混凝土重力壩受水位變化影響的有限元分析

薛曉飛

(中國市政工程華北設計研究總院有限公司 東莞分公司，廣東 東莞 523321)

1 概 述

防裂問題是碾壓混凝土大壩施工過程中的重要問題。碾壓混凝土有絕熱溫升低、成本低、施工簡單、水泥用量少等優點。但在澆筑過程中，存在混凝土溫度上升快且散熱少、徐變較小、澆筑倉面大等問題，因而導致其產生水化熱溫升較高、抗裂性能差、溫度應力大等現象。因此，碾壓混凝土大壩的溫度控制問題已成為當前研究的熱點。

針對碾壓混凝土大壩的溫度控制問題，許多學者通過數值法、試驗法、理論法等開展了一系列研究，并取得顯著成果。殷邢坦等[1]以某碾壓混凝土壩陡坡壩為研究對象，通過ABAQUS有限元軟件，建立三維大壩模型，分析大壩段施工過程中溫度和應力變化規律，并提出了相應的防裂措施。許繼剛等[2]以高海拔地區的碾壓混凝土大壩為研究對象，利用數值手段，從大壩分縫和溫度控制兩方面開展大壩防裂問題研究，分析了控制溫度應力的方法。張國新等[3-4]從理論分析方法、智能溫度控制、RCC大壩防裂措施、大壩裂縫成因等4個不同角度，總結了碾壓混凝土大壩溫控防裂的研究現狀，研究表明強化內外溫差是碾壓混凝土大壩溫控的關鍵。劉毅等[5]以碾壓混凝土大壩為研究對象，探討大壩的溫控防裂措施，提出了以下溫控要求“溫差小、冷卻慢、全過程保護”，降低內外溫差和上下溫差對大壩防裂起關鍵作用。周偉等[6]利用有限元軟件，建立碾壓混凝土大壩模型，詳細模擬大壩實際澆筑過程，對比設縫和不設縫下大壩受力變形規律。

本文以抽水蓄能電站大壩為研究對象，通過有限元軟件，模擬碾壓混凝土大壩施工期和運營期溫度應力變化規律，提出施工期大壩的有效溫控方案。

2 工程概況

南方地區某抽水蓄能電站的裝機容量為1 300 MW，水庫的設計和校核洪水位分別為304.25和305.25 m，水庫死水位和正常水位分別為262和300 m，水庫總容量、可調節容量、死庫容量分別為1 251×103、812×104和222×104m3。大壩混凝土主要分為上游碾壓混凝土R90C25、內部碾壓混凝土R90C15以及基礎常態混凝土R28C20。混凝土力學和熱學參數見表1和表2。

表1 混凝土力學參數

表2 混凝土熱學參數

3 施工期溫度應力仿真分析

3.1 數值模型

在分析大壩溫度場時，模型中除基礎頂面和施工期大壩游面設置為散熱邊界，其余設為不散熱邊界。蓄水后，大壩游面改為水邊界。在分析大壩應力場時，模型底面設置為固定約束邊界，四側設置為法向約束，頂面設置為自由邊界。大壩部分整體高度取93 m，橫向長度取23 m，基礎部分高度取279 m(3倍大壩高度)，上下游方向取93 m(1倍大壩高度)。模型網格單元用六面體單元劃分，共計141 257個單元、157 459個網格節點。X、Y、Z方向分別表示順河向、橫河向、豎直向。大壩段從下往上分別設置24.5 m高度的強約束區、12 m高度的弱約束區、56.5 m高度的自由區。

3.2 施工期溫控方案優選

施工階段擬定以下3個初步方案來控制大壩溫變：

方案1：大壩混凝土澆筑始于2019年1月，基礎墊層厚1.5 m，其他澆筑層厚度為3.0 m，間歇期為5 d。將大壩分為強約束區、弱約束區、自由區3部分，其高度范圍分別為基礎表面以上0～0.2 L、0.2 L～0.4 L、0.4 L～1 L范圍(L為大壩澆筑段長邊長度)。澆筑混凝土的溫度按當月平均氣溫+3℃設定，具體如下，強約束區：5-9月份混凝土澆筑的溫度不超過16℃，10月份至下年4月份自然入倉；弱約束區：5-9月份混凝土澆筑的溫度不超過18℃，10月份至下年4月份自然入倉；自由區：5-9月份混凝土澆筑的溫度不超過20℃，10月份至下年4月份自然入倉。弱約束區水平和豎直水管間距均為2.0 m，強約束區水平和豎直水管間距均為1.5 m。開始澆筑混凝土則進行為期20 d的通水冷卻，水溫和流量分別為13℃和1.5 m3/h，每隔1 d改變通水方向。上下游壩面澆筑的混凝土通過鋪設5 cm的保溫板來保持溫度。

