白蓮崖大壩澆筑過程溫度演變有限元模擬

閆俊

摘 要：混凝土內部的溫度差會引起混凝土內部形成溫度應力，嚴重時溫度應力會造成混凝土結構的開裂現象。由于水泥水化熱的存在，在混凝土澆筑時尤其大混凝土澆筑，常常發生混凝土結構開裂現象，因此對混凝土施工過程進行熱分析具有重要意義。本文采用有限元法對白蓮崖水庫大壩施工期的熱特性進行了分析。詳細介紹了熱分析的方法，并對不同的作用進行了模擬。

關鍵詞：白蓮崖大壩;大體積混凝土;澆筑溫度演變;有限元模擬

0 引言

混凝土水化是一種放熱反應，在澆筑過程中會產生大量的熱量，特別是在混凝土澆筑后的最初幾天或幾周內。在大體積混凝土中，由于混凝土的隔熱作用，這種熱量產生會在混凝土的核心部位產生高溫，當表面溫度下降時，大體積混凝土內部散熱較慢，形成溫度梯度。這種溫度梯度可能會產生不良的熱應力，從而導致混凝土出現裂縫[1]。想要減少大體積混凝土壩的裂縫首先要對混凝土的水化過程和溫度演變過程進行預測，從而能夠進一步采取適當的措施減少溫度的變化量和變化速度，使大體積混凝土在澆筑過程中由溫度引起的損傷程度降到最低。本文旨在模擬拱壩混凝土的水化過程和溫度演變過程。

1 研究區概況

白蓮崖水庫位于安徽省六安市霍山縣境內東淠河佛子嶺水庫上游西支漫水河上。水庫以防洪為主，兼顧灌溉、供水和發電，為大（2）型水利工程。白蓮崖水庫的正常蓄水位208 m，總庫容4.60億m3，調洪庫容2.81億m3，興利調節庫容1.42億m3。100年一遇設計洪水位209.24 m，5 000年一遇校核洪水位234.5 m。

2 大壩結構組成

2.1 大壩澆筑時間

大壩澆筑大致可以分為四個時期，（1）基礎澆筑（1個月）：2006年4月6日，壩基墊層混凝土部分開始澆搗，于2006年5月7日澆筑完成。（2）澆筑一期（8個月）：2006年10月10日，白蓮崖碾壓混凝土拱壩工程第一倉碾壓混凝土開始碾壓，2007年6月6日，完成大壩EL170高程碾壓混凝土澆筑，“一枯”碾壓混凝土澆筑結束。（3）澆筑二期（8個月）：2007年9月30日，大壩“二枯”碾壓混凝土開倉澆筑，2008年6月19日（9個月），大壩“二枯”碾壓混凝土澆筑完畢，大壩澆筑至EL212.0。（4）澆筑三期（5個月）：2008年9月3日，“三枯”碾壓混凝土開始進行澆筑，2009年1月18日，碾壓混凝土澆筑EL212至設計高程EL234.6，大壩碾壓混凝土澆筑完畢，至此白蓮崖水庫工程碾壓混凝土全部施工完畢。

2.2 大壩幾何結構

攔河壩為碾壓混凝土拋物線雙曲拱壩，壩高104.6 m。壩頂寬8.0 m，拱冠處壩底厚30.064 m，厚高比為0.287;壩頂弧長421.860 m，弧高比為4.033;弦長366.994 m，弦高比為3.509。

2.3 大壩監測系統布置

白蓮崖大壩的監測系統包括環境量監測、變形監測、滲漏監測、應力應變及溫度監測。在施工過程中，用埋在混凝土中的儀器測量壩體內的溫度。隨著時間的推移，使用便攜式測量儀器對冷卻系統散熱混凝土的效果進行了評估，儀器插入44根垂直金屬管中，長度為16 m，可從檢查廊道的地板進入，在混凝土澆筑過程中專門放置。這些金屬管裝滿水，以便測量混凝土溫度[2]。

