基于溫度應力仿真的三河口碾壓混凝土拱壩分縫設計研究

劉 茜，張 昕，王家明，嚴 濤

(1.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，西安 710024；2.西安理工大學，西安 710048)

1 概述

碾壓混凝土拱壩通倉薄層澆筑、全斷面整體碾壓、大面積連續上升，具有施工進度快、超載能力強、安全性能高等優點，是當前國內外高壩建設的一個重要發展方向[1]。其快速高效的施工特點，使得混凝土產生的水化熱短時期內大量積蓄在壩體，不能及時消散，產生較大的內外和上下層溫差。受周邊基礎和外部環境的雙重約束作用，壩體更易產生溫度裂縫[2-4]。因而，不論結構設計還是現場施工，都應高度重視碾壓混凝土拱壩的溫控防裂工作。

選擇合理的壩體結構分縫方案，降低溫度荷載產生的不利影響，控制溫度收縮引起的無序裂縫，對碾壓混凝土拱壩尤其關鍵。周偉等[5]通過全過程溫度應力仿真計算，分析了萬家口子碾壓混凝土拱壩不同結構分縫方案的壩體工作性態；周燕紅等[6]考慮桑郎碾壓混凝土拱壩施工期瞬態溫度荷載，對不同結構分縫的壩體應力和誘導縫開裂情況進行了分析比較；李海楓等[7]改進了碾壓混凝土拱壩誘導縫數值計算模型，并提出基于全過程溫控仿真分析的誘導縫防裂設計方法；李金鳳[8]通過招徠河碾壓混凝土拱壩的三維非線性結構計算，提出了分縫拱壩的溫度荷載計算公式；陳媛等[9]依托沙牌碾壓混凝土拱壩，通過結構模型破壞試驗，系統研究了拱壩的分縫形式和壩體開裂、破壞機理。

目前，國內外碾壓混凝土拱壩普遍采用“誘導縫”或“橫縫+誘導縫”的分縫形式來改善壩體約束條件、釋放壩體溫度應力。研究表明以下兩種情況的碾壓混凝土拱壩必須設置橫縫[10]：① 地處寬淺河谷且不能在低溫季節完成壩體混凝土澆筑;② 地處高寒地區且穩定溫度較低。因此，對碾壓混凝土拱壩進行合理地分縫設計，使其在滿足溫控標準的同時又不影響結構的整體性、穩定性和安全性，具有重要的實際研究價值。本文采用有限元分析軟件ANSYS，對考慮全過程瞬態溫度荷載的三河口碾壓混凝土拱壩進行溫度應力仿真和分縫設計研究，并在初期蓄水階段對壩體接縫實施變形監測分析。研究成果可為類似工程的溫度控制和裂縫預防提供借鑒，具有較高的實際應用價值。

2 溫度應力計算原理

壩體混凝土溫度場的時空分布規律見式(1)，定解邊值條件詳見文獻[10]。

(1)

式中:

α——導溫系數，m2/h；

θ——絕熱溫升，℃。

壩體混凝土在某個時間段的應力-應變增量見式(2)，逐時段累加可得應力見式(3)。

(2)

(3)

式中：

[Dn]——彈性矩陣；

3 基本資料

3.1 工程概況

三河口碾壓混凝土拱壩為拋物線雙曲拱壩，最大壩高為141.5 m，壩頂拱圈上游弧長為472.15 m，壩頂厚為9.0 m、拱冠梁底厚為36.60 m，為中厚拱壩(壩體厚高比為0.26)。大壩泄洪建筑物正對下游主河床布置，由3個溢流表孔和2個排沙底孔組成。2016年11月開始澆筑壩體混凝土，2019年2月壩體混凝土澆筑至壩頂。該拱壩壩址區多年月平均氣溫見表1。

