三河口碾壓混凝土大壩澆筑溫度有限元分析

任喜平

（陜西引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安710100）

碾壓混凝土大壩澆筑的溫控過程是比較受關注的問題，傳統碾壓混凝土中小型拱壩一般在溫度低的季節澆筑，而在高溫季節盡量不澆筑，沒有溫控措施或者采取一些簡單的溫控方法［1］。隨著對碾壓混凝土大壩的分析研究，發現碾壓混凝土中添加粉煤灰能夠使混凝土散熱較慢，碾壓混凝土大壩可全年施工，壩內很長一段時間處于高溫狀態，致使碾壓混凝土壩體表面很長時間處于受拉狀態，會引起大壩表面產生裂縫，對大壩施工安排和質量控制造成嚴重影響。因此，在碾壓混凝土大壩澆筑過程中采取合理的澆筑溫度有著特別重要的意義［2］。

1 工程概況

三河口水利樞紐位于陜西省漢中市佛坪縣內距大河壩鎮3.8 km的子午河大峽谷處，水庫總庫容為7.1億m3，調節庫容6.5億m3，壩體高度141.5 m（居國內同類壩型第二），壩頂高程和寬度分別為646 m和9 m。在壩體高程588.0～646.0 m間設置三孔15 m×15 m溢流表孔，在壩體高程534.0～540.0 m間設置兩孔4 m×5 m底孔。大壩、消力塘及導流洞封堵等大體積混凝土總量約109.8萬m3，其中碾壓混凝土約90.68萬m3。該工程基礎層碾壓混凝土通倉澆筑面積大，混凝土基礎容許溫差約束應力與基礎塊混凝土尺寸成比例增加，碾壓混凝土拱壩大體積混凝土施工過程溫控難度大、要求高。

2 有限元計算方法

在混凝土壩仿真分析中，溫度是基本作用荷載，壩體溫度變化是一個熱傳遞問題，用有限元法求解有下面幾個優點［3］:①容易適應不規則邊界；②在溫度梯度大的地方，可局部加密網格；③容易與計算應力的有限單元法程序配套，將溫度場、應力場和變形在同一程序中計算。仿真應力計算中需考慮混凝土溫度、徐變、水壓、自重、自生體積變形和干縮變形等的作用。

筆者選用大型有限元軟件ANSYS深層二次開發的“高壩結構施工期至運行期全過程溫度場、溫度應力場三維有限元仿真分析軟件”，根據該工程的特點選擇、增加、修改不同的功能模塊，縮短仿真分析的周期，為施工期溫度監測及反饋分析提供快捷的技術支持［4］。溫度場仿真分析的核心技術是朱伯芳院士提出的通水冷卻等效負熱源系數法和冷卻水管的精細模擬，它既能等效地考慮通水冷卻的作用、減小模型規模、提高仿真分析的效率，又能考慮不同部位混凝土的冷卻效果。應力場仿真分析模塊能考慮混凝土力學性能參數隨齡期的變化、混凝土徐變、混凝土的自生體積變形等因素的影響，有多種混凝土本構模型可供選用，如彈性模型、彈塑性模型、損傷模型、斷裂力學模型等［5］。

對于不同施工方案和溫控方案，通過改變相應參數，如不同混凝土膠凝材料水化熱性能、澆筑層厚度、間歇天數、冷卻水管間距、冷卻時間、冷卻水管的熱學力學參數變化等來實現，同時實現計算過程中中間結果輸出參數的可視化［6］，分析校核計算結果的合理性，實現高壩溫度應力仿真分析這一復雜過程的自動化和智能化。

3 澆筑溫度有限元分析

3.1 計算模型

選取三河口大壩河床壩段作為典型壩段，采用ANSYS軟件建立三維有限元模型。壩基巖體模型以壩頂的兩端作為起點，左右兩側、壩底向下和下游計算長度為壩高的1.5倍，上游為壩高的1倍。用空間8節點單元模擬壩體和壩基等實體單元，對大壩河床壩段的壩體劃分37 654個網格單元。三河口碾壓混凝土拱壩壩體三維有限元計算模型見圖1。

圖1 壩體三維有限元計算模型

3.2 參數取值

三河口水利樞紐大壩壩體碾壓和常態混凝土物理特性參數見表1（其中t代表混凝土的齡期，d），壩體碾壓混凝土容許最高溫度見表2。

表1 壩體碾壓和常態混凝土的物理特性參數

表2 壩體碾壓混凝土容許最高溫度 ℃

3.3 計算工況

三河口碾壓混凝土大壩澆筑的總控制性節點計劃如下:2016年9月30日澆筑高程504.5～504.8 m找平層；2016年11月2—23日澆筑高程504.8～515.0 m；2017年3月25日—12月31日澆筑高程515.0～551.0 m；2018年2月15日—12月31日澆筑高程551.0～610.0 m；2019年2月5日—6月30日大壩混凝土澆筑完成。

