大藤峽碾壓混凝土圍堰溫度場和溫度應力場仿真計算

吳三線

摘 要：隨著水利工程規(guī)模的逐漸擴大，混凝土大壩體積也越來越大，隨著混凝土體積的增大，很多混凝土大壩出現(xiàn)了不同程度的裂縫。為防止裂縫產(chǎn)生，根據(jù)當?shù)貧鉁厍闆r，需采取溫控措施。溫度場和溫度應力仿真計算可以根據(jù)溫控要求和現(xiàn)場實際情況，通過計算對比確定經(jīng)濟合理的溫控措施。廣西大藤峽水利樞紐工程是國家水利部172項水利工程的龍頭，為紅水河梯級規(guī)劃中最末一個梯級。地處熱帶季風氣候區(qū)，混凝土溫控控制是施工過程中的重難點。

關鍵詞：大體積混凝土 溫控場 溫度應力 仿真計算 通水冷卻

1.情況說明

大藤峽縱向碾壓混凝土圍堰全長約784m由分三部分。

中間部分縱向混凝土圍堰結合永久閘壩段，壩段長67m，壩頂高程64.00m，寬31.50m。

根據(jù)技術要求碾壓混凝土需鋪設冷卻水管。若采用常規(guī)工藝進行冷水通水存在以下缺點：①固定的通水溫度對混凝土內(nèi)部溫控變化適應性差；②河水水溫受天氣、氣候影響較大，穩(wěn)定性差；③穩(wěn)定溫度的制冷水經(jīng)濟適用性差，投入較大。

通過溫控場和溫度應力仿真計算對各種工況方案的計算，可以確定當下時間段冷卻通水具體溫度及各種冷卻水通水時間。

2.溫控場與溫度應力場仿真計算原理

（1）穩(wěn)定溫度場計算原理

根據(jù)熱傳導理論，穩(wěn)定溫度場T（x，y，z）在區(qū)域R內(nèi)滿足拉普拉斯方程。

穩(wěn)定溫度場的方程：

（2）非穩(wěn)定溫度場計算原理

由熱量平衡原理，溫度升高所吸收的熱量必須等于從外面流入的凈熱量與內(nèi)部水化熱之和。一般三維問題，瞬態(tài)溫度場變量T（x，y，z）在直角坐標系求解域Ω中滿足固體熱傳導基本方程

（3）水管冷卻問題計算基本原理

采用冷卻水管進行早期通水冷卻是降低混凝土最高溫升、減小溫度應力的一項有效措施。本文采用等效法計算，把冷卻水管看成內(nèi)部熱源，建立大體積混凝土的等效熱傳導方程，在平均意義上考慮水管的冷卻效果。

（4）溫度徐變應力計算基本原理

總應變等于相應應力產(chǎn)生的應變與變溫引起的應變值之和。理想彈性體在單向受力條件下，應力σ與應變ε之間服從虎克定律，當應力保持不變時，應變也保持不變。但實驗資料表明，當應力保持常量時，混凝土的應變將隨著時間而有所增加。實際上，在單向受力條件下，混凝土在時間τ的總應變ε（τ）可表示為

式中：εe（τ）為應力引起的彈性應變；εc（τ）為混凝土的徐變應變；εT（τ）為溫度變化引起的應變；εS（τ）為混凝土的干縮應變，一般認為，它是混凝土中水分損失所引起的變形；εδ（τ）為混凝土的自生體積變形。

