混凝土重力壩施工過(guò)程溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究

朱文舉

(肇源縣水利工程指導(dǎo)中心，黑龍江 肇源 166500)

1 工程概況

某樞紐工程由碾壓混凝土雙曲拱壩、左岸發(fā)電廠房、壩身泄洪系統(tǒng)等建筑物組成。混凝土拱壩壩頂高程593.00m，最大壩高92m，正常蓄水位584m，庫(kù)容量5.2億m3。因壩體下游地質(zhì)不良，斷層破碎帶分布且?guī)r石完整性較差，在下游190m處設(shè)一二道壩，采用水墊塘方式解決下游消能防沖，該壩型為碾壓式混凝土重力壩，壩高35m，壩長(zhǎng)73m[1]。

2 溫度應(yīng)力有限元分析原理

彈性體的溫度應(yīng)力求解方法同一般面力和體力相互作用的應(yīng)力問(wèn)題，首要確定溫度變化下的等效結(jié)點(diǎn)荷載[2]。定義彈性體單元節(jié)點(diǎn)溫度變化為ΔT，該初應(yīng)變表達(dá)式為：

(1)

總應(yīng)變值為應(yīng)力應(yīng)變值和溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)變值之和，表達(dá)式為：

(2)

求解σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx得:

{σ}=[D]({ε}-{ε0})=[D]{ε}-[D]{ε0}
=[D][B]{δ}e-[D]{ε0}

(3)

式中：[D]為彈性矩陣；[B]為特性矩陣；{δ}e為結(jié)點(diǎn)位移列陣。

結(jié)點(diǎn)力與結(jié)點(diǎn)位移關(guān)系式為：

(4)

溫度變化下的等效結(jié)點(diǎn)荷載后，求解節(jié)點(diǎn)位移，表達(dá)式為：

(5)

從而求得變溫應(yīng)力。

3 有限元計(jì)算

3.1 模型建立

有限元模型定義：大壩上游面逆河向取30m，下游壩踵處順河向取50m，壩基處數(shù)值向下取30m。模型單元?jiǎng)澐植捎冒斯?jié)點(diǎn)六面體SOLID45，局部采用SOLID65單元，壩體和地基共剖分單元總數(shù)21350個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)24238個(gè)[3]。施工期壩體網(wǎng)格劃分圖，見(jiàn)圖1。

圖1 施工期壩體網(wǎng)格劃分圖

熱邊界條件為[4]：壩基底部、壩體上下游、左右側(cè)邊界面均施加絕熱條件，空氣接觸面施加對(duì)流條件。

3.2 施工模擬

根據(jù)混凝土重力壩的施工組織設(shè)計(jì)和施工方案，大壩混凝土從計(jì)算期的第1年1月份開(kāi)始澆筑，共分五段，每段長(zhǎng)25m，持續(xù)到5月份中旬結(jié)束，期間大壩升高35m，平均每月壩體抬升8m。單層澆筑30cm時(shí)進(jìn)行碾壓，連續(xù)澆筑8層后澆筑間歇，然后進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)、保溫等措施。層面間隔時(shí)間理論上按混凝土初凝時(shí)間控制為6h，實(shí)際根據(jù)工程進(jìn)度、初凝控制時(shí)間據(jù)實(shí)調(diào)整。計(jì)算模擬時(shí)選取最大壩高壩段，澆筑層單元厚度為1.5m，綜合考慮間隔平均時(shí)間為6.05d[5]。

3.3 施工期壩體溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

大壩混凝土澆筑施工的溫度場(chǎng)為非穩(wěn)定溫度場(chǎng)，隨著外界環(huán)境溫度變化、材料水化熱、工程進(jìn)度等影響，溫度場(chǎng)變化規(guī)律表現(xiàn)出其特殊性。壩體澆筑到第二層時(shí)的溫度應(yīng)力等值線圖，見(jiàn)圖2；壩體澆筑到第四層時(shí)的溫度應(yīng)力等值線圖，見(jiàn)圖3；壩體澆筑到第八層時(shí)的溫度應(yīng)力等值線圖，見(jiàn)圖4；壩體澆筑到第十層時(shí)的溫度應(yīng)力等值線圖，見(jiàn)圖5；壩體澆筑到第十四層時(shí)的溫度應(yīng)力等值線圖，見(jiàn)圖6；壩體澆筑到第十八層時(shí)的溫度應(yīng)力等值線圖，見(jiàn)圖7。

圖2 壩體澆筑到第二層時(shí)的溫度應(yīng)力等值線圖

圖3 壩體澆筑到第四層時(shí)的溫度應(yīng)力等值線圖

圖4 壩體澆筑到第八層時(shí)的溫度應(yīng)力等值線圖

圖5 壩體澆筑到第十層時(shí)的溫度應(yīng)力等值線圖

圖6 壩體澆筑到第十四層時(shí)的溫度應(yīng)力等值線圖

圖7 壩體澆筑到第十八層時(shí)的溫度應(yīng)力等值線圖

從壩體澆筑混凝土不同分層的溫度應(yīng)力等值線圖可知：

1)壩體混凝土分層澆筑是的最高溫度最多出現(xiàn)在新澆筑層上，分析原因是澆筑混凝土初期大量的水化熱散熱所致。因在冬季施工，故需采取一定保溫措在新澆筑的混凝土層頂面，同時(shí)低溫季節(jié)的混凝土表面降溫過(guò)快，外界較大的溫差會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，破壞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。澆筑至第13層前，大壩整體溫度應(yīng)力相差較大，從第14層開(kāi)始至第18層結(jié)束，外界溫度升高，高溫季節(jié)的壩體混凝土整體溫度較高，最高溫度達(dá)到30.6℃。

2)壩體不同分層的溫度應(yīng)力計(jì)算圖共同表現(xiàn)出：壩體澆筑后的內(nèi)部熱量聚集溫度較高，冬季外界溫度較低，在壩體各層的上下面產(chǎn)生的溫度梯度大，進(jìn)而形成溫度溫差，較大拉應(yīng)力容易造成表面裂縫，故低溫季節(jié)施工時(shí)應(yīng)著重混凝土表面防護(hù)，降低溫差的應(yīng)力影響。

4 結(jié) 論

文章基于彈性體溫度應(yīng)力有限元計(jì)算原理，結(jié)合實(shí)際碾壓混凝土重力壩工程建立三維有限元模型，模擬施工期不同澆筑層的溫度應(yīng)力分布及變化規(guī)律，通過(guò)提取的6個(gè)澆筑層溫度應(yīng)力值線圖可知，壩體澆筑到各層上下結(jié)合面時(shí)的溫度應(yīng)力較大，故應(yīng)優(yōu)化混凝土配合比，合理控制層間間隔、入倉(cāng)溫度等措施，降低溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力。