碾壓混凝土壩通水冷卻措施仿真優(yōu)化研究

彭松濤，張 磊

(1. 華電西藏能源有限公司大古水電分公司，西藏 山南 856000；2. 中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

大壩混凝土溫控防裂[1]貫穿大壩建設(shè)的各個階段，設(shè)計階段提出原材料選擇要求和溫控標(biāo)準(zhǔn)與措施及相應(yīng)施工技術(shù)要求，指導(dǎo)工程現(xiàn)場施工。由于混凝土溫度控制是涉及氣象、水文、材料、施工、結(jié)構(gòu)等跨專業(yè)的復(fù)雜問題，盡管在設(shè)計階段已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究工作，但是設(shè)計條件與實(shí)際條件仍然會存在較大差異；且進(jìn)入施工階段后，受施工條件、水平和管理水平影響，施工情況同設(shè)計情況也會不可避免的存在差異，這些差異可能增加混凝土開裂的風(fēng)險。

有限元仿真分析方法在水利水電領(lǐng)域最初應(yīng)用于溫度應(yīng)力仿真計算方面，朱伯芳、張國新研究團(tuán)隊一直致力于將仿真分析方法運(yùn)用于溫控施工、運(yùn)行期的工作性態(tài)的研究，目前已經(jīng)成功并廣泛應(yīng)用于混凝土高壩的建設(shè)中，實(shí)現(xiàn)了混凝土壩全過程仿真分析。

因此很有必要通過跟蹤反饋仿真分析手段，利用監(jiān)測資料反饋關(guān)鍵參數(shù)，按照實(shí)際進(jìn)度仿真模擬每一個澆筑倉，按照實(shí)際溫控措施進(jìn)行仿真模擬，盡可能真實(shí)的仿真與預(yù)測，進(jìn)行不同溫控方案的敏感性分析[11]，以此來反饋優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化工程投資和施工進(jìn)度。

一般情況下，大壩混凝土澆筑脫離了基礎(chǔ)約束區(qū)后，現(xiàn)有溫控標(biāo)準(zhǔn)和措施可能存在較大的優(yōu)化空間。本文以某在建的高碾壓混凝土重力壩為研究對象，本著保障工程質(zhì)量的同時，進(jìn)一步優(yōu)化節(jié)省工期節(jié)約投資為目的，提出了混凝土壩全過程仿真分析方法，結(jié)合仿真分析平臺SAPTIS[2-3]，運(yùn)用更加真實(shí)的模擬分析手段，重點(diǎn)研究混凝土壩施工中后期，自由區(qū)混凝土簡化通水冷卻措施甚至取消溫控措施的可行性。

1 混凝土壩全過程仿真分析方法

全壩全過程仿真分析方法是進(jìn)行大壩真實(shí)工作性態(tài)研究的基本方法，這一方法的基本特點(diǎn)是三個，一是整壩，是對包括所有橫縫、貼角、孔口、閘墩、復(fù)雜地質(zhì)條件在內(nèi)的整個大壩進(jìn)行模擬；二是全過程，需要從大壩澆筑第一倉混凝土開始就對大壩施工期、初次蓄水期、運(yùn)行期的工作性態(tài)進(jìn)行模擬，三是仿真，就是需要從模型、邊界條件、施工過程、計算參數(shù)等各方面盡可能真的接近真實(shí)狀態(tài)[6-8]。在此領(lǐng)域，筆者研究團(tuán)隊取得了創(chuàng)新性研究成果，發(fā)展了混凝土壩全壩全過程仿真分析方法和大型工程仿真分析軟件平臺SAPTIS程序，為開展混凝土壩真實(shí)工作性態(tài)研究奠定了基礎(chǔ)。該方法和程序已成功應(yīng)用于國際、國內(nèi)上百座工程，包括混凝土壩、渡槽、橋梁、隧洞等等。近期建成的錦屏一級[7,14]、小灣、溪洛渡、拉西瓦、大崗山等特高拱壩均應(yīng)用SAPTIS進(jìn)行了施工期、初次蓄水期的工作性態(tài)分析，二灘進(jìn)行了蓄水運(yùn)行期的工作性態(tài)分析。在建的烏東德、白鶴灘、黃登、豐滿重建、大藤峽、三河口、楊房溝、DG等工程已全面應(yīng)用SAPTIS進(jìn)行跟蹤仿真分析與服務(wù)[15-17]。據(jù)不完全統(tǒng)計，近20年建成的100 m以上的混凝土壩工程中有85%應(yīng)用了SAPTIS。