表1 三河口碾壓混凝土拱壩壩址區月平均氣溫 ℃

3.2 混凝土材料參數

三河口碾壓混凝土拱壩壩體各部位混凝土熱力學參數見表2。

表2 壩體各部位混凝土熱力學參數

3.3 壩體分縫方案及有限元計算模型

國內部分已建碾壓混凝土拱壩工程實踐表明，壩體分縫間距一般控制在30～90 m，如果分縫間距過大，即使采取溫度控制措施也會使得壩段內混凝土溫度分布不均，導致殘余溫度應力過大。三河口碾壓混凝土拱壩壩體分縫方案1(4條誘導縫+4條橫縫)和方案2(4條誘導縫+5條橫縫)見圖1和圖2。采用生死單元技術模擬壩體混凝土的施工過程[11-13]，建立圖3所示的三維有限元計算模型，利用ANSYS參數化設計語言(ANSYS Parametric Design Language)編制開發APDL命令流自動進行壩體溫度場和溫度應力場的仿真計算。

圖1 壩體分縫方案1示意

圖2 壩體分縫方案2示意

圖3 三維有限元計算模型示意

3.4 溫控標準

壩體混凝土允許溫度應力按式(4)確定[14]，經計算三河口碾壓混凝土拱壩壩體各部位混凝土允許拉應力見表3。

表3 壩體各部位混凝土允許拉應力

(4)

式中：

εp——極限拉伸標準值；

Ec——彈性模量標準值，GPa；

a 墊層(壩高0.3 m處)

Kf——安全系數，取為1.65。

4 溫控仿真計算工況

分別對兩種壩體分縫方案進行溫度場和溫度應力場仿真計算，計算工況見表4。

表4 溫控仿真計算工況

工況1：不采取通水冷卻措施，控制5—9月混凝土澆筑溫度18.0℃、10月—次年4月混凝土澆筑溫度為月平均氣溫加2℃的太陽輻射溫升。

工況2：在工況1的基礎上采取通水冷卻措施。為降低壩體混凝土的最高溫度，在大層混凝土澆筑完即刻進行初期通水冷卻；此外，為了滿足壩體接縫灌漿的要求，在接縫灌漿前進行中、后期通水冷卻。冷卻水管水平和垂直間距為1.5 m×1.5 m，通水流量為1.0 m3/h，單根長度為250 m。

5 計算成果分析

5.1 溫度場計算成果分析

對兩種壩體分縫方案分別進行溫度場仿真計算，由于兩種分縫方案下的壩體溫度場分布規律基本一致，此處僅給出方案2(滿足溫控標準的壩體分縫方案)的溫度場計算結果。工況2基礎約束區(強、弱約束區)碾壓混凝土最高溫度云圖見圖4，各工況不同區域(強、弱、非約束區)碾壓混凝土最高溫度、穩定溫度和最大溫差見表5。

a)強約束區

表5 各工況不同區域碾壓混凝土最高溫度、穩定溫度和最大溫差 ℃

溫度場計算結果分析表明：

1)不同的分縫布置方案溫度場分布規律基本一致，在拱冠梁剖面增加1條橫縫(壩體采用“5條橫縫+4條誘導縫”的分縫布置形式)，可適當減小壩體約束區范圍，提高約束區基礎容許溫差，對壩體溫控防裂是有利的。

2)強約束區碾壓混凝土在低溫季節澆筑，未采取通水冷卻措施，因此工況1和工況2的溫度場分布規律基本一致，方案1最大溫差超過規范容許溫差，方案2最大溫差未超過規范容許溫差；弱約束區碾壓混凝土范圍內，方案1和方案2只控制澆筑溫度(工況1)的最大溫差均超過規范容許溫差，既控制澆筑溫度又通水冷卻(工況2)的最大溫差均未超過規范容許溫差。綜上所述：三河口碾壓混凝土拱壩采用方案2的分縫形式和采取工況2的溫控措施，即可滿足壩體溫度控制標準要求。

3)在施工期，對高溫和次高溫季節澆筑的壩體混凝土，采取控制澆筑溫度和通水冷卻的雙重溫控措施，可將混凝土最高溫度降低7℃～8℃。

4)三河口碾壓混凝土拱壩壩體溫度場的時空分布規律符合一般客觀規律。壩體最高溫度出現在施工期內，最高溫度降到穩定溫度需要經過一個漫長的過程。拱壩運行期壩體混凝土與外部環境進行熱交換，壩體內部最高溫度逐漸降低并趨于穩定溫度13.5℃。

