碾壓混凝土重力壩施工期溫度回升影響初探

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(1.國家電力投資集團公司 西藏分公司，拉薩 850000； 2.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038)

1 概 述

大壩混凝土溫控防裂貫穿大壩建設的各個階段，施工階段尤為重要。大壩進入施工階段后，受施工條件和管理水平影響，存在與設計工況不同程度的差異。因此，有必要通過跟蹤反饋仿真分析手段，利用監測資料反饋關鍵參數，按照實際進度和溫控措施仿真模擬，及時反饋施工、優化設計，提高工程建設質量。

混凝土重力壩在澆筑過程中，由于原材料、溫控措施等原因，經常會出現明顯的溫度回升現象，高摻粉煤灰常態混凝土和碾壓混凝土尤為明顯，有些倉位回升后溫度超過了一冷過程中的最高溫度。為了評價溫度回升對混凝土重力壩的影響，本文以某在建碾壓混凝土重力壩為研究對象，對計算參數進行反演，對溫度和應力過程進行反饋和預測，研究溫度回升對大壩溫度應力的影響。

2 研究對象和研究任務

本研究以該混凝土重力壩典型河床壩段12#壩段為研究對象，已澆筑混凝土按實際澆筑進度，未澆筑混凝土按設計進度，混凝土澆筑溫度和一期冷卻措施均按照設計要求，研究在有溫度回升情況下有無中期冷卻對大壩混凝土溫度應力的影響。主要研究內容包括基本熱力學參數和邊界初始條件的整理分析、大壩水庫水溫數值計算、大壩溫度場反饋仿真分析，以及不同工況下大壩溫度應力反饋仿真分析和預測。

3 計算模型和計算方案

3.1 計算模型和條件

圖1為某大壩12#壩段計算模型。為了研究溫度回升影響，選取實際監測過程有溫度回升現象的典型壩段12#壩段。在壩體表面由于溫度梯度較大，所以設置相對較薄的單元，由外向內網格逐漸變粗。同時，為了模擬分層澆筑過程，計算網格在高度方向上的單元厚度取為0.5 m。網格剖分時采用空間六面體等參單元。

圖1 計算模型圖

3.2 計算方案和計算條件

計算方案和計算條件見表1。大壩實際澆筑進度截至2017年6月15日，已澆筑混凝土按實際澆筑進度和澆筑溫度，未澆筑混凝土按照設計進度和設計澆筑溫度，分別計算。

表1 計算工況表

為了準確模擬反饋大壩實際溫度場，對絕熱溫升過程進行了反演。無溫度回升工況，碾壓RI混凝土絕熱溫升公式為：

Q(τ)=23τ/(4.4+τ)

經過反演后，考慮溫度回升，碾壓RI混凝土絕熱溫升公式采用組合函數模型為：

Q(τ)=23τ/(4.4+τ)+8×(1-e-0.001τ1.5)

計算模型約束邊界為基礎底面和側面均為法相約束，基礎初始溫度采用實測結合仿真計算確定。水庫水溫通過數值模擬手段，采用中國水利水電科學研究院享有獨立著作權的《水庫水溫數值分析軟件》(NAPRWT)，根據掌握的該水庫相關資料，對運行期的上游和下游庫水溫時空分布進行預測分析。

4 計算結果

圖2-圖4為截至3個工況的溫度對比過程線。

表2為3個工況溫度和應力成果統計。由計算結果可以看出，考慮和不考慮溫度回升，內部溫度最大相差6℃，表面的最大溫差有4℃的增幅，在初次蓄水時造成0.2 MPa的應力增加，表面應力安全系數由2.3降至1.9；達到穩定場時刻的應力對比，內部應力有大約0.18 MPa的增幅。增加中期冷卻措施后，降低了內外溫差，控制了溫度反彈，防止第二個最高溫度峰值的出現，表面應力有0.5 MPa的降幅，且內部應力也有0.25 MPa的降幅。

圖2 典型高程內外溫度和溫差過程線(工況1-無溫度回升無中冷)

圖3 典型高程內外溫度和溫差過程線(工況2-有溫度回升無中冷)

圖4 典型高程內外溫度和溫差過程線(工況3-有溫度回升有中冷)

工況最大內外溫差/℃入冬最大表面應力 /MPa蓄水時最大表面應力 /MPa最高溫度/℃最高溫度出現時間內部應力差/MPa備注工況111.0～13.01.452.028.0一冷/工況215.0～17.01.552.228.5一冷結束后第二個峰值0.18工況2-工況1工況312.01.01.7528.0一冷0.25工況2-工況3

5 結 語

本文研究內容以某在建碾壓混凝土重力壩為研究對象，對計算參數進行反演，對溫度和應力過程進行反饋和預測，研究溫度回升對大壩溫度應力的影響。仿真計算以典型河床壩段12#壩段為研究對象，已經澆筑的混凝土按照實際澆筑進度，未澆筑混凝土按照設計進度，混凝土澆筑溫度和一期冷卻措施均按照設計要求，分別研究是否考慮溫度回升，以及在有溫度回升情況下有無中期冷卻對大壩混凝土溫度應力的影響。研究結果表明，溫度回升會造成一冷結束后內部溫度反彈，如果不加干預，使得入冬或蓄水時內部溫度處于高位，造成內外溫差過大，表面應力增加；溫度回升甚至導致內部溫度回升至超過一冷最高溫度，出現新的峰值，造成基礎溫差增大，且一冷階段的徐變作用相當于沒有發揮，勢必造成內部拉應力的增加。因此，施工期應嚴格控制混凝土內部溫度回升現象，針對可能存在的溫度回升階段，及時采取通水冷卻等控溫降溫措施，確保內外溫差和基礎溫差滿足設計要求。