫度過程線如圖6所示.典型點溫度在上升過程中會有一次短暫的下降，這是因為下層混凝土塊在溫度上升的過程中遇到新澆筑的混凝土塊，新老混凝土相互傳熱，之后混凝土溫度繼續升高直至達到最高溫度，然后緩慢下降.各種工況下典型點最高溫度均超過28℃，顯然墊座混凝土在不通水自然澆筑的條件下不能滿足溫控標準的要求.選取混凝土內部溫度相對較低的1.5m層厚作為墊座澆筑層厚的澆筑方案.

圖6 澆筑層厚敏感性分析溫度過程線

3.5 冷卻水溫敏感性分析

在冷卻水管布置均為1.5m×1.5m，澆筑溫度為自然氣溫，計劃每7d澆筑1層，采用1.5m層厚澆筑，對冷卻水溫為14℃、16℃、18℃的3種工況（工況5～7）進行冷卻水溫敏感性分析.1.5m澆筑時墊座混凝土澆筑日期從3月30日至6月29日，其中6月份平均氣溫為19.6℃，應控制澆筑溫度為18℃.典型點在3種工況下溫度過程線如圖7所示.在其他條件一定的情況下，通冷卻水對降低混凝土中心溫度效果明顯.選取16℃冷卻水溫作為冷卻水管的通水溫度，此時混凝土中心降溫速率能滿足規范中降溫速度不宜大于1℃／d的規定［5］，符合溫控標準的要求.

圖7 冷卻水溫敏感性分析溫度過程線

3.6 推薦溫控措施下的溫度與應力

推薦溫控措施如下：澆筑氣溫為月平均氣溫、澆筑層厚為1.5m、計劃每7d澆筑1層、通16℃冷卻水，其中6月份平均氣溫為19.6℃，應控制澆筑溫度為18℃.分析推薦溫控措施下2523m高程點的溫度與應力，作出相應的溫度應力點過程線圖，如圖8所示.

圖8 推薦溫控措施下2523m高程點溫度應力過程線

第一次降溫時，混凝土彈性模量比較小，隨之產生的拉應力也較小；隨著混凝土齡期的增長，混凝土的彈性模量逐步增大，在隨后的降溫過程中拉應力將達到最大.由此可見，拉應力總是出現在混凝土降溫過程中.而在整個溫降過程中，產生的最大拉應力為2.064MPa，此時由于混凝土齡期已經遠超過90d，允許拉應力較大.由表4知，90d時混凝土容許拉應力為2.276MPa，推薦溫控措施下混凝土墊座滿足應力標準.

4 結 論

1）混凝土墊座在自然澆筑狀態下、不通冷卻水無法滿足最高溫控標準的要求，而控制澆筑層厚并在高溫季節適當控制澆筑溫度與通冷卻水相結合的方法能夠很好的滿足最高溫控標準的要求，通過論證分析說明所擬定溫控措施為較合理溫控措施，在滿足溫控標準的同時也能節約成本，簡化施工工序.

2）通過溫控參數敏感性分析可以知道，其他條件不變的情況下，澆筑層厚越薄，相應混凝土中心溫度越低，越有利于溫控措施.在施工條件和工期允許的條件下，建議盡量采用較薄的層厚澆筑混凝土.在自然澆筑下，通冷卻水對控制混凝土中心溫度效果明顯.然而，通冷卻水改變了混凝土內部正常的降溫速率，使混凝土內部溫度梯度的變化更不均勻，容易產生較大的拉應力.

［1］周維垣，林 鵬，周雅能，等.高拱壩基礎大墊座及周邊縫設置研究［J］.巖石力學與工程學報，2008（10）：1959-1967.

［2］張 肖，張建海，周 鐘，等.錦屏一級高拱壩大墊座穩定性研究［J］.工程力學，2010（S1）：232-235.

［3］段 寅，周 偉.錦屏一級拱壩左岸混凝土墊座溫控仿真分析［J］.三峽大學學報：自然科學版，2009，31（4）：9-13.

［4］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，1998.

［5］DL／T-5346-2006.混凝土拱壩設計規范［S］.北京：中國電力出版社，2006.