碾壓混凝土壩表面流水養護敏感性分析

萬芳芳 溫睿 溫世和

摘 要：利用基于Fortran和Visual Fortran語言編寫的，采用三維有限元及網格浮動法自開發的程序，對某一碾壓混凝土壩進行表面流水養護溫控措施的敏感性分析，設置了3個方案進行對比研究。其成果對大體積混凝土結構溫控設計與裂縫控制具有重要的參考價值。

關鍵詞：碾壓混凝個；三維有限元法；表面流水養護

碾壓混凝土壩由于結構尺寸大、施工速度快和層面間歇時間短，所以熱量不能及時散發而形成較大的溫差，從而引起混凝土體積的變化，由于混凝土各部位都受到不同程度地約束，當溫度變形產生的拉應力大于混凝土的抗拉強度時，便產生了裂縫。而碾壓混凝土壩體中若出現大裂縫，即使修補也很難在恢復其結構的整體性，因此應盡可能的避免壩體中出現裂縫。目前我國常用的主要溫控防裂措施有以下幾個方面：①降低混凝土澆筑溫度②埋設冷卻水管③表面流水養護④采用斜層平攤法澆筑⑤表面保溫。

本文主要是利用基于Fortran和Visual Fortran語言編寫的，采用三維有限元及網格浮動法自開發的程序，對某一碾壓混凝土壩進行常用溫控措施——表面流水養護進行敏感性分析研究。

1工程實例

1.1計算模型

本次敏感性分析是以某工程的碾壓混凝土溢流壩段為原型，對其進行簡化并取其中的一部分為模型進行仿真計算，計算模型見圖1，坐標原點在壩段左側壩踵處，壩軸線指向右岸為x軸正向，下游為y軸正向，鉛直向上為z軸正向。計算模型在壩基深度方向、上游方向和下游方向均取100m。

溫度場的計算中邊界條件的選取：地基底面、4個側面和壩段橫縫面都為絕熱邊界，壩體上、下游面水位以上為固-氣邊界，按第三類邊界條件計算，水位以下固-水邊界，按第一類邊界條件計算。應力場的計算中邊界條件的選取：地基底面按固定支座計算，地基在上、下游面按y向簡支計算，其余為自由邊界。

壩基面高程為73.0m，壩頂高程為131m，壩高58m，壩段長度為19.0m，壩底寬度為82.5m。材料分區見圖2。

1.2 計算方案

本次敏感性分析是針對兩個升程之間間歇期的長短對混凝土溫度的影響進行分析。分析時，不考慮水庫蓄水，外界氣溫取年平均氣溫27.2℃，地溫按27℃考慮，，澆筑溫度為25℃，基礎強約束區和基礎弱約束區碾壓混凝土在間歇期內進行表面流水養護，表面流水養護水溫為庫表水溫，流水養護過程中混凝土表面放熱系數取2250 kJ/m2.h.℃。方案1，兩個升程之間混凝土間歇期為5天；方案2，兩個升程之間混凝土間歇期為7天；方案3，兩個升程之間混凝土間歇期為10天。具體計算方案見表1。

4.4.2 仿真計算成果分析

圖3 不同流水養護時間高程91.5m水平面中心點施工期溫度歷時曲線

圖4 不同流水養護時間高程92.4m水平面中心點施工期溫度歷時曲線

圖5 不同流水養護時間高程93m水平面中心點施工期溫度歷時曲線

仿真計算給出了不同流水養護時間高程91.5m、92.4m、93m、105m和114m水平面中間點施工期溫度歷時曲線，如圖3～圖7；給出了各方案在壩體不同區域的最高溫度值，見表2。

3 結論

由圖3～圖7和表2可看出：

（1）升程混凝土澆筑完成后，間歇期內采用庫表水流水養護，升程表面點散熱很快，升程表面（93.0m高程、105.0m高程、114.0m高程）中心點溫度未出現大的溫升。升程內各高程水平面中心點混凝土澆筑完后，溫度開始上升，距升程表面愈遠，溫升愈明顯。

（2）一升程內，自上向下各高程點溫度受升程間歇期表面流水養護的影響越來越小。

（3）基礎強約束區碾壓混凝土中，方案1的最高溫度較方案2高出0.7℃，方案2的最高溫度較方案3高出0.5℃，方案1的最高溫度較方案3高出1.2℃。

（4）基礎弱約束區碾壓混凝土中，方案1的最高溫度較方案2高出0.8℃，方案2的最高溫度較方案3高出0.5℃，方案1的最高溫度較方案3高出1.3℃。

（5）非約束區碾壓混凝土中，方案1的最高溫度較方案2高出0.6℃，方案2的最高溫度較方案3高出0.4℃，方案1的最高溫度較方案3高出1.0℃。

通過分析，可見表面流水養護這種溫控措施對降低壩體溫度都有明顯的作用，在大壩建設中發揮著重要的作用。

參考文獻

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制北京[M].：中國電力出版社，1999

[2]張曉飛.碾壓混凝土拱壩溫度應力場仿真分析[D].西安：西安理工大學，2003：9-10

[3]潘家錚主編.水工建筑物的溫度控制[M].北京：水利電力出版社，1990

[4]張曉飛，李守義，陳堯隆.碾壓混凝土拱壩溫度場計算的浮動網格法[J].土木工程學報，2006，39（2）：126-129