碾壓混凝土重力壩施工期溫度及應(yīng)力仿真分析

楊憲元，王 棟

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710000）

1 工程概況

某碾壓混凝土重力壩位于陜西省鎮(zhèn)安縣境內(nèi)的縣河上，該水庫是一座以縣城供水、煙草灌溉為主，兼顧其他農(nóng)作物灌溉、防洪等綜合利用效益的小（1）型水庫工程。樞紐永久建筑物為碾壓混凝土重力壩，工程規(guī)模為Ⅳ等小（1）型工程，樞紐主要建筑物為4級(jí)。碾壓混凝土重力壩建基面高程為831 m，壩頂高程906.00 m，最大壩高75 m，底部最大壩寬46.85 m，壩頂長(zhǎng)度135.0 m，大壩混凝土方量17.5萬m3，月最大澆筑強(qiáng)度1.0 萬 m3。

2 計(jì)算模型及計(jì)算資料

2.1 計(jì)算模型

以最大擋水壩段建立三維有限元模型網(wǎng)格。建基面高程以下基巖厚度取2.0倍壩高，上下游方向取2.0倍壩底寬。離散壩體及壩基巖體采用空間8節(jié)點(diǎn)等參實(shí)體單元，壩段鉛直向單元層厚1.0 m，上下游方向分為20層單元，上下游面處較密，中心較稀。整個(gè)壩段模型共剖分單元56,400個(gè)，節(jié)點(diǎn)62,155個(gè)，其中大壩壩體剖分單元44,400個(gè)，基巖結(jié)構(gòu)剖分單元12,000個(gè)，計(jì)算模型見圖1。

圖1 典型壩段整體有限元計(jì)算網(wǎng)格

2.2 計(jì)算參數(shù)

該水庫工程區(qū)屬北亞熱帶向暖溫帶過渡區(qū)氣候，大陸性季風(fēng)氣候和半濕潤(rùn)山地氣候特征明顯，四季分明，氣候溫和，雨量充沛，水庫工程壩址處各月平均氣溫見表1。大壩溫控仿真分析計(jì)算所采用的基巖及混凝土熱力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)見表2。

表1 壩址處各月平均氣溫

表2 溫控計(jì)算材料參數(shù)表

2.3 溫控措施

根據(jù)該水庫施工進(jìn)度計(jì)劃，混凝土的開澆時(shí)間為第三年1月，每個(gè)壩段采取通倉澆筑，大壩碾壓?jiǎn)螌雍?.3 m，澆筑層厚1.5 m，間歇7 d，大壩計(jì)劃施工工期18個(gè)月。由于該水庫規(guī)模小，碾壓混凝土標(biāo)號(hào)低、混凝土制冷設(shè)施投入費(fèi)用高等原因，本次溫控措施敏感性分析從工程投資的角度分別計(jì)算了夏季施工和夏季不施工兩種情況5種方案，最后根據(jù)工程的投資，選取最優(yōu)施工方案，溫控計(jì)算方案匯總表見表3。

表3 典型壩段溫控計(jì)算方案匯總表

3 溫控標(biāo)準(zhǔn)及溫度場(chǎng)計(jì)算分析

3.1 溫控標(biāo)準(zhǔn)

為了研究初步可行的溫控措施，需要依據(jù)混凝土材料的熱力學(xué)特性分析溫度及溫度應(yīng)力，從而確定初步的溫差控制標(biāo)準(zhǔn)。按《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL-5108-1999）第103～105頁約束系數(shù)法，基礎(chǔ)均勻溫降條件下的混凝土容許溫度應(yīng)力，用混凝土極限拉伸值進(jìn)行估算分析。本次計(jì)算溫度應(yīng)力控制正常使用極限狀態(tài)短期組合結(jié)構(gòu)系數(shù)取1.5，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1時(shí)，大壩C20常態(tài)墊層混凝土內(nèi)部容許溫差為14℃，允許應(yīng)力為1.52 MPa；C15三級(jí)配碾壓混凝土內(nèi)部容許溫差為12℃，允許應(yīng)力為1.24 MPa，詳見表4。

表4 大壩混凝土施工期允許應(yīng)力及容許溫差

3.2 溫度場(chǎng)計(jì)算分析

施工期從下往上逐層澆筑混凝土?xí)r,上下游邊界暴露于大氣中,取氣溫邊界，空氣函數(shù)中加入太陽輻射熱的影響。蓄水后上游面按庫前水溫取值,下游面與尾水接觸部分按尾水溫取值,其他部位取氣溫邊界。左右兩側(cè)的散熱可按絕熱條件處理，地基底面取年平均氣溫，壩頂暴露面隨澆筑高度上升,間歇期間取氣溫邊界。大壩典型月份穩(wěn)定溫度場(chǎng)分別見圖 2、圖 3。

