抽水蓄能電站攔砂壩堆石混凝土溫度應力仿真分析與結構優化建議

陳煥民，李 鋒，郭立紅，閉忠明

（1.黔東南州水利投資（集團）有限責任公司,貴州 凱里 556000；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065；3.北京華石納固科技有限公司,北京 100085）

0 引言

抽水蓄能電站是利用電力系統剩余電力抽水到高處儲存,在電力系統電力不足時放水發電的水電站。陜西鎮安抽水蓄能電站攔砂壩采用堆石混凝土筑壩材料,從時間維度看屬國內首個案例。近年來,堆石混凝土技術在全國地區大力推廣,福建省坪坑水庫（79.7 m）與溪源水庫（77 m）、青海省滿坪水庫（77 m）、四川省麻柳灣水庫（75 m）都是典型的重力高壩[1]。

鎮安抽蓄電站攔砂壩原結構設計5 個壩段（壩寬22 m）,考慮到堆石混凝土大骨架體積效應對抑制混凝土水化熱的優勢,為進一步發揮堆石混凝土的優勢,需論證減去2條縫變為3 個壩段（壩寬42 m）的可行性。目前國內還沒有專門對抽蓄電站做過仿真分析,因此有必要對此進行溫度應力仿真分析。

ABAQUS軟件功能強大,其單元庫、材料庫以及接觸和連接單元類型等更加完備,本次研究選取ABAQUS軟件為計算分析的核心求解器。

1 工程概況

陜西鎮安抽水蓄能電站位于商洛市鎮安縣月河鎮境內,壩址以上流域面積181 km2。攔砂壩為堆石混凝土重力壩,壩高34.5 m,壩頂高程951 m,壩頂長度109 m,上游壩坡為1∶0.6,下游直線段坡比1∶0.6。工程等級為大（1）型（見圖1）。

圖1 攔砂壩上游立視圖

1.1 大壩混凝土分區

表1 大壩混凝土分區

1.2 混凝土材料參數

結合《大體積混凝土溫度應力與溫度控制》、在建堆石混凝土項目工程經驗值,選定本工程混凝土參數為：

（1）常態混凝土：彈性模量30.5 GPa；泊松比0.167；容重2450 kg/ m3；線膨脹系數1.0×10-5/℃；比熱0.96 kJ/（kg·℃）；導熱系數254.4 kJ/（m·d·℃）；絕熱溫升22℃；允許拉應力1.73 MPa。

（2）堆石混凝土：彈性模量36.8GPa；泊松比0.167；容重2450 kg/ m3；線膨脹系數0.7×10-5/℃；比熱0.88 kJ/（kg·℃）；導熱系數301.4 kJ/（m·d·℃）；絕熱溫升14℃；允許拉應力1.72 MPa。

（3）高自密實性能混凝土：彈性模量25.9 GPa；泊松比0.167；容重2400 kg/ m3；線膨脹系數1.0×10-5/℃；比熱0.98 kJ/（kg·℃）；導熱系數254.4 kJ/（m·d·℃）；絕熱溫升24℃；允許拉應力1.67 MPa。

（4）基巖：彈性模量50 GPa；泊松比0.27；容重2670 kg/ m3；線膨脹系數0.7×10-5/℃；比熱0.75 kJ/（kg·℃）；導熱系數248.7 kJ/（m·d·℃）。

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2 初始條件和邊界條件

2.1 大壩基巖溫度

計算基巖溫度作為分析初始條件,壩底高程以上基巖溫度設為年平均氣溫13.7℃,壩底以下深度按每增加100 m溫度升高3℃設為初始溫度分布,計算可得巖基底初設為15.2℃。

2.2 邊界條件

溫度場計算中,地基4 個側面為絕熱面,底面為恒熱流邊界；地基表面為與大氣接觸的第三類散熱面,被水覆蓋后為第一類邊界；壩體上下游面及頂面為散熱面。

應力場計算中,地基4 個側面和底面、壩體左右側面均為法向約束。施工期考慮了混凝土自重、溫度、混凝土徐變、上游面水壓等荷載,蓄水運行期考慮揚壓力、淤沙、冰荷載等。

3 計算模型與條件

3.1 計算模型

有限元單元在高度方向約為0.5 m,沿壩體厚度方向根據混凝土的分區進行網格的劃分。本次分析建立兩個不同壩寬（22 m、42 m）的模型。22 m壩段模型共劃分了28974 個單元,33084個節點（見圖2）,42 m壩段模型共劃分了55274 個單元,60676 個節點（見圖3）。