根據三河口水利樞紐大壩壩體施工組織設計和現場碾壓混凝土澆筑試驗成果，大壩混凝土施工過程中以澆筑3 m厚作為一個碾壓澆筑層，壩體相鄰兩個澆筑層之間的間歇期一般為10 d左右。根據施工現場氣候條件，當年11月—次年3月采用不通水的混凝土冷卻措施，根據三河口大壩智能化管理平臺對溫度的監測結果，對于該地區4—10月高溫時段大壩混凝土的澆筑施工，采用壩后“兩臺一備一用”的制冷設備制造10℃的冷卻水對壩體混凝土進行通水冷卻，壩體的墊層、壩頂等部位采用常態混凝土，上游防滲面、下游壩體表面先在碾壓層混凝土形成溝槽，再注入水泥漿液振搗形成寬1 m的變態混凝土，壩體主體采用碾壓混凝土，結合三河口水利樞紐壩址區氣候資料，以及混凝土拌和過程和施工過程的預冷方案，模擬計算三河口水利樞紐4—10月高溫季節澆筑溫度為20、18、16℃工況，具體澆筑過程中壩體溫控計算方案見表3。

表3 澆筑過程中壩體溫控計算方案

3.4 溫度場計算分析

基于三河口碾壓混凝土大壩2016年9月30日—2017年12月31日澆筑進度計劃，建立壩體河床壩段三維有限元模型進行溫度應力有限元分析計算。澆筑溫度為20、18、16℃工況下施工的壩體混凝土溫度場分別見圖2～圖4。

圖2 澆筑溫度為20℃時壩體混凝土溫度場（單位:℃）

圖3 澆筑溫度為18℃時壩體混凝土溫度場（單位:℃）

圖4 澆筑溫度為16℃時壩體混凝土溫度場（單位:℃）

4—10月澆筑溫度采用20℃，冷卻水管間距為1.5 m×1.5 m，4月開始澆筑的弱約束區混凝土二級配防滲層和下游三級配混凝土最高溫度分別為35.01℃和32.58℃，5月澆筑的弱約束區混凝土二級配防滲層和下游三級配混凝土最高溫度分別為35.34℃和32.79℃，均超過了弱約束區容許最高溫度（28℃）。按照澆筑進度計劃，6月以后澆筑脫離約束區混凝土，當澆筑溫度采用20℃、冷卻水管間距為1.5 m×1.5 m時，6月和7月澆筑的弱約束區上游二級配防滲層混凝土最高溫度范圍為35.69～35.75℃，超過容許最高溫度（34℃）；下游三級配混凝土最高溫度為32.91～33.01℃，滿足容許最高溫度要求。8月澆筑的脫離約束區混凝土二級配防滲層和下游三級配混凝土最高溫度分別為33.33℃和30.89℃，均滿足容許最高溫度要求。9月澆筑的脫離約束區上游防滲層混凝土最高溫度為34.47℃，超過容許最高溫度，下游三級配混凝土最高溫度滿足要求。10月澆筑的脫離約束區混凝土二級配防滲層和下游三級配混凝土最高溫度分別為33.82℃和31.29℃，均超過容許最高溫度（30℃）。進入12月以后，混凝土澆筑溫度進一步降低，最高溫度均滿足設計要求。

將4—10月澆筑溫度改為18℃，冷卻水管間距為1.5 m×1.5 m，4月澆筑的弱約束區混凝土二級配防滲層和下游三級配混凝土最高溫度分別為33.55℃和31.11℃，5月澆筑的弱約束區混凝土二級配防滲層和下游三級配混凝土最高溫度分別為32.21℃和29.83℃，均超過了弱約束區容許最高溫度（28℃）。6月以后澆筑脫離約束區混凝土，6月和7月澆筑的弱約束區上游二級配防滲層混凝土最高溫度為34.18～34.41℃，略微超過容許最高溫度（34℃）；下游三級配混凝土最高溫度范圍為31.33～31.68℃，均滿足容許最高溫度要求。8月澆筑的脫離約束區混凝土二級配防滲層和下游三級配混凝土最高溫度分別為32.14℃和29.70℃，均滿足容許最高溫度要求。9月澆筑的脫離約束區上游防滲層混凝土最高溫度為32.94℃，超過容許最高溫度，下游三級配混凝土最高溫度滿足要求。10月澆筑的脫離約束區混凝土二級配防滲層和下游三級配混凝土最高溫度均為32.31℃，超過容許最高溫度，下游三級配混凝土最高溫度滿足要求。進入12月以后，混凝土澆筑溫度進一步降低，最高溫度均滿足設計要求。

