大體積混凝土壩施工期溫度場仿真分析

趙文州

(新疆兵團勘測設計院(集團) 有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830002)

大體積混凝土施工過程中常常存在著溫度裂縫的問題[1-3]，混凝土重力壩作為大體積混凝土的一種形式，其溫度裂縫問題亦不容忽視。隨著我國西部一批混凝土壩的陸續開工建設，大壩施工期溫度場研究也已經成為壩工界研究的熱點之一[4-5]。其中施工過程水泥水化熱引起的溫度場改變是壩體產生溫度裂縫的關鍵原因。對溫度場的研究主要分為解析方法和近似方法兩種分析方法，解析方法主要基于固體熱傳導理論，根據模型邊界條件的實際情況得到解的函數形式，然而實際工程中的邊界條件大都較為復雜，給解析方法在工程界的推廣運用增加了難度。隨著計算機科學技術的快速發展，學者們在模擬大體積混凝土施工過程溫度場的研究中，近似方法中的有限元法得到廣泛應用[6-7]。文章以國內某混凝土壩工程為研究對象，建立了大壩三維仿真模型，并對其施工過程中溫度場變化規律進行詳細的分析研究，復核大壩施工設計中的溫控措施，結合有限元分析結果對大壩溫控及防裂措施提出改進建議，研究成果供混凝土重力壩溫控設計提供參考。

1 計算理論與方法

在溫度場計算區域R內應滿足拉普拉斯方程：

(1)

(2)

(3)

其中：β，λ分別為表面散熱系數和導熱系數；Ta、Tb為邊界溫度。n為外法線方向。

對上式方程在R內用加權余量法可以得到：

(4)

對上式進行分部積分得：

(5)

(6)

代入邊界條件求得穩定溫度場的方程為：

(7)

2 混凝土壩施工期溫度場仿真分析

2.1 工程概況

圖1 大壩三維模型 圖2 壩體材料分區

表1 材料熱、力學性能參數

2.2 壩體混凝土的澆注溫度

壩體混凝土澆筑溫度按下式確定：

Tn=Tas+Tr+(Tb-Tas)E1+(Tp-Tas)E2

(8)

式中：E1為老混凝土澆筑塊平均溫度殘留比；E2為新澆筑混凝土塊向外界傳熱后的平均溫度殘留比；Tr為水化熱傳熱后殘留溫升；Tb為老混凝土塊或基巖材料平均溫度；Tas為混凝土塊的表面溫度；Tp為混凝土澆筑溫度。根據項目溫控設計方案，本文分別選取自然澆筑和控溫澆筑兩種工況進行對比分析。

工況一：假定在壩體混凝土澆筑過程中不考慮相關溫控措施，入倉溫度為自然溫度。工程經驗表明，自然澆筑狀態下混凝土入倉溫度一般比當日外界氣溫高出2℃～4℃，在本文研究中取平均值3℃計算。

工況二：考慮項目采取的相關溫控措施，對混凝土入倉溫度進行控制，即滿足混凝土入倉溫度大于6℃小于18℃的溫控標準。混凝土澆筑初始溫度如表2所示。

表2 混凝土澆筑溫度

2.3 壩體施工期溫度場模擬

本文采用APDL語言實現對壩體施工期溫度場的模擬，根據工程資料可知，壩體混凝土澆筑工期為300 d。壩體主要分為兩段施工，壩體高程548.8～564.0 m部分(計劃工期11月到次年1月)和壩體高程564.0～616.1.0 m部分(計劃工期2月到次年8月)。壩體底部和頂部C20混凝土部分采用一次通倉澆筑，壩體其余部分采取薄層澆筑。壩體施工至110 d時，澆筑高度23 m。自然澆筑工況(工況一)下壩體溫度場等值線圖如圖3(a)所示，經計算此時外界氣溫為3.1℃，壩體最低溫度值為4.2℃，位于上下游表面位置。壩體最高溫度值為21.4℃，位于高程555.0 m處附近，壩體內部最大溫差為17.2℃。控溫澆筑工況(工況二)下壩體溫度場等值線圖如圖3(b)所示，與工況一類似，在考慮溫控措施后，最低溫度同樣出現在上下游表面位置，其值為7.6℃，最高溫度同樣出現在高程555.0 m處附近，其值為25℃，壩體內部最大溫差17.4℃。對比圖3(a)和圖3(b)不難發現，兩種工況下，壩體混凝土最大溫差接近，均滿足本項目最大容許溫差18℃。

圖3 澆筑第110天壩體溫度場等值線圖

壩體施工至200天時，澆筑高度47 m。自然澆筑工況(工況一)下壩體溫度場等值線圖如圖4(a)所示，經計算此時外界氣溫為22.2℃，壩體最低溫度值為15.3℃，位于壩體底部位置。壩體最高溫度值為32.1℃，位于高程580.0 m處附近，壩體內部最大溫差為16.8℃。控溫澆筑工況(工況二)下壩體溫度場等值線圖如圖4(b)所示，與工況一類似，在考慮溫控措施后，最低溫度同樣出現在壩體底部位置，其值為16.1℃，最高溫度同樣出現在高程580.0 m處附近，其值為30.8℃，壩體內部最大溫差14.7℃。對比圖4(a)和圖4(b)不難發現，與工況一相比，采取控溫措施后，壩體內部最大溫差略有降低，兩種工況下壩體溫差均滿足設計要求。

圖4 澆筑第200天壩體溫度場等值線圖

壩體施工至300天，此時壩體澆筑完成。自然澆筑工況(工況一)下壩體溫度場等值線圖如圖5(a)所示，經計算此時外界氣溫為22.2℃，壩體最高溫度出現在高程592.0 m處附近，其值為42.6℃。最低溫度為16℃，位于壩體底部位置，壩體自身溫差值為26.6℃，超出設計容許溫差值。控溫澆筑工況(工況二)下壩體溫度場等值線圖如圖5(b)所示，在考慮溫控措施后，壩體最高溫度同樣位于高程592.0 m處附近，其值為33.0℃。最低溫度17℃，同樣位于壩體底部位置，壩體自身溫差值16℃。對比圖5(a)和圖5(b)可以看出，在壩體澆筑完成時，自然澆筑工況下大壩內外溫差和壩體自身溫差均不滿足設計要求，當采取相應溫控措施后，壩體澆筑混凝土最高溫度值均得到顯著降低，溫差值滿足設計要求。

圖5 澆筑第300天壩體溫度場等值線圖

3 結語

壩體施工期由水泥水化熱和外界條件引起的溫度場變化往往是導致壩體裂縫的直接原因。因此，為防止壩體裂縫的產生和發展，就有必要對壩體進行施工全過程的溫度場仿真分析，研究其溫度場分布規律。本文結合某混凝土壩具體工程，基于Ansys建立大壩三維模型，并對其施工全過程溫度場進行分析模擬。研究結果表明，在考慮相應溫控措施后，能夠顯著降低大壩內外和壩體自身溫度差。值得注意的是在冬季施工時，受外界較低氣溫影響，壩體自身溫差接近達到最大容許溫差值，這里建議在冬季施工過程中除基本的溫控措施外，還應適當采取其他溫控措施，比如對已澆倉面覆蓋保溫材料等。