圖2 22m壩段及巖基的有限元模型

3.2 計算工況

（1）工況1,壩寬22 m,工期按照攔砂壩3#壩段設計施工進度計劃模擬。

（2）工況2,在工況1 的條件下將壩寬變為42 m的壩段,通過與工況1對比,分析不同壩寬壩體溫度應力的影響情況。

3.3 計算條件

巖基計算模型從2020 年7 月1 日開始,到壩段開始澆筑前進行252 天溫度計算。從2021 年3 月10 日開始墊層澆筑,到2021 年6 月13 日完成壩頂澆筑,采用分層逐倉澆筑,每倉的高度為2.0 m,共分為18 倉進行澆筑,施工天數95 天,澆筑溫度最高為22.4℃,最低為9.1℃。

4 不同大壩寬度的溫度應力仿真分析

4.1 溫度場仿真分析

對比壩寬22 m、42 m兩種模型在第4 層、12 層、壩頂層的溫度分布云圖,在整個施工期壩體中上部形成較大片團狀“中心高溫區”,見圖4。這是由于剛澆筑的混凝土水化放熱導致。高溫區隨著層厚增加高溫區不斷擴大,后隨時間逐步縮小,這是因為混凝土與外界空氣和庫水發生熱交換不斷散熱。

工況1 在第4 層、12 層、壩頂層的入倉溫度分別為9.1℃、18.8℃及22.4℃,澆筑完成后混凝土最高溫度分別為23.78℃、30.42℃及32.26℃,則各澆筑層的混凝土溫升分別為14.68℃、12.65℃、9.85℃。計算工況1的最大絕熱溫升14.68℃,壩體內部最高溫度32.26℃。同理,計算工況2最大絕熱溫升為14.67℃,壩體內部最高溫度為32.26℃（見圖4）。

圖4 完成壩頂澆筑的壩體溫度分布云圖（左：工況1，右：工況2）

對比兩種工況的溫度差異不明顯,分析由于壩段兩側均設置了絕熱邊界條件,壩體通過上下游表面的對流散熱,而壩寬是同步增加上下游表面,因此對整體溫度影響基本一致。

4.2 應力場仿真分析

影響壩體應力的主要因素是溫度分布產生的熱應力,尤其是壩體降溫階段,容易在壩體上下游表面和壩踵壩址處上出現高拉應力區。通過分析壩體典型壩段溫度變化引起的最大主應力（拉）、最小主應力（壓）的變化情況（見圖5）。

圖5 完成壩頂澆筑后壩體最大主應力分布云圖（左：工況1，右：工況2）

工況1最大拉應力0.87 MPa,低于堆石混凝土允許拉應力1.72 MPa,主要集中在靠近巖基的壩體底層。在運行期第一個冬季最大拉應力2.07 MPa,位于上游面高程926 m處；第二個冬季最大拉應力降低為1.98 MPa,位于壩踵壩址處。工況2 最大拉應力0.83 MPa,第一個冬季最大拉應力2.38 MPa,位于上游面高程926 m和壩址壩踵處；第二個冬季最大拉應力降低為2.31 MPa。壩體最小主應力（壓）一般低于1.0 MPa,遠小于混凝土的極限抗壓值。

綜上所述,壩體總體應力較小,但有三個應力集中區其最大拉應力值超過計算的允許拉應力,在后期施工過程中存在一定的開裂風險。因此工況2 應進行相應的溫控措施研究。

5 結論與建議

5.1 結論

（1）工況1最大絕熱溫升為14.68℃,壩體內部最大溫度為32.26℃,工況2最大絕熱溫升為14.67℃,壩體內部最高溫度為32.26℃,兩者差異不明顯。

（2）兩種工況完成壩頂澆筑后壩體內部最大拉應力低于1.0 MPa；最大拉應力出現在運行期第一個冬季,位于上游面高程926 m、上游面壩踵及下游面壩址三處應力集中區,最大拉應力均超過允許拉應力值1.73 MPa。

（3）壩段整體拉應力值低于1.0 MPa,但工況2 的最大拉應力值高于工況10.3 MPa左右,且高拉應力分布范圍也增大,說明壩段越寬溫度應力場變化越大。

5.2 建議

（1）原設計5 個壩段變更為3 個壩段的施工方案總體可行,減少了2 條橫縫后可以簡化堆石混凝土施工工藝,提高了施工效率。

（2）在夏季澆筑期采取降低混凝土入倉溫度措施,例如骨料搭蓋遮陽棚、堆石料噴霧降溫、加快高自密實性能混凝土澆筑速率；避免剛澆筑完成的堆石混凝土直接暴曬、高溫季節盡量安排在早晚進行開倉澆筑等。