4—10月澆筑溫度為16℃，冷卻水管間距為1.5 m×1.5 m，4月澆筑的弱約束區混凝土二級配防滲層和下游三級配混凝土最高溫度分別為32.13℃和29.68℃。5月澆筑的弱約束區混凝土二級配防滲層和下游三級配混凝土最高溫度分別為32.51℃和30.00℃，雖然澆筑溫度降至16℃、水管間距為1.5 m×1.5 m時最高溫度均超過了弱約束區容許最高溫度（28℃），但在冷卻水管加密敷設（間距為1.0 m×1.5 m）后，混凝土的最高溫度能夠滿足要求。6月以后開始澆筑脫離約束區混凝土，上游二級配防滲層和下游三級配混凝土最高溫度均滿足要求。

通過對比分析擬定相應的澆筑施工方案:①針對壩體的河床壩段，為了能夠滿足大壩混凝土最高容許溫度的要求，對于壩體的基礎強約束區域3月澆筑最高溫度不超過11℃，4—10月澆筑最高溫度不超過14℃；基礎弱約束區域4月、5月、10月澆筑最高溫度不超過15℃，6—9月澆筑最高溫度不超過16℃；脫離約束區域4、10月澆筑的最高溫度不超過18℃，5—9月澆筑最高溫度不超過20℃。②在大壩實際施工過程中，壩體下游碾壓混凝土三級配區域澆筑過程中冷卻水管敷設間距為1.5 m×1.5 m時，混凝土的最高溫度滿足要求；壩體上游防滲層混凝土二級配區域澆筑過程中冷卻水管敷設間距為1.5 m×1.5 m時，混凝土的最高溫度略有超標現象，但在冷卻水管加密敷設至間距1.0 m×1.5 m后，混凝土的最高溫度能夠滿足要求。

3.5 擬定方案的溫度場和溫度應力分析

根據擬定的壩體混凝土澆筑施工方案，按照允許最高澆筑溫度計算所得的壩體混凝土溫度云圖見圖5，壩體混凝土順、橫河向應力分別見圖6、圖7。

圖5 擬定方案施工的壩體混凝土溫度云圖（單位:℃）

圖6 擬定方案施工的壩體混凝土順河向應力（單位:MPa）

圖7 擬定方案施工的壩體混凝土橫河向應力（單位:MPa）

在大壩壩體碾壓混凝土實際澆筑過程中，河床壩段找平層常態混凝土尖角處的最大應力為2.23 MPa，該部位出現了應力集中現象，同時在橫河向區域產生了2.05 MPa的較大溫度應力。在澆筑層的2～4層順河向、橫河向產生相對較大的溫度應力，分別為1.95、1.89 MPa，這是壩體碾壓混凝土強約束區在2016年11月完成澆筑后，冬季停工存在長間歇期，導致混凝土內部溫度降幅較大引起的。

根據2017年的混凝土計劃澆筑進度，通過壩體有限元溫度場計算的溫度應力可知:擬定澆筑方案施工的壩體混凝土順河向溫度應力總體低于橫河向的。壩體基礎約束區產生1.10～1.23 MPa的最大應力；其內部應力水平出現相對較低現象，脫離約束區產生1.10～1.63 MPa的最大應力，同時在臨近底孔附近出現最大應力；在壩體基礎約束區的橫河向產生1.85～1.93 MPa的最大應力，其應力水平相對較高，主要出現在上下游表面附近，其內部應力水平相對較低。在脫離約束區橫河向區域最大應力也是大部分出現在壩體上、下游面，壩體下游面產生2.03 MPa的最大應力。大壩底孔出口段的底板周邊產生應力比較大的區域，出現2.12 MPa的最大應力。

4 結 語

（1）2017年3月25日前已完成澆筑的混凝土以及按2017年進度計劃澆筑的混凝土按照擬定澆筑溫度和通水冷卻措施計算得到的最高溫度和溫度應力可滿足設計要求。

（2）采取擬定的澆筑溫度和相應冷卻措施進行施工后，大壩壩體產生的橫河向應力略高于順河向應力，但壩體內部混凝土的溫度應力水平總體不高，在大壩壩體的尖角處、上下游表面、孔口部位、長間歇部位出現了較大的溫度應力。對這些部位在施工過程中制定專項溫控施工方案，保證了大壩混凝土的施工質量。

（3）為防止壩體碾壓混凝土在高溫季節的澆筑溫度因氣溫影響而產生升高現象，在高溫季節澆筑的倉號建議采用噴霧機進行噴霧保濕降溫；攤鋪碾壓完的混凝土表面及時鋪設保溫材料進行保護；溫度比較高的月份，盡量選擇低溫時段澆筑，減小澆筑層的層厚，保證高溫氣候下壩體混凝土的澆筑溫度滿足要求。