碾壓混凝土重力壩通水冷卻仿真分析

王 瓊

（廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510640）

碾壓混凝土筑壩技術(shù)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(shù)得到了迅速的發(fā)展[2]。碾壓混凝土筑壩技術(shù)為了發(fā)揮其連續(xù)澆筑快速施工的優(yōu)點(diǎn)，通常無縱縫通倉澆筑或橫縫間距較大，通倉薄層連續(xù)施工[1]，容易受到高氣溫、強(qiáng)烈日曬等環(huán)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(duì)碾壓混凝土壩筑壩過程進(jìn)行仿真模擬，為大壩高溫季節(jié)澆筑溫控防裂措施設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1 基礎(chǔ)資料

NL水利樞紐位于我國南方地區(qū)，工程等別為Ⅲ等，規(guī)模為中型水庫，工程以城市供水為主，兼顧防洪、發(fā)電作用。工程建設(shè)主要內(nèi)容包括大壩及其附屬建筑物、電站及相應(yīng)配套設(shè)施、水庫管理區(qū)、進(jìn)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(jí)建筑物，按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，1000年一遇洪水校核。

工程所在區(qū)域?qū)偃A南亞熱帶濕潤氣候區(qū)，常年平均氣溫在15～25℃，5～9月為高溫季節(jié)，7月份氣溫最高，最高氣溫為39℃，平均28.5℃。

工程區(qū)氣溫資料見表1。

表1 氣溫資料單位/℃

根據(jù)擬定的進(jìn)度計(jì)劃，碾壓混凝土重力壩擬定于11月開始基礎(chǔ)部位混凝土澆筑，次年10月澆筑到壩頂高程。整個(gè)施工過程無法避開高溫季節(jié)，若不采取相應(yīng)溫控措施，壩內(nèi)溫度將高達(dá)40～50℃，于壩體溫控防裂不利。

根據(jù)壩址區(qū)氣溫條件，結(jié)合已建工程相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，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(jìn)行通水冷卻，水管間距為1.5 m×1.5 m；利用河道來水進(jìn)行通水冷卻，高溫季節(jié)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(shí)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(jì)算分析

根據(jù)碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)資料，本文溫度場及應(yīng)力場三維有限元仿真計(jì)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(cè)順河向范圍取1.5～2倍壩高。混凝土與基巖采用空間8節(jié)點(diǎn)等參實(shí)體單元，整個(gè)計(jì)算域離散為11682個(gè)節(jié)點(diǎn)、8800個(gè)單元，其中壩體部分10852個(gè)節(jié)點(diǎn)、7300個(gè)單元。有限元計(jì)算坐標(biāo)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(xué)參數(shù)及基巖參數(shù)，見表3。

表3 碾壓混凝土熱力學(xué)參數(shù)及基巖參數(shù)

溫度場計(jì)算中，所取基巖的底面及4個(gè)側(cè)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(yīng)力場計(jì)算中，所取基巖底面三向全約束，左右側(cè)面及上下游面為法向單向約束，壩體的三個(gè)側(cè)面及頂面自由。考慮自重及溫度荷載。仿真分析結(jié)果如圖3～8：

圖2 最高溫度包絡(luò)圖（℃）

圖3 施工期順河向最大應(yīng)力包絡(luò)圖（MPa）

圖4 施工期橫河向最大應(yīng)力包絡(luò)圖（MPa）

圖5 內(nèi)部特征點(diǎn)溫度歷程曲線

圖7 內(nèi)部特征點(diǎn)順河向應(yīng)力歷程曲線

圖8 表面特征點(diǎn)橫河向應(yīng)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(fā)生在EL168 m高程左右，主要是因?yàn)樵摬课换炷猎?～7月高溫季節(jié)連續(xù)澆筑，且壩體相對(duì)較厚。通水冷卻之后，內(nèi)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(nèi)部混凝土后期溫度受氣溫影響呈余弦波動(dòng)變化，高程越高，壩體越薄，受氣溫影響越大，余弦波動(dòng)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(chǎn)生壓應(yīng)力，隨后通水冷卻使得混凝土冷卻收縮，進(jìn)而產(chǎn)生拉應(yīng)力。混凝土內(nèi)部順河向最大應(yīng)力（最大應(yīng)力約0.75 MPa）發(fā)生在通水冷卻之后，表面橫河向最大應(yīng)力發(fā)生在澆筑完成后的第一年冬季。總體而言，混凝土內(nèi)部順河向拉應(yīng)力水平較低，而表面橫河向應(yīng)力水平相對(duì)較高，故建議實(shí)際工程中應(yīng)注意做好壩體表面冬季保溫措施。

3 結(jié)論

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