2 研究對象和研究任務(wù)

本文采用混凝土壩全過程仿真分析方法以及SAPTIS平臺，以某混凝土重力壩典型河床壩段為研究對象，采用設(shè)計澆筑進(jìn)度，針對不同澆筑部位，分不同澆筑季節(jié)，重點(diǎn)研究取消通水冷卻以及簡化通水措施的溫控方案是否可行，研究兩種情況溫度應(yīng)力的一般規(guī)律，進(jìn)一步對溫控措施進(jìn)行優(yōu)化研究。主要對基本熱力學(xué)參數(shù)和邊界初始條件的整理分析，對大壩水庫水溫進(jìn)行數(shù)值計算[10]，進(jìn)一步進(jìn)行無冷通水卻措施溫度應(yīng)力仿真分析以及增大水管間距簡化通水冷卻措施優(yōu)化分析等。

2.1 計算模型和計算方案

圖1(a)～圖1(b)為某大壩河床壩段計算模型。為了對設(shè)計溫控技術(shù)要求中的通水冷卻溫控措施進(jìn)行優(yōu)化，選取有代表性的河床壩段。在壩體表面由于溫度梯度較大，所以設(shè)置相對較薄的單元，由外向內(nèi)網(wǎng)格逐漸變粗。同時，為了模擬分層澆筑過程，計算網(wǎng)格在高度方向上的單元厚度取為0.5 m。網(wǎng)格剖分時采用空間六面體等參單元；模型也準(zhǔn)確的模擬了各個區(qū)域的材料分區(qū)和特性。

圖1 計算模型圖

2.2 計算方案和計算條件

計算方案和計算條件如表1所示。對于約束區(qū)混凝土采用12℃澆筑溫度，自由區(qū)混凝土澆筑溫度按照16℃控制；約束區(qū)混凝土采取通水冷卻措施，水管間距1.0 m×1.5 m，一期冷卻水溫12℃、流量1.2 m3/h，對自由區(qū)混凝土分別計算無冷卻措施和增大水管間距的簡化冷卻措施兩種情況。計算模型約束邊界為基礎(chǔ)底面和側(cè)面均為法相約束，基礎(chǔ)初始溫度采用實(shí)測結(jié)合仿真計算確定。水庫水溫通過數(shù)值模擬手段，采用中國水利水電科學(xué)研究院享有獨(dú)立著作權(quán)的《水庫水溫數(shù)值分析軟件》(NAPRWT)，根據(jù)掌握的該水庫相關(guān)資料，對運(yùn)行期的上游和下游庫水溫時空分布進(jìn)行預(yù)測分析。

表1 計算工況表

2.3 無通水冷卻措施計算結(jié)果

從壩體溫度云圖和溫度過程線看，無通水措施下，壩體內(nèi)部自由區(qū)RII混凝土區(qū)域最高溫度可達(dá)35℃，RⅢ混凝土區(qū)域最高溫度可達(dá)33℃；頂部RⅡ區(qū)域受較高澆筑溫度影響，最高溫度可達(dá)39℃，均出現(xiàn)在夏季澆筑區(qū)域，結(jié)果如圖2所示。總體來講，無通水冷卻溫控措施，壩體內(nèi)部溫度均超設(shè)計要求。無通水冷卻措施下的RⅡ和RⅢ區(qū)域混凝土內(nèi)部應(yīng)力安全系數(shù)大于2.0，在1 501 m高程有冷卻和無冷卻過渡區(qū)受上下層溫差影響，安全余度略有不足，如圖3所示；表面應(yīng)力安全系數(shù)在1 585.5 m高程，僅有1.6，如圖4所示，不滿足設(shè)計要求。

