基于ANSYS的大崗山水電站混凝土拱壩施工期溫度仿真分析

代　萍，　徐　成

(1.四川電力職業技術學院，四川 成都　610072；2.國電大渡河猴子巖水電建設有限公司，四川 康定　626005)

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基于ANSYS的大崗山水電站混凝土拱壩施工期溫度仿真分析

代萍1，徐成2

(1.四川電力職業技術學院，四川 成都610072；2.國電大渡河猴子巖水電建設有限公司，四川 康定626005)

摘要：針對大崗山水電站混凝土高拱壩施工特點和工序安排，通過對ANSYS軟件進行二次開發，采用瞬態有限元法進行了該拱壩三維溫度仿真分析，揭示了施工期溫度的分布規律，其與監測數據基本相符，證明所采取的溫控措施是合適的。

關鍵詞：大崗山水電站；ANSYS；溫度；仿真；混凝土拱壩

1工程概述

大崗山水電站位于雅安市石棉縣挖角鄉境內，距下游石棉縣城約40km，距上游瀘定縣城約72km。水庫正常蓄水位高程1 130m，死水位高程1 120m，正常蓄水位以下庫容約7.42億m3，調節庫容1.17億m3，具有周調節能力。大崗山水電站主要樞紐建筑物包括混凝土雙曲拱壩、左岸引水發電建筑物及右岸開敞式泄洪洞。混凝土雙曲拱壩壩頂高程1 135m，最大壩高210m，壩頂中心線弧長622.42m，拱冠頂厚10m，拱冠底厚52m，厚高比0.248，弧高比2.964。

2基于ANSYS的拱壩溫度模擬技術

2.1對施工過程的模擬

混凝土拱壩的澆筑是一個動態過程，為分層澆筑，故在ANSYS中進行模擬時可采用ANSYS軟件的一個高級技術——“單元生死”功能實現層層澆筑。計算時，將壩體單元按照從壩基到壩頂的澆筑順序分成若干荷載步依次激活；依此類推，直至到壩體的最頂層澆筑層澆筑完畢。在計算過程中，隨著壩體單元的逐漸激活，相應的自重荷載、由溫度場計算得到的相鄰時間步的溫度荷載同時施加，就可以仿真計算大壩施工期的溫度場了。

2.2混凝土絕熱溫升的模擬

在施工過程中，混凝土絕熱溫升及外界氣溫變化是隨時間變化的參數。為了更好地模擬這種變化，筆者應用ANSYS軟件中的APDL語言予以實現。水泥的水化熱是影響混凝土溫度場的一個重要因素，但在實際中溫度場計算用的是混凝土的絕熱溫升。由于ANSYS中沒有直接定義混凝土的絕熱溫升參數，因此可以通過生熱率予以實現。

2.3冷卻水管的模擬

筆者采用朱伯芳院士提出的等效熱傳導方程來考慮水管冷卻的影響，將水管冷卻的降溫作用視為混凝土的吸熱，按負水化熱進行處理，在平均意義上考慮水管的冷卻效果。在冷卻水管的計算中，分別考慮一期冷卻和二期冷卻：一期冷卻主要是考慮有熱源的水管冷卻的情況，二期冷卻是考慮無熱源的水管冷卻的情況。

3大崗山水電站混凝土拱壩施工期溫度仿真計算

3.1有限元模型

計算中選取一定范圍內的壩肩、壩基與壩體作為有限元計算模型，其中壩肩向左右岸山體各延伸300m，上下游方向共300m，鉛直方向500m。壩體和巖石采用六面體八節點等參單元，綜合考慮壩體材料分區及分層施工的實際情況，在劃分有限元網格時，沿壩體高度方向每1.5m劃分一層單元。由于地基形狀極不規則，在壩肩有較多巖脈出現，又因筆者主要是進行壩體溫度仿真，故在建立模型時簡化了地基模型，讓ANSYS將其自動劃分為六面體單元。整個計算域共離散76 599個節點和82 614個單元，其中壩體58 072個節點和48 714個單元。有限元模型見圖1和圖2。

圖1　壩基整體有限元網格圖

圖2　壩體有限元網格圖

各壩段施工進度模擬。采用ANSYS“單元生死”高級功能模擬拱壩跳倉澆筑過程，首先，在開工前，把所有壩體單元全部“殺死”，然后根據各壩段不同高程的澆筑時間依次將單元激活，仿真模擬壩體施工澆筑、氣溫、水溫變化及封拱灌漿全過程，計算時間從大壩開澆至大壩灌漿結束。對于某個混凝土澆筑層來說，為了提高計算精度，在施工期內計算步長取0.5d。

3.2溫控措施

根據類似工程經驗，若不采用有效的溫控措施，則達不到拱壩溫控標準和設計要求，大崗山混凝土拱壩采用了以下兩種措施進行溫控。

(1)冷卻水管。

水管間距采用垂直間距和水平間距為1.5m×1.5m，單根水管長度為300m，采用金屬水管。一期通水在混凝土澆筑12h后立即進行，主要目的是為了削減最高溫度峰值，通水時間為15d，11月～次年3月一期通天然河水，其他月份通10 ℃冷水，二期通水直接通10 ℃冷水，通水時間按照一期冷卻后1個半月開始通水冷卻，通過程序的自動判斷，將壩體準確地冷卻至接縫灌漿溫度，且降溫速度應滿足規范要求(不大于1 ℃/d)。