圖2 1月份壩體中心剖面穩(wěn)定溫度場(chǎng)云圖

圖3 七月份壩體中心剖面穩(wěn)定溫度場(chǎng)云圖

根據(jù)重力壩穩(wěn)定溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，及大壩混凝土內(nèi)部的容許溫差，計(jì)算出重力壩在12月～翌年2月澆筑時(shí)，混凝土內(nèi)部最高溫度不超過20℃；在3月～5月、9月～11月澆筑時(shí)，混凝土內(nèi)部最高溫度不超過25℃；在6月～8月澆筑時(shí)，混凝土內(nèi)部最高溫度不超過30℃。

4 溫控仿真計(jì)算結(jié)果

根據(jù)該碾壓混凝土重力壩的施工進(jìn)度安排及大壩混凝土的熱力學(xué)參數(shù)，采用三峽大學(xué)《大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫控仿真分析軟件（FZFX3D V2.0）》分別對(duì)上述兩種情況5種方案進(jìn)行了溫控措施敏感性分析，提取大壩混凝土內(nèi)部最高溫度點(diǎn)，做最高點(diǎn)溫度過程線圖（見圖4）及大壩中軸線溫度包絡(luò)線圖（見圖5），推薦溫控措施最高應(yīng)力云圖見圖6。

圖4 混凝土內(nèi)部中心點(diǎn)溫度過程線圖

圖5 大壩中軸線溫度包絡(luò)線圖

圖6 推薦溫控措施最高應(yīng)力云圖

從圖4～圖6可以看出：

1)在夏季施工的情況下，不通冷卻水，混凝土內(nèi)部最高溫度達(dá)到37℃，明顯超過了最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)通河水進(jìn)行冷卻，對(duì)控制混凝土內(nèi)部最高溫度的效果明顯，但在高溫季節(jié)（6月～8月）依然超過了混凝土最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，需要控制混凝土的澆筑溫度。通過控制混凝土的澆筑溫度為16℃，在高溫季節(jié)（4月中旬～10月中旬）用基坑水對(duì)新澆混凝土進(jìn)行冷卻，通水時(shí)間20天，水管間距1.5 m×1.5 m，可以使混凝土內(nèi)部最高溫度滿足溫控。

2)在夏季不施工的情況下，不通水冷卻，在10月中旬～翌年4月中旬，混凝土內(nèi)部的最高溫度可以滿足溫控要求；但在4月中旬～10月中旬，不通水冷卻，混凝土內(nèi)部的最高溫度基本上都超過了最高溫度標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)采用通河水進(jìn)行冷卻，通水時(shí)間20天，水管間距1.5 m×1.5 m，對(duì)控制混凝土內(nèi)部最高溫度的效果非常明顯，最高溫度降幅超過7℃，滿足混凝土溫控要求。

3)對(duì)夏季不施工情況下的推薦溫控方案做最高溫度應(yīng)力云圖，見圖7。從圖上可以看出，混凝土內(nèi)部最大應(yīng)力為1.205 MPa，滿足混凝土允許應(yīng)力要求。

5 結(jié)論

通過對(duì)某碾壓混凝土重力壩夏季不施工和夏季施工兩種情況進(jìn)行的溫控措施敏感性分析比較，得出以下結(jié)論：

1）夏季不施工則不用控制混凝土的澆筑溫度，在4月中旬～10月中旬直接通河水冷卻即可使混凝土內(nèi)部最高溫度滿足要求，雖然大壩施工工期相應(yīng)向后拖延，但不影響水庫正常蓄水時(shí)間。

2）夏季施工，在高溫季節(jié)（6月～8月）僅通河水進(jìn)行冷卻無法滿足混凝土內(nèi)部的最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，需要控制混凝土的澆筑溫度，增加制冷設(shè)施，才能使混凝土內(nèi)部的最高溫度滿足溫控要求。

3）由于該水庫工程規(guī)模小、混凝土澆筑強(qiáng)度低、制冷設(shè)施投入費(fèi)用高。夏季不施工，則不用增加混凝土制冷設(shè)施的投入，降低了工程投資，因此在本次溫控仿真分析計(jì)算中推薦夏季不碾壓混凝土施工方案。推薦溫控措施如下：大壩碾壓混凝土采用自然入倉澆筑，高溫季節(jié)（4月中旬～10月中旬）用基坑水對(duì)新澆混凝土進(jìn)行冷卻，冷卻水管長(zhǎng)250 m，通水時(shí)間20天，水管間距1.5 m×1.5 m，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)混凝土的灑水養(yǎng)護(hù)。