方案2：在7月份高溫環境下澆筑混凝土，其余措施與方案1相同。

方案3：強約束區澆筑溫度為18℃，其余措施與方案2相同。

表3為以上3種溫控方案下大壩內部混凝土最高溫度和最大順河向應力；圖1為3種溫控方案下大壩強約束區溫度和應力隨時間變化曲線。從表3和圖1中可以看出：

1) 方案1大壩施工計劃為混凝土冬季澆筑，在設計方案和溫度控制措施下，強約束區大壩的碾壓混凝土溫度峰值為25.4℃，順河向應力峰值為1.27 MPa，應力呈拉應力狀態，混凝土抗裂安全系數不小于2.0。

2) 方案2大壩施工計劃為混凝土夏季澆筑，在設計方案和溫度控制措施下，強約束區大壩的碾壓混凝土溫度峰值為26.3℃，順河向應力峰值為1.42 MPa，應力呈拉應力狀態，混凝土抗裂安全系數為1.98。相較于方案1，方案2推遲近6個月開始澆筑混凝土，澆筑混凝土由冬季推遲到夏季澆筑。數值計算表明，因澆筑環境氣溫的顯著提升，強約束區大壩的碾壓混凝土溫度和順河向應力峰值均略有增大，溫度峰值增加0.9℃，順河向應力峰值增加0.15 MPa，混凝土抗裂性能略有降低，但仍大于1.90。

3) 相對于方案2，方案3的強約束區大壩的澆筑溫度上升2℃。數值計算表明，強約束區大壩的碾壓混凝土溫度峰值為27.6℃，順河向應力峰值為1.61 MPa，應力呈拉應力狀態，混凝土抗裂安全系數為1.77。相比于方案2，其強約束區大壩的碾壓混凝土溫度峰值提升1.3℃，順河向應力峰值為0.19 MPa，混凝土抗裂安全系數降低0.14。

綜上所述，方案3的混凝土澆筑方案可作為夏季高溫季節施工方案。

表3 3種施工方案大壩內部混凝土最高溫度和最大順河向應力

圖1 3種溫控方案下大壩強約束區溫度和應力隨時間變化曲線

4 運營期數值模擬

本文所研究的水電站大壩水位變化最高可達38 m，因此有必要分析水位變化對水電站大壩應力和溫度的影響。該水電站大壩死水位和正常水位分別為262和300 m。

表4為不同水位條件下大壩表面混凝土溫度和應力情況。從表4中可以看出，當大壩變化水位為38 m時，大壩表面混凝土每日橫河方向的應力變化和溫度變化分別為0.22 MPa和1.45℃。當大壩水位高程一定時，水庫水溫對大壩混凝土表面溫度無顯著影響，對橫河向應力影響也較小。

表4 不同水位高程下應力溫度情況

圖2-圖4分別為水位變化下大壩不同高程表面混凝土溫度和應力隨時間變化曲線。從圖2-圖4中可以看出，水位變化范圍內，隨著水位變動，大壩表面混凝土應力和溫度也隨之變動。正常水位下，水庫大壩在水位下的表面溫度即為水溫度；死水位下，水庫大壩在水位上的表面溫度處于水溫度和環境溫度范圍。

圖5為水位變化下大壩不同高程內部混凝土溫度和應力隨時間變化曲線。從圖5中可以看出，水位的變化僅發生在大壩上部，而大壩壓應力和拉應力峰值均發生在大壩下方位置，大壩應力峰值受由水位變化的影響較小。大壩水位變化時，大壩內部混凝土每日溫變較小，約束區大壩內部混凝土每日應力變化隨高程提升而提升。

圖2 高程271 m結果

圖3 高程281 m結果

圖4 高程290 m結果

圖5 水位變化下大壩不同高程內部混凝土溫度和應力隨時間變化曲線

5 結 論

本文以抽水蓄能電站大壩為研究對象，通過有限元軟件，模擬碾壓混凝土大壩施工期和運營期溫度應力變化規律，提出了施工期大壩的有效溫控方案。結論如下：

1) 對比3種施工期大壩溫控方案，方案3的混凝土澆筑方案可作為夏季高溫季節施工方案，即強約束區混凝土澆筑溫度為18℃，溫度峰值控制在28℃左右。。

2) 當大壩變化水位為38 m時，大壩表面混凝土溫度每日變化為1.45℃，每日橫河向應力變化為0.22 MPa。當保持大壩水位不變時，水庫水溫對大壩混凝土表面溫度無顯著影響，對橫河向應力影響也較小。

3) 水位變化范圍內，隨著水位變動，大壩表面混凝土應力和溫度也隨之變動。正常水位下，水庫大壩在水位下的表面溫度即為水溫度；死水位下，水庫大壩在水位上的表面溫度處于水溫度和環境溫度范圍。

4) 水位的變化僅發生在大壩上部，而大壩壓應力和拉應力峰值均發生在大壩下部，大壩應力峰值受由水位變化的影響較小。