(2)降低入倉溫度。

根據設計院提供的參考意見和筆者查閱的一些文獻資料，初步擬定將大崗山水電站混凝土入倉溫度控制在11 ℃～12 ℃。

3.3計算成果分析

由于大崗山水電站壩段較多，筆者僅取河床壩段14#，岸坡6#、22#壩段進行分析。圖3～5為14#、6#、22#壩段竣工溫度等值線圖。

表1～3為6#壩段、14#壩段、22#壩段三個典型壩段的特征點溫度表，表4為基礎約束區溫差仿真表。

表1　6#壩段特征點溫度表

表2　14#壩段特征點溫度表

表3　22#壩段特征點溫度表

表4　6#、14#、22#壩段基礎溫差仿真成果表

注：L為澆筑塊長度。

圖3　14#壩段竣工溫度等值線圖

圖4　6#壩段竣工溫度等值線圖

圖5　22#壩段竣工溫度等值線圖

(1)早期最高溫度變化情況。

由計算可知，施工期每個新澆筑混凝土層由于水化熱作用，混凝土的初始溫度仍有大幅度的提高，也經歷了一個較大幅度的初期溫升過程，但是由于控制了入倉溫度，同時初期冷卻在混凝土澆筑后12h就立即進行，故混凝土最高溫度峰值較低，夏季，最高溫度不超過30 ℃。由計算可知，在水化熱和一期水管冷卻、表面與外界溫度的聯合作用下，混凝土達到早期的最高溫度也是在混凝土澆筑后的3～5d，隨著初期水管冷卻吸收的熱量大于水泥水化熱產生的熱量和外界環境溫度的影響，溫度開始逐漸降低。

(2)冷卻措施取得的效果分析。

一期水管冷卻和控制入倉溫度明顯地控制了混凝土最高溫度峰值，從溫度過程線可知，在前期一期冷卻水管和控制入倉溫度的情況下峰值不高，但是，隨著水管冷卻的結束，其溫度減小速率緩慢，如果不采取進一步的措施，將不能在施工期規定時間達到穩定溫度，所以需要采取進一步的冷卻措施進行二期冷卻。二期水管通水開始后，混凝土的溫度會緩慢降低，其降溫速度為0.5 ℃～0.8 ℃/d，滿足規范要求，直至降低至封拱灌漿溫度。由計算可知，在有冷卻措施條件下，最高溫度一般均控制在30 ℃以內。

(3)溫控標準分析。

從基礎溫差仿真成果表可以明顯看出，14#壩段整個基礎約束區的溫度控制滿足拱壩設計規范要求，但是，岸坡壩段由于其基礎澆筑的部分時間是在夏季(7、8月份)施工，因受外界氣溫的影響，有部分基礎約束區的單元略超標，但是這僅是很少一部分，在施工時通過增加倉面灑水等措施用于減小外界溫度，基礎約束區的溫度控制即可滿足規范要求。

4大崗山水電站混凝土拱壩施工期溫度監測

大崗山水電站混凝土拱壩主體(不包括墊座、置換塊等)共澆筑混凝土1 547倉，大壩澆筑過程中，共有116倉最高溫度超標，超溫比例為7.12%，各倉平均超溫幅度為1.01 ℃。倉內平均超溫幅度小于1 ℃的有65倉，占超溫倉數的56.03%，占總倉數的4.2%；倉內平均超溫幅度在1℃～2 ℃的有41倉，占超溫倉數的33.6%，占總倉數的2.65%；而倉內平均超溫幅度大于2 ℃的有10倉，占超溫倉數的8.2%，占總倉數的0.65%。

對于超溫倉所處的位置分析可知，由于大壩約束區混凝土最高溫度控制標準為27 ℃，低于大壩自由區混凝土溫度控制標準3 ℃，因此，混凝土最高溫度超標主要發生在約束區部位；在對其最高溫度超標時間進行分析可知，混凝土最高溫度超標主要發生在6～9月，在該時間段氣溫偏高，混凝土澆筑后散熱困難最終導致最高溫度超標。

5結語

筆者通過ANSYS軟件二次開發，編制了模擬混凝土壩澆筑過程施工仿真子程序，實現了一期、二期水管冷卻的簡化處理，以及自動設置一期冷卻時間和通過溫度判斷自動識別二期水管通水冷卻的時間等功能。根據大崗山水電站拱壩混凝土澆筑進度安排，進行了其施工期溫度場三維有限元仿真模擬，揭示了在降低混凝土入倉溫度、采用水管冷卻的措施下壩體溫度的變化規律及效果，其與實際監測數據基本相符。

參考文獻：

[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]朱伯芳.混凝土絕熱溫升的新計算模型與反分析[J].水力發電，2003，29(4)：29-32.

[3]王難爛，張光穎，顧伯達.混凝土拱壩澆筑溫度場的有限元仿真分析[J].武漢理工大學學報.2001，23(11):60-62.

[4]黎滿林，常曉林，周偉，潘燕芳.大崗山拱壩溫度場及溫度應力全過程仿真研究[J].水電站設計，2008，23(2):20-24.

代萍(1982-)，女，重慶榮昌人，講師，碩士，從事水利水電工程專業教學工作；

徐成(1981-)，男，四川中江人，副處長，工程師，碩士，從事水電工程建設技術與管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-05-05

文章編號:1001-2184(2015)06-0156-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV222;TV51;TV7

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