圖2 典型壩段中面溫度包絡(luò)圖 圖3 典型壩段中面第一主應(yīng)力包絡(luò)圖

圖4 典型壩段上游面典型高程軸向應(yīng)力過程線圖

2.4 簡化通水冷卻措施計算結(jié)果

本工況為在嚴(yán)格控制澆筑溫度前提下，針對不同澆筑部位，分不同澆筑季節(jié)，研究將水管間距由原來的1.5 m一層增加到3 m布置一層冷卻水管條件下的溫控措施可行性。由計算結(jié)果可知，水管間距增加后，壩體內(nèi)部RⅡ和RⅢ混凝土區(qū)域，在第三和第四溫控分區(qū)，夏季最高溫度能夠控制在31℃以內(nèi)，冬季最高溫度基本能夠控制在28℃以內(nèi)；上游1 503～1 540 m高程碾壓防滲層RⅣ混凝土最高溫度可達(dá)33℃；靠近頂部碾壓防滲層RV混凝土最高溫度達(dá)到35℃；增加水管間距措施，基本能夠控制住內(nèi)部主體碾壓混凝土的設(shè)計允許最高溫度值。對于碾壓防滲層混凝土，由于沒有單獨(dú)溫控分區(qū)，需加強(qiáng)澆筑溫度控制、提高通水流量等措施，才可以將上游碾壓防滲層最高溫度控制在設(shè)計允許范圍內(nèi)。從應(yīng)力上看，RⅡ和RⅢ碾壓區(qū)混凝土內(nèi)部應(yīng)力和表面應(yīng)力安全系數(shù)均大于2.0，總體來講，對于非約束區(qū)混凝土，增大冷卻水管間距方案壩體應(yīng)力滿足規(guī)范要求，該方案可行(見圖5～圖7)。

圖5 大壩12號壩段中面溫度包絡(luò)圖 圖6 大壩12號壩段中面第一主應(yīng)圖

圖7 大壩12號壩段上游面典點(diǎn)軸向應(yīng)力過程線圖

3 結(jié) 語

本文基于混凝土壩全過程仿真分析方法和SAPTIS平臺，重點(diǎn)對脫離基礎(chǔ)約束區(qū)的RⅡ和RⅢ碾壓混凝土區(qū)域的通水冷卻溫控措施進(jìn)行優(yōu)化，針對不同澆筑部位，分不同澆筑季節(jié)，在嚴(yán)格控制澆筑溫度前提下，以盡量增大水管間距為原則，研究增大水管間距或取消通水冷卻的可行性。仿真計算以典型河床壩段為研究對象，研究溫度應(yīng)力的一般規(guī)律，進(jìn)一步對溫控措施進(jìn)行優(yōu)化研究。總體來講，無通水冷卻措施壩體內(nèi)部最高溫度超過設(shè)計要求，內(nèi)部和表面應(yīng)力局部不滿足設(shè)計要求；將通水冷卻水管水平間距由1.5 m變成3 m后，最高溫度基本滿足設(shè)計要求，內(nèi)部和表面應(yīng)力滿足規(guī)范要求，因此該方案可行；但對于碾壓防滲層混凝土，由于沒有單獨(dú)溫控分區(qū)，需加強(qiáng)澆筑溫度控制、提高通水流量等措施，才可以將上游碾壓防滲層最高溫度控制在設(shè)計允許范圍內(nèi)，對于該區(qū)域混凝土應(yīng)該加強(qiáng)溫控措施，水管間距可不調(diào)整。此外，建議做好表面保護(hù)、養(yǎng)護(hù)工作，且針對降雨、寒潮等做好預(yù)報預(yù)警工作，做好表面的保溫和防護(hù)，最大程度削減單點(diǎn)暴雨、寒潮等影響；還應(yīng)保證壩段連續(xù)澆筑，防止因長間歇造成的上下層溫差過大造成開裂風(fēng)險問題，如遇不可避的長間歇問題，應(yīng)再做專門分析和論證。