車家壩河重力壩施工期溫度場分布分析

侯緒亞，潘 宇，邵 凱

(1.南京河川建設工程有限公司，南京 210017；2.南京市水利建筑工程檢測中心有限公司，南京 210017；3.南京市水利規劃設計院股份有限公司，南京 210017)

重力壩自重大、施工簡單、造價低廉、對腐蝕耐抗性較好，是目前最常見的擋水建筑物結構型式之一[1-3]。同時，混凝土重力壩的壩體開裂也成為實例工程的普遍現象。根據筆者搜集、統計近30a來國內外的452起混凝土重力壩壩體開裂現象，其中由溫度應力引起的事故共有135起，占事故原因的29.9%。因此，合理控制混凝土重力壩溫度應力，控制溫度裂縫是科學建設混凝土重力壩的關鍵。

本文以重慶車家壩河重力壩為實例工程，考慮采用數值仿真模擬，分析施工期車家壩河重力壩的溫度應力分布規律。

1 實例工程概況

重慶車家壩河混凝土重力壩位于重慶市奉節縣梅溪河，主要設計功能為發電與灌溉，按照功能指標及投資造價確定設計等級為小(1)型水電站，Ⅳ等工程，其中，壩頂高程為894.1m，設計洪水位為891.09m，校核洪水位為892.33m。實例工程斷面布置如圖1所示。

2 三維數學模型建立

2.1 計算軟件選擇及網格劃分

結合計算軟件的適用范圍、計算精度和適用性，綜合選擇ANSYS三維有限元軟件進行模擬計算[9-11]。根據實例工程具體參數尺寸，建立三維有限元模型，三維模型見下圖。整個結構段共有2956個網格和3385個網格節點。在模型中各區域共選擇20個典型采樣節點，如圖2所示。

圖1 實例工程(擋水壩段)斷面布置示意圖(單位：m)

圖2 實例工程三維模型建立及網格劃分

2.2 計算精度驗證

根據實例工程施工過程4個監測點(在本模型中分別為Node 132、Node714、Node 1743、Node 1975)，驗證本模型的計算精度。驗證結果如圖3所示，大部分節點溫度計算值與實測值的誤差都在10%以內，計算精度較高，本文建立的數模能很好的模擬實例工程溫度分布狀況。

圖3 實例工程三維模型計算精度驗證

3 實例工程溫度場三維數學模型結果分析

3.1 實例工程澆筑過程溫度曲線變化過程

實例工程由2014年3月開始澆筑施工，并在2016年11月完成澆筑。整個澆筑過程持續33個月，有4段明顯的溫度轉折點，最高澆筑溫度為37.3℃，最低澆筑溫度為21.4℃。根據實例工程實測資料，其中心節點溫度變化過程如圖4所示。

圖4 實例工程中心節點溫度變化過程

3.2 典型節點溫度變化過程數值計算結果

根據圖4，本模型分了231、270、342以及360.5m四組典型高程，總共取了20個典型采樣節點。根據數模計算結果，20個典型采樣節點在施工過程中的溫度變化計算結果如圖5所示。分析可知：

(1)由于外部環境一致，因此4個特征高程的溫度值大小雖然略有區別，但是4個特征高程的溫度變化規律趨勢基本一致。

(2)對于231m高程，內部3個典型采樣節點溫度變化趨勢一致，在澆筑后經歷了60d左右的散熱期，此后溫度大小一致較為穩定。外部2個典型采樣節點的溫度變化則與外界溫度變化過程基本一致，出現了明顯的起伏。

(3)270m高程內部3個典型采樣節點早期的溫度變化趨勢基本一致，后期受到上部部位混凝土澆筑散熱后的溫度傳遞影響，3個典型采樣節點的溫度變化趨勢有所區別。

(4)342m高程和360.5m高程內部典型采樣節點的變化趨勢均基本一致。出現略微差異的原因主要因為342m高程澆筑時外界環境溫度在10～12℃左右，而360.5 m高程澆筑時外界環境溫度在18～19.5℃左右，外界溫度值差異較大。

圖5 實例工程典型采樣節點溫度變化過程

3.3 澆筑溫度對重力壩溫度場的影響分析

為了進一步研究澆筑溫度對重力壩溫度場的影響規律，本文在控制其他條件不變的情況下，改變初始澆筑溫度，分為不控制澆筑溫度、澆筑溫度設為10℃和澆筑溫度設為15℃3個工況進行研究分析。計算結果如圖6所示，分析可知：

(1)231m高程與360.5m高程典型采樣節點的溫度變化趨勢一致，即不控制澆筑溫度時溫度一直大于澆筑溫度設為10℃情況，而澆筑溫度設為15℃時的溫度介于二者之間。

(2)270、342m高程高程節點的溫度趨勢略有變化，澆筑溫度設為15℃時的溫度一直大于澆筑溫度設為10℃時的溫度。

(3)分析各高程位置溫度變化趨勢不同的原因，主要由于270、342m高程澆筑時，外界溫度較低(約為10～12℃左右)，而231m高程與360.5m高程澆筑時相對溫度較高(約為18～19.5℃左右)。

(4)由此可見，澆筑溫度對于重力壩段不同位置的影響程度區別較大。同時，外界氣溫越低，澆筑溫度對于重力壩段溫度場影響越明顯。

4 實例工程開裂指數變化過程分析

根據文獻[11]，當水平方向節點開裂指數大于0.5或者豎直方向節點開裂指數大于1.0時，實例工程存在橫向開裂或縱向開裂的可能。根據實例工程在施工過程中實測數據，基于文獻[11]分析實例工程在施工過程中混凝土開裂指數分布，如圖7所示。

分析圖7可知，在實例工程施工過程中，水平方向最大開裂系數為0.24，豎直方向最大開裂系數為0.95，均小于規范要求值，不存在壩體開裂的風險。

5 結論

本文以車家壩河混凝土重力壩為研究對象，通過建立三維仿真數模，研究了施工過程中溫度場分布變化過程，得到以下主要結論。

(1)混凝土壩體內部節點溫度變化趨勢基本一致，即經歷60d溫度下降期后，基本保持不變。混凝土壩體靠近外部節點則受外界溫度影響較大，出現一定程度的波動。

圖6 實例工程典型采樣節點在不同澆筑溫度下溫度場變化過程

圖7 實例工程典型采樣節點在不同澆筑溫度下溫度場變化過程

(2)澆筑溫度對于重力壩段不同位置的影響程度區別較大。同時，外界氣溫越低，澆筑溫度對于重力壩段溫度場影響越明顯。

(3)經計算，實例工程在施工過程中，水平、豎直方向最大開裂系數，均小于規范要求值，不存在壩體開裂的風險。