臺山碾壓混凝土重力壩溫度場仿真研究

徐 衍 胡 靖葛 瑤 張曉飛

（1中國水利水電第四工程局有限公司 青海 西寧 810006；2陜西省人防建筑研究設計院 陜西 西安 710061；3陜西省水利電力勘測設計研究院 陜西 西安 710001；4西安理工大學水利水電學院 陜西 西安 710048）

1 工程概況

臺山核電廠淡水水源工程位于臺山市赤溪鎮曹沖溪上，工程靠南海海邊，由攔河壩、輸水隧洞及進場道路等組成。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩址位于赤溪鎮新松村旁上游1km，距離南海海邊直線距離約3km。碾壓砼重力壩壩頂長度328m，壩頂高程53.6m，防浪墻高程54.8m，最大壩高54m，壩頂寬7.0m，壩體上游面垂直，下游邊坡為1∶0.75。河床部位布置溢流壩段，共5孔，每孔凈寬10m，為開敞式自由溢流堰，堰頂高程為正常蓄水位48.4m。溢流壩段上游面垂直，堰面為WES曲線，堰面曲線以下坡比為1∶0.75，采用階梯式溢流面接消力池聯合消能方式。

2 計算原理與方法

在計算域R內任一點，非穩定溫度場需滿足熱傳導方程【1】

式中：α——導溫系數；

θ——混凝土的絕熱溫升。

混凝土在復雜應力狀態下的應變增量包括彈性應變增量、徐變應變增量、溫度應變增量、干縮應變增量和自生體積變形增量，因此有

式中：Δεne——彈性應變增量；

Δεnc——徐變應變增量；

ΔεnT——溫度應變增量；

ΔεnS——干縮應變增量；

Δεn0——自生體積應變增量。應力場有限元計算方法見文獻［2］。

3 計算參數

表1 壩址區多年月平均氣溫 單位：℃

表2 大壩混凝土熱力學參數

表3 大壩混凝土施工進度安排

工程所在地多年月平均最高氣溫為28.2℃，最低氣溫為15.0℃，多年平均氣溫為22.5℃，壩址區多年月平均氣溫見表1。

大壩上游面采用二級配碾壓混凝土，大壩內部采用三級配碾壓混凝土，基礎墊層采用三級配常態混凝土，混凝土熱力學參數見表2。

從2009年11月21日開始澆筑底板1.5m厚常態混凝土，碾壓混凝土的開澆時間為2009年12月20日，至2010年6月20日，壩體澆筑至設計高程45.80m。大壩混凝土施工進度安排見表3。

4 計算模型

大壩計算模型為壩體在壩軸線方向取橫縫之間的整個壩段［3］。壩軸線指向右岸為x軸正向，下游方向為y軸正向，鉛直向上為z軸正向。計算模型在壩基深度方向取60m，上游方向取60m，下游方向也取60m。整體有限元模型共有單元8958個，節點11312個，壩體單元7740個，節點9744個。溫度場計算中邊界條件的選取：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，水位以下為固～水邊界。固～氣邊界按第三類邊界條件處理，固～水邊界按第一類邊界條件處理。大壩計算模型見圖1。

圖1 壩體計算模型圖

圖2 方案1施工期2010年5月21日溫度云圖

圖3 方案2施工期2010年5月21日溫度云圖

圖4 方案1施工期末2010年8月14日溫度云圖

圖5 方案2施工期末2010年8月14日溫度云圖

表4 方案1和方案2不同部位最高溫度、穩定溫度、最大溫差和規范容許溫差

5 計算方案

方案1：該方案對11月份到次年4月澆筑的部位，采取自然入倉澆筑，澆筑溫度為月平均氣溫+2℃；5月～8月澆筑的部位采取控制澆筑溫度措施，澆筑溫度小于等于28℃。大壩施工進度安排見表3。

方案2：該方案施工進度和澆筑溫度與方案1相同。對整個區域（高程0.0m～54.0m）的混凝土通天然河水冷卻［4,5］，通水時間為1天，澆筑完12小時通水。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。

6 溫度場計算結果分析

壩體溫度達到穩定溫度之后，壩體表面的溫度隨著外界氣溫和水溫的變化而變化。根據水庫上、下游正常水位以及水溫分布、年平均氣溫等資料，計算得出壩體穩定溫度為20℃左右。

根據混凝土熱力學參數和施工進度安排對該大壩溫度場進行了仿真計算研究，方案和方案2施工期2010年5月21日溫度云圖見圖2和圖3，施工期末2010年8月14日溫度云圖見圖4和圖5，不同部位最高溫度、穩定溫度、最大溫差和規范容許溫差見表4。

從溫度場計算成果可以看出：

（1）在強約束區（壩高0.0m～7.5m）碾壓混凝土范圍內，方案1最高溫度為34.9℃，方案2為30.5℃，方案1基礎溫差大于碾壓混凝土壩設計規范規定的容許溫差12℃～14.5℃，方案2基礎溫差小于規范容許溫差。

（2）在弱約束區（壩高 7.5m～15.0m）碾壓混凝土范圍內，方案1最高溫度為37.1℃，方案2為32.8℃，方案1基礎溫差大于碾壓混凝土壩設計規范規定的容許溫差14.5℃～16.5℃方案2基礎溫差小于規范容許溫差。

（3）在非約束區（壩高 15.0m～51.0m）碾壓混凝土范圍內，方案1最高溫度為41.8℃，方案2為37.1℃，方案1最高溫度比方案2小4.7℃。

（4）施工期對壩體埋設冷卻水管，水管排間距1.5m×1.5m，澆筑完0.5天后立即通水通水歷時15天，可將壩體最高溫度降低2℃～5℃左右，可見采取冷卻水管措施對降低壩體內部溫度是有效的。

（5）壩體內部最高溫度達到準穩定溫度需要漫長過程，溫度場計算結果表明：壩體的最高溫度出現在施工期內。運行期，壩體與周圍環境進行熱交換，壩體內最高溫度逐漸減小。運行10年左右，壩體內部溫度基本趨于準穩定溫度場。

（6）方案2為推薦方案。

7 結論

采用三維有限元法，模擬臺山碾壓混凝土重力壩的施工過程進行了溫度場仿真研究，分析了不同方案溫度場的分布規律。從計算成果可以看出：對11月份到次年4月澆筑的部位，采取自然入倉澆筑，5月～8月澆筑的部位采取控制澆筑溫度措施，且對整個區域的混凝土通天然河水冷卻，最高溫度可滿足碾壓混凝土重力壩設計規范要求。研究成果為該碾壓混凝土重力壩的設計和施工提供了重要依據。陜西水利

[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]薛元琦,張曉飛,白繼中.碾壓混凝土拱壩溫度場和應力場仿真計算研究［J］.人民黃河,2014（36）1：100～106

[3]林鵬,胡杭,鄭東等.大體積混凝土真實溫度場演化規律試驗［J］.清華大學學報（自然科學版）,2015（50）1:27～32

[4]練迪,黃耀英,鄭曉暉等.混凝土澆筑倉一期冷卻通水措施優選初探［J］.中國農村水利水電,2014（11）90～92

[5]張石虎,傅少君,陳勝宏.基于復合單元法的含層面碾壓混凝土壩溫度場研究［J］.長江科學院院報,2013（30）12:101～106