5.2 應力場計算成果分析

工況2滿足碾壓混凝土壩溫度控制標準要求，因此針對工況2對兩種壩體分縫方案分別進行應力場仿真計算。方案1壩體中間壩段第一主應力S1包絡圖見圖5，方案2壩體不同部位混凝土最大溫度應力見表6，方案2拱冠梁剖面不同高程典型點第一主應力S1歷時曲線見圖6。

圖5 方案1壩體中間壩段第一主應力S1包絡示意(單位：MPa)

表6 方案2壩體不同部位混凝土最大溫度應力 MPa

溫度場應力場計算結果分析表明：

1)壩體應力與溫度的時空分布規律基本吻合，即高溫和次高溫季節澆筑的混凝土，溫度較高、應力相對較大；低溫季節澆筑的混凝土，溫度較低、應力相對較小。拱壩結構比較單薄，壩體內部和表面的溫度應力隨外部環境溫度以年為周期呈簡諧變化。

2)方案1中間壩段混凝土溫度應力偏大，不滿足混凝土拱壩應力控制標準要求，因此，需在拱冠梁附近再加設1條橫縫，以改善壩體約束條件，削弱基礎溫降引起的拱向溫度應力，減小壩體開裂風險。

3)方案2滿足混凝土拱壩應力控制標準要求，墊層常態混凝土C2825W6F150最大溫度應力為1.86 MPa，溢流面常態混凝土C2840W8F200最大溫度應力為2.13 MPa；迎水面二級配碾壓混凝土C9025W8F150和壩體內部三級配碾壓混凝土C9025W6F100最大溫度應力均出現在低溫季節壩體表面，主要是由于較高的澆筑溫度和水化熱溫升，使得壩體內部溫度升高，入冬后內外溫差梯度增大，受周邊基礎和外界環境的雙重約束，從而產生較大的溫度應力。

6 橫縫及誘導縫變形監測分析

三河口水利樞紐作為引漢濟渭工程兩個水源地之一，其主要任務是調蓄支流子午河來水及一部分抽入水庫的漢江干流來水，向關中地區供水，兼顧發電。攔河壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，無論結構設計還是現場施工均取得很大突破，因而在建設和初次蓄水過程中的工作性態備受關注。因此，為全面深入了解三河口碾壓混凝土拱壩蓄水至550 m高程各收縮縫的安全狀態，采用單向測縫計對壩體接縫變形進行安全監測，測縫計垂直于縫面沿高程呈梅花形布置。蓄水階段壩體接縫測縫計特征值統計見表7。

表7 蓄水階段壩體接縫測縫計特征值統計 mm

壩體接縫變形監測結果分析表明：蓄水期間，橫縫和誘導縫開合度整體變化較小，變幅在0.3 mm以內，未出現異常突變跡象，說明本次蓄水對已灌漿的接縫開合度基本無影響，同時也印證了三河口碾壓混凝土拱壩采用的分縫方案和采取的溫控措施是合理可行的。壩體接縫變形安全監測評價，不僅是監察施工質量、反饋設計成果的有效手段，也是及時準確地掌握大壩工作性態，為蓄水決策提供技術支撐的重要手段。

7 結語

采用有限元軟件ANSYS，考慮全過程瞬態溫度荷載，對三河口碾壓混凝土拱壩進行了基于溫度應力仿真的分縫設計研究，計算結果表明：

1)采取控制澆筑溫度(5—9月澆筑溫度為18.0℃)和通水冷卻(初冷15 d，冷卻水溫18℃；中冷60 d，冷卻水溫18℃和14℃；后冷30 d，冷卻水溫8℃)的雙重溫控措施，采用“4條誘導縫+5條橫縫”的分縫形式，可保證壩體在溫度荷載下的運行安全。

2)增加壩體分縫條數，可適減小壩體分縫間距和基礎約束區范圍，改善壩體約束條件，削弱施工期溫度回降引起的拱向溫度應力，對壩體溫控防裂是個有利因素。

3)三河口碾壓混凝土拱壩初期下閘蓄水至550 m高程，壩體橫縫和誘導縫的開合度整體變化較小，變幅在0.3 mm以內，未出現異常突變跡象，說明本次蓄水對已灌漿的接縫開合度基本無影響，也印證了采用的分縫方案和采取的溫控措施是合理可行的。