碾壓混凝土重力壩通水冷卻仿真分析

王 瓊

（廣州市水務規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510640）

碾壓混凝土筑壩技術采用干硬性混凝土和薄層碾壓方法施工，單位體積混凝土所用水泥用量較少，水化熱、絕熱溫升也較低[1]。我國于1986年建成了第一座碾壓混凝土重力壩——坑口壩以來，碾壓混凝土筑壩技術得到了迅速的發展[2]。碾壓混凝土筑壩技術為了發揮其連續澆筑快速施工的優點，通常無縱縫通倉澆筑或橫縫間距較大，通倉薄層連續施工[1]，容易受到高氣溫、強烈日曬等環境因素的影響。本文以我國南方NL碾壓混凝土重力壩為例，考慮通水冷卻[3]，對碾壓混凝土壩筑壩過程進行仿真模擬，為大壩高溫季節澆筑溫控防裂措施設計提供科學依據和參考。

1 基礎資料

NL水利樞紐位于我國南方地區，工程等別為Ⅲ等，規模為中型水庫，工程以城市供水為主，兼顧防洪、發電作用。工程建設主要內容包括大壩及其附屬建筑物、電站及相應配套設施、水庫管理區、進場公路等。其中，水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，大壩總長389.19 m，由溢流壩段和非溢流壩段組成，最大壩高69.8 m，壩頂寬7.5 m。水庫大壩為3級建筑物，按100年一遇洪水設計，1000年一遇洪水校核。

工程所在區域屬華南亞熱帶濕潤氣候區，常年平均氣溫在15～25℃，5～9月為高溫季節，7月份氣溫最高，最高氣溫為39℃，平均28.5℃。

工程區氣溫資料見表1。

表1 氣溫資料單位/℃

根據擬定的進度計劃，碾壓混凝土重力壩擬定于11月開始基礎部位混凝土澆筑，次年10月澆筑到壩頂高程。整個施工過程無法避開高溫季節，若不采取相應溫控措施，壩內溫度將高達40～50℃，于壩體溫控防裂不利。

根據壩址區氣溫條件，結合已建工程相關經驗，本文擬定混凝土澆筑溫度和通水冷卻方案如表2。擬定本工程通水冷卻采用HDPE塑料水管進行通水冷卻，水管間距為1.5 m×1.5 m；利用河道來水進行通水冷卻，高溫季節取河道底層水或者加冰冷卻水，控制冷卻水溫度不高于18℃；通水冷卻約15～20天，流量約0.8～1.2 m3/h，每24小時交換一次通水方向。

表2 各月澆筑溫度及通水溫度控制 單位/℃

2 仿真計算分析

根據碾壓混凝土壩設計資料，本文溫度場及應力場三維有限元仿真計算模型如圖1所示。其中建基面以下基巖厚度及壩軸線上、下游側順河向范圍取1.5～2倍壩高。混凝土與基巖采用空間8節點等參實體單元，整個計算域離散為11682個節點、8800個單元，其中壩體部分10852個節點、7300個單元。有限元計算坐標系定義：X軸為順河向，由上游水平指向下游；Y軸為鉛直向上；Z軸為橫河向，沿壩軸線由左岸水平指向右岸。

壩體碾壓混凝土熱力學參數及基巖參數，見表3。

表3 碾壓混凝土熱力學參數及基巖參數

溫度場計算中，所取基巖的底面及4個側面為絕熱面，基巖頂面與大氣接觸的為第3類散熱面，壩體上下游面、頂面、均為散熱面。

應力場計算中，所取基巖底面三向全約束，左右側面及上下游面為法向單向約束，壩體的三個側面及頂面自由。考慮自重及溫度荷載。仿真分析結果如圖3～8：

圖2 最高溫度包絡圖（℃）

圖3 施工期順河向最大應力包絡圖（MPa）

圖4 施工期橫河向最大應力包絡圖（MPa）

圖5 內部特征點溫度歷程曲線

圖7 內部特征點順河向應力歷程曲線

圖8 表面特征點橫河向應力歷程曲線

分析以上圖表：

（1）混凝土澆筑以后，在水化熱作用下溫度迅速升高到最高值，隨后在通水冷卻作用下溫度降低。壩段最高溫度發生在EL168 m高程左右，主要是因為該部位混凝土在6～7月高溫季節連續澆筑，且壩體相對較厚。通水冷卻之后，內部混凝土在殘余水化熱作用下，溫度再次回升約1～2℃。由圖5～6也可以看到，EL148.5 m、EL167.5 m高程，內部混凝土后期溫度受氣溫影響呈余弦波動變化，高程越高，壩體越薄，受氣溫影響越大，余弦波動越明顯。而混凝土表面溫度，在通水冷卻之后隨氣溫變化而變化。總體而言，壩體最高溫度為34.8℃，通水冷卻有效降低壩體溫度。

（2）混凝土澆筑后溫升膨脹，在約束作用下產生壓應力，隨后通水冷卻使得混凝土冷卻收縮，進而產生拉應力。混凝土內部順河向最大應力（最大應力約0.75 MPa）發生在通水冷卻之后，表面橫河向最大應力發生在澆筑完成后的第一年冬季。總體而言，混凝土內部順河向拉應力水平較低，而表面橫河向應力水平相對較高，故建議實際工程中應注意做好壩體表面冬季保溫措施。

3 結論

根據仿真計算結果，在采取通水冷卻措施后，壩體溫度得到有效控制，壩段應力水平也并不是很高（最大應力約0.75 MPa），但根據應力歷程曲線來看，建議實際工程中應注意做好壩體表面冬季保溫措施。