澆筑間隔時間對碾壓混凝土重力壩影響分析

曾 智

（鳳岡縣水務局，貴州 鳳崗564200）

1 概述

實際工程建設中，澆筑的時間間隔期是限制施工的一個重要因素［1］。如何更好的利用混凝土的散熱，放置混泥土的開裂，控制合適的溫度意義重大。

我國學者進行了相關研究［2-4］。謝微、劉虎虎等人對不同坯層在不同間隔時間下的溫度場和應力場的分布規律進行了研究分析［5］。董福品、朱伯芳等人對碾壓混凝土的溫度徐變應力的變化規律進行了深入研究［6］。劉林生等人針對世界最高的拱壩錦屏水電站進行了澆筑層厚度、澆筑間歇期的影響研究［7］。隨著科技發展，對壩體施工的研究越來越多，方法也越來越多樣化［8-9］，但在碾壓混凝土重力壩的研究目前還相對較少。本文在前人研究的基礎上，采用大型有限元軟件ANSYS進行數值模擬，研究間隔時間對碾壓混泥土壩的溫度和應力分布的影響，為實際工程提供一定的理論指導。

2 模型建立

某工程為碾壓混凝土重力壩，溢流壩段的壩高829m，壩底寬59m，堰頂高程893m，壩段長27m，壩體采用3級碾壓混凝土。

碾壓混凝土的徐變參數：

式中C（t，τ）為徐變度；t為混凝土施加荷載時間；t-τ為混凝土持荷時間。

坐標系的設置選取壩軸線指向河右岸為X軸正方向，順河流指向下游為Y軸正方向，在鉛錘面向上為Z軸正方向。壩體在運行的時候考慮自重荷載，以及施工過程中的機械荷載等共同作用。有限元模型的約束設置，在壩基底部采用全約束，其他部分不設置過多約束。

建立有限元模型的范圍按照相關規范要求，在壩基和壩體的上下游均延長100m來進行分析。

模型采用八節點的六面體結構化網格，AWEEP掃略法進行劃分。在模型不同位置采用不同的密度，靠近壩體的網格尺寸相對較小，延長的地基不作為重點研究對象，網格尺寸較大。整體模型的網格數為39520個，節點為43616個。計算有限元模型如圖1。

圖1 有限元模型

表1 模擬工況

在實際工程中，混凝土的澆筑厚度通常采用3m，故本文采用澆筑厚度為3m。設置5種不同工況，每種工況之間此采用相同的澆筑厚度和溫度控制措施來進行控制變量，間歇期分析采用3，7，10，15，20d來進行研究，如表1。

3 對比分析

3.1 間隔時間對壩體溫度影響

對壩體高程836m處的中心點的溫度進行跟蹤監測，變化曲線如圖2。

圖2 溫度變化曲線

根據圖2可知，中心點處的溫度隨時間變化趨勢為先迅速升高，然后隨時間逐漸降低，溫度最高點出現在施工兩個月的時間點內。不同的間隔時間最高溫度也不一樣，可以看出隨著間隔時間增加，最高溫度變得越來越低，這主要是因為隨著時間間隔的增加，混凝土內熱量散發量逐漸增大，導致最高溫度逐漸降低。不同方案之間不同位置的溫度最高點也不相同，如圖3。

圖3 不同位置最高溫度變化

由圖3可知，隨著間隔時間的增加，溢流面和強約束區的最高溫度逐漸降低，降低幅度分別為17.6%，15.8%，最大溫差也逐漸降低，降低幅度分別為30.8%，29.4%。然而，弱約束區和費約束區的最高溫度逐漸升高，升高幅度分別為17.0%，24.8%，最大溫差也逐漸升高，升高幅度分別為26.4%，62.0%。基礎墊層由于靠近地下溫度變化受間隔時間的影響較小，隨間隔時間增大，基本保持不變。

3.2 間隔時間對壩體應力的影響

對高程836m中心點處不同方向的應力進行檢測，不同間隔時間對應的隨施工時間變化曲線如圖4。

圖4 不同工況應力隨時間變化曲線

由圖4可知，澆筑層的應力隨施工時間的增加先迅速增大，然后出現震蕩式的緩慢增加。出現應力變化的原因與澆筑層的內外溫度差有關。不同方案3個方向的應力變化幅度不一樣，隨著間隔時間的增加，應力增加幅度逐漸減小。且不管哪種方案，Y向的應力相對較大，Z向的應力相對較小。隨著間隔時間的變化，澆筑層不同位置的應力也發生變化，如圖5。

圖5 不同位置應力與間隔時間關系

由圖5可知，在混凝土基礎墊層范圍內，X，Y，Z3個方向的拉應力均隨著間隔時間增加逐漸增大。從工況1～5，X方向的最大拉應力從1.79MPa增加到2.43MPa；Y方向的最大拉應力從1.34MPa增加到2.19MPa；Z方向的最大拉應力從0.69MPa增加到1.34MPa；3個方向的應力增加幅度分別為35.8%，63.4%，94.2%，且均滿足混凝土抗拉強度要求。

在碾壓混凝土區域，X，Y，Z3個方向的拉應力均隨著間隔時間增加逐漸降低。從工況1～5，X方向最大拉應力從1.14MPa降低到0.81MPa。Y方向最大拉應力從1.25MPa降到0.86MPa，雖然降低后滿足要求，但在間隔時間為3d時，最大應力1.25MPa，大于1.2MPa，故間隔時間為3d是不可取的。Z方向最大拉應力從1.60MPa降到1.19MPa；3個方向的應力降低幅度分別為28.9%，31.2%，25.6%。

4 結語

通過對施工厚度保持不變，施工間隔時間分別為：3，7，10，15，20d 5種工況的溫度和應力進行分析研究，得出以下結論：

（1）澆筑間隔時間對壩體的溫度和應力有顯著影響。

（2）隨著間隔時間的增加，壩體混凝土散熱越充分，混凝土內最高溫度逐漸降低。溢流面和強約束區的最高溫度逐漸降低，降低幅度分別為17.6%，15.8%。弱約束區和費約束區的最高溫度逐漸升高，升高幅度分別為17.0%，24.8%。

（3）混凝土基礎墊層范圍內3個方向的應力隨間隔時間的增加逐漸增大，且增加幅度分別為35.8%，63.4%，94.2%。碾壓混凝土區域內X，Y，Z3個方向的拉應力均隨著間隔時間增加逐漸降低，降低幅度分別為28.9%，31.2%，25.6%。

（4）間隔時間為3d不滿足應力需求，實際工程具體間隔時間要結合工程實際進行分析確定。