碾壓混凝土重力壩施工期溫度及應力仿真分析

楊憲元，王 棟

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710000）

1 工程概況

某碾壓混凝土重力壩位于陜西省鎮安縣境內的縣河上，該水庫是一座以縣城供水、煙草灌溉為主，兼顧其他農作物灌溉、防洪等綜合利用效益的小（1）型水庫工程。樞紐永久建筑物為碾壓混凝土重力壩，工程規模為Ⅳ等小（1）型工程，樞紐主要建筑物為4級。碾壓混凝土重力壩建基面高程為831 m，壩頂高程906.00 m，最大壩高75 m，底部最大壩寬46.85 m，壩頂長度135.0 m，大壩混凝土方量17.5萬m3，月最大澆筑強度1.0 萬 m3。

2 計算模型及計算資料

2.1 計算模型

以最大擋水壩段建立三維有限元模型網格。建基面高程以下基巖厚度取2.0倍壩高，上下游方向取2.0倍壩底寬。離散壩體及壩基巖體采用空間8節點等參實體單元，壩段鉛直向單元層厚1.0 m，上下游方向分為20層單元，上下游面處較密，中心較稀。整個壩段模型共剖分單元56,400個，節點62,155個，其中大壩壩體剖分單元44,400個，基巖結構剖分單元12,000個，計算模型見圖1。

圖1 典型壩段整體有限元計算網格

2.2 計算參數

該水庫工程區屬北亞熱帶向暖溫帶過渡區氣候，大陸性季風氣候和半濕潤山地氣候特征明顯，四季分明，氣候溫和，雨量充沛，水庫工程壩址處各月平均氣溫見表1。大壩溫控仿真分析計算所采用的基巖及混凝土熱力學試驗參數見表2。

表1 壩址處各月平均氣溫

表2 溫控計算材料參數表

2.3 溫控措施

根據該水庫施工進度計劃，混凝土的開澆時間為第三年1月，每個壩段采取通倉澆筑，大壩碾壓單層厚0.3 m，澆筑層厚1.5 m，間歇7 d，大壩計劃施工工期18個月。由于該水庫規模小，碾壓混凝土標號低、混凝土制冷設施投入費用高等原因，本次溫控措施敏感性分析從工程投資的角度分別計算了夏季施工和夏季不施工兩種情況5種方案，最后根據工程的投資，選取最優施工方案，溫控計算方案匯總表見表3。

表3 典型壩段溫控計算方案匯總表

3 溫控標準及溫度場計算分析

3.1 溫控標準

為了研究初步可行的溫控措施，需要依據混凝土材料的熱力學特性分析溫度及溫度應力，從而確定初步的溫差控制標準。按《混凝土重力壩設計規范》（DL-5108-1999）第103～105頁約束系數法，基礎均勻溫降條件下的混凝土容許溫度應力，用混凝土極限拉伸值進行估算分析。本次計算溫度應力控制正常使用極限狀態短期組合結構系數取1.5，結構重要性系數取1.1時，大壩C20常態墊層混凝土內部容許溫差為14℃，允許應力為1.52 MPa；C15三級配碾壓混凝土內部容許溫差為12℃，允許應力為1.24 MPa，詳見表4。

表4 大壩混凝土施工期允許應力及容許溫差

3.2 溫度場計算分析

施工期從下往上逐層澆筑混凝土時,上下游邊界暴露于大氣中,取氣溫邊界，空氣函數中加入太陽輻射熱的影響。蓄水后上游面按庫前水溫取值,下游面與尾水接觸部分按尾水溫取值,其他部位取氣溫邊界。左右兩側的散熱可按絕熱條件處理，地基底面取年平均氣溫，壩頂暴露面隨澆筑高度上升,間歇期間取氣溫邊界。大壩典型月份穩定溫度場分別見圖 2、圖 3。

圖2 1月份壩體中心剖面穩定溫度場云圖

圖3 七月份壩體中心剖面穩定溫度場云圖

根據重力壩穩定溫度場計算結果，及大壩混凝土內部的容許溫差，計算出重力壩在12月～翌年2月澆筑時，混凝土內部最高溫度不超過20℃；在3月～5月、9月～11月澆筑時，混凝土內部最高溫度不超過25℃；在6月～8月澆筑時，混凝土內部最高溫度不超過30℃。

4 溫控仿真計算結果

根據該碾壓混凝土重力壩的施工進度安排及大壩混凝土的熱力學參數，采用三峽大學《大體積混凝土結構溫控仿真分析軟件（FZFX3D V2.0）》分別對上述兩種情況5種方案進行了溫控措施敏感性分析，提取大壩混凝土內部最高溫度點，做最高點溫度過程線圖（見圖4）及大壩中軸線溫度包絡線圖（見圖5），推薦溫控措施最高應力云圖見圖6。

圖4 混凝土內部中心點溫度過程線圖

圖5 大壩中軸線溫度包絡線圖

圖6 推薦溫控措施最高應力云圖

從圖4～圖6可以看出：

1)在夏季施工的情況下，不通冷卻水，混凝土內部最高溫度達到37℃，明顯超過了最高溫度控制標準，此時通河水進行冷卻，對控制混凝土內部最高溫度的效果明顯，但在高溫季節（6月～8月）依然超過了混凝土最高溫度控制標準，需要控制混凝土的澆筑溫度。通過控制混凝土的澆筑溫度為16℃，在高溫季節（4月中旬～10月中旬）用基坑水對新澆混凝土進行冷卻，通水時間20天，水管間距1.5 m×1.5 m，可以使混凝土內部最高溫度滿足溫控。

2)在夏季不施工的情況下，不通水冷卻，在10月中旬～翌年4月中旬，混凝土內部的最高溫度可以滿足溫控要求；但在4月中旬～10月中旬，不通水冷卻，混凝土內部的最高溫度基本上都超過了最高溫度標準，此時采用通河水進行冷卻，通水時間20天，水管間距1.5 m×1.5 m，對控制混凝土內部最高溫度的效果非常明顯，最高溫度降幅超過7℃，滿足混凝土溫控要求。

3)對夏季不施工情況下的推薦溫控方案做最高溫度應力云圖，見圖7。從圖上可以看出，混凝土內部最大應力為1.205 MPa，滿足混凝土允許應力要求。

5 結論

通過對某碾壓混凝土重力壩夏季不施工和夏季施工兩種情況進行的溫控措施敏感性分析比較，得出以下結論：

1）夏季不施工則不用控制混凝土的澆筑溫度，在4月中旬～10月中旬直接通河水冷卻即可使混凝土內部最高溫度滿足要求，雖然大壩施工工期相應向后拖延，但不影響水庫正常蓄水時間。

2）夏季施工，在高溫季節（6月～8月）僅通河水進行冷卻無法滿足混凝土內部的最高溫度控制標準，需要控制混凝土的澆筑溫度，增加制冷設施，才能使混凝土內部的最高溫度滿足溫控要求。

3）由于該水庫工程規模小、混凝土澆筑強度低、制冷設施投入費用高。夏季不施工，則不用增加混凝土制冷設施的投入，降低了工程投資，因此在本次溫控仿真分析計算中推薦夏季不碾壓混凝土施工方案。推薦溫控措施如下：大壩碾壓混凝土采用自然入倉澆筑，高溫季節（4月中旬～10月中旬）用基坑水對新澆混凝土進行冷卻，冷卻水管長250 m，通水時間20天，水管間距1.5 m×1.5 m，同時加強對混凝土的灑水養護。