3 溫度場計算原理

水泥的水化是放熱反應，但放出的熱量不是恒定的。水泥的水化至少表現出兩個甚至三個產熱周期，由于鋁酸三鈣（C3A）的水化作用，水泥與水混合后立即產生第一個循環，在大約5分鐘的時間內，熱量的產生率達到最大值，然后迅速下降。第一個循環之后是一個1～6小時的放熱期，這里的熱生成率逐漸升高。第二個循環是由于硅酸三鈣（C3S）的水化作用產生，在這一循環中，峰值產熱在6到10小時之間觀察到，在這一峰之后產生的熱量逐漸減少。因此混凝土內部溫度是變化的，可以認為混凝土澆筑過程中內部存在放熱不恒定的熱源。其次熱源在進行熱傳導的過程中也會導致溫度發生變化。

4 數值模擬

4.1 有限元模型

通過ANSYS有限元模擬軟件對大體積混凝土拱壩澆筑過程的溫度場進行模擬。首先進行網格劃分，該模型有18 857個網格，其中7 529個屬于地基基礎，11 328個單元網格為混凝土大壩如圖1所示。

4.2 材料屬性

在數值分析中使用的巖體基礎和混凝土特性如表1所示。

4.3 有限元模型的初始和邊界溫度條件

在施工之前，只考慮地基進行熱分析。在得到循環響應后，計算結果作為初始溫度應用于網格基礎節點，當氣溫在5℃到35℃時，澆筑時采用空氣溫度作為初始混凝土溫度[3]。只有當混凝土溫度在上述溫度范圍內時，才允許大體積混凝土澆筑。在實踐中，采取實際措施來控制大體積混凝土的溫度，從而滿足上述施工要求。

白蓮崖拱壩的大體積混凝土溫度控制大體可以分為以下三個區域：

1區：為強約束區，區域范圍是指距基巖0.2L以內的混凝土，L為澆筑塊的長邊。

2區：一般約束區，是指距基巖0.2L～0.4L范圍內的混凝土。

3區：非約束區，是指除1區、2區以外的混凝土。

對于白蓮崖拱壩而言，對于內外溫差產生的應力，可采取以下三種措施：①通水冷卻，降低內部混凝土溫度;②過冬時上下游面保溫;③上游面蓄水保溫。對于運行期溫度荷載產生的應力，可采取全年表面保溫措施。

4.4 結果分析與記錄數據比較

在大壩澆筑的四個階段選取六個時間點進行大壩的熱分析，結果如圖2所示。六個時間點分別在1、3、4、5、9和10月，從圖中可以看出在不同月份，大壩溫度分布有著明顯的區分，在1月和3月時，壩基溫度要明顯高于壩體溫度，在5月9月和10月時壩體的溫度明顯高于壩基的溫度，說明大壩溫度隨季節變化波動明顯，隨著大壩進行澆筑，壩體內部不斷釋放熱量，在夏季大壩最容易出現最高溫度，形成較大的溫度差，從而引起大壩損壞，因此在夏季進行澆筑時冷卻措施以及澆筑時間間隔一定要嚴格把控，將溫度控制在標準溫度要求規范以內。

有限元模擬大壩溫度變化結果與現場實測溫度結果如表3所示。

通過表3可知模擬溫度場變化范圍基本都在實測月溫度變化范圍以內，因此可以運用有限元模擬預測混凝土壩澆筑過程的溫度變化，從而可以提前預判施工過程中的大體積混凝土溫度范圍，當預測溫度范圍超出標準范圍時，采取有效措施確保大體積混凝土澆筑的最大溫度限定在大壩施工期間保證的標準限值范圍內。

5 結論

大壩的澆筑過程伴隨著水泥的水化放熱過程，而大體積混凝土壩澆筑時間周期長，任務量大，因此提前模擬混凝土澆筑過程的溫度場變化意義重大，提前做好預防措施，在溫度過高時使用冷卻水管降溫，溫度過低時采用蓄水保溫措施等。本文采用ANSYS有限元模擬，對白蓮水崖水庫大壩澆筑過程的溫度變化進行模擬，結果表明，模擬溫度場變化范圍基本都在實測月溫度變化范圍以內，因此可以用有限元模擬對大壩澆筑過程溫度變化進行預判，從而采用最有效和最經濟的混凝土施工工藝。

參考文獻：

[1]曹萬林，劉文超，葉天翔，等.循環水控制厚大基礎混凝土溫度裂縫試驗研究[J].自然災害學報，2016，25（1）：97-102.

[2]大體積混凝土施工規范：GB50496—2009[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[3]陳應波，李秀波，張雄.大體積混凝土澆筑溫度場的仿真分析[J].華中科技大學學報，2004（2）：37-39.