3.溫度場與溫度應力場仿真計算模型

取縱向圍堰壩體段45m長的部分為溫度場與溫度應力場仿真計算研究對象。建基面最低高程9.0，頂部高程64.0m，頂部寬度30.0m，最大壩高55.0m。

溫度場與溫度應力仿真計算采用三維有限元法，地基所取范圍為沿縱向圍堰壩段的上下游及深度方向均延伸1.5倍壩高（見圖1）。

4.溫度場與溫度應力場仿真計算

4.1計算方案見表1，表2。

4.2邊界條件

根據(jù)縱向圍堰壩段施工進度、度汛及水庫蓄水等資料，確定縱向圍堰壩段溫度場計算時邊界條件為：

① 6月1日前，已澆筑壩段左、右側為氣邊界，上、下游側為絕熱邊界；

② 6月1日至7月30日：右側過水，水位高程為28.0m；左側為氣邊界；上、下游側為絕熱邊界；

③ 基礎強約束區(qū)基礎允許溫差13.5℃，基礎弱約束區(qū)基礎允許溫差15.5℃。

4.3準穩(wěn)定溫度場計算分析

縱向圍堰壩段準穩(wěn)定溫度場分布規(guī)律如圖4和圖5所示。從圖可以看出，縱向圍堰壩段內(nèi)部穩(wěn)定溫度為21.0℃左右。

1月份外界氣溫最低，月平均溫度為12.4℃，縱向圍堰壩段1月份準穩(wěn)定溫度場計算結果符合一般規(guī)律。

7月份外界氣溫最高，月平均溫度為28.7℃，縱向圍堰壩段7月份準穩(wěn)定溫度場計算結果符合一般規(guī)律。

4.4非穩(wěn)定溫控場計算分析

由于非穩(wěn)定溫度場隨時間變化，根據(jù)施工需要，選取2個典型剖面，分析。

從縱向圍堰壩段施工期和運行期溫度場計算成果可以看出：

① 施工期高溫季節(jié)澆筑的部位溫度較高，低溫季節(jié)澆筑的部位溫度相對較低。

② 縱向圍堰壩段方案0混凝土澆筑時未采取任何溫控措施，因此強弱約束區(qū)溫度均較高。不采取溫控措施時，強弱約束區(qū)最高溫度均超過了容許最高溫度，因此縱向圍堰壩段必須采取溫控措施。

③ 方案1～5在基礎強約束區(qū)（15.0～24.0m）的最高溫度分別為34.0℃、34.4℃、34.9℃、34.4℃和34.5℃。基礎強約束區(qū)允許最高溫度為34.5.0℃左右。

④ 方案1～5在基礎弱約束區(qū)（24.0～33.0m）的最高溫度均未超過34.0℃。基礎弱約束區(qū)允許最高溫度為36.5℃左右。

⑤ 縱向圍堰壩段各方案非約束區(qū)混凝土最高溫度均較高。縱向圍堰壩段方案1～3非約束區(qū)采取水管冷卻后，混凝土最高溫度降低了（4.2～5.1）℃，冷卻效果明顯。

⑥ 縱向圍堰壩段不同區(qū)域最高溫度、穩(wěn)定溫度、容許最大溫差、容許最高溫度見表3。

⑦ 應力場計算分析

溫度應力是溫度變化引起的應力，主要包括溫差、徐變和自生體積變形產(chǎn)生的應力。

a.在強約束區(qū)（15.0～24.0）m混凝土中，σx、σy最大值分別為1.4 MPa和1.3 MPa。

b.在弱約束區(qū)（24.0～33.0）m混凝土中，三個方向應力最大值不超過0.7 MPa。

c.在非約束區(qū)（33.0～64）m混凝土中，σx、σy、σz最大值分別為2.4 MPa、1.4 MPa和1.0 MPa。

5.結論

通過對大藤峽水利樞紐工程縱向圍堰壩段溫控仿真計算研究，得出以下結論：縱向圍堰壩段方案1、2、4、5強弱約束區(qū)混凝土最高溫度均滿足碾壓混凝土壩設計規(guī)范要求。結合施工現(xiàn)場實際情況，推薦方案4為縱向圍堰壩段實施方案。即：在強弱約束區(qū)，混凝土采用冷卻水管冷卻，水管間距1.5×1.0m，通水水溫為：10℃（3d）+14℃（7d）+河水（20d），通水總時間為30d，通水流量1.5m3/h；

在非約束區(qū)，混凝土采用水管冷卻，水管間距1.5×1.5m，通河水30d，通水流量1.5m3/h。

6.結束語

大藤峽碾壓混凝土圍堰至今澆筑完成并運行已經(jīng)20個月時間，經(jīng)歷了多次超標洪水，運行狀況良好，也未發(fā)生任何一處滲水和裂縫問題，水利部相關領導和國內(nèi)多個知名專家給予了高度評價。

通過溫度場和溫度應力仿真計算并結合現(xiàn)場實際情況，對比給出了經(jīng)濟合理的溫控措施，對大藤峽縱向碾壓混凝土圍堰的施工指明了方向，具有重大指導意義，同時該研究對各類工程大體型混凝土施工有很大借鑒參考意義。

參考文獻：

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