混凝土重力壩受水位變化影響的有限元分析

薛曉飛

(中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 東莞分公司，廣東 東莞 523321)

1 概 述

防裂問題是碾壓混凝土大壩施工過程中的重要問題。碾壓混凝土有絕熱溫升低、成本低、施工簡(jiǎn)單、水泥用量少等優(yōu)點(diǎn)。但在澆筑過程中，存在混凝土溫度上升快且散熱少、徐變較小、澆筑倉面大等問題，因而導(dǎo)致其產(chǎn)生水化熱溫升較高、抗裂性能差、溫度應(yīng)力大等現(xiàn)象。因此，碾壓混凝土大壩的溫度控制問題已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

針對(duì)碾壓混凝土大壩的溫度控制問題，許多學(xué)者通過數(shù)值法、試驗(yàn)法、理論法等開展了一系列研究，并取得顯著成果。殷邢坦等[1]以某碾壓混凝土壩陡坡壩為研究對(duì)象，通過ABAQUS有限元軟件，建立三維大壩模型，分析大壩段施工過程中溫度和應(yīng)力變化規(guī)律，并提出了相應(yīng)的防裂措施。許繼剛等[2]以高海拔地區(qū)的碾壓混凝土大壩為研究對(duì)象，利用數(shù)值手段，從大壩分縫和溫度控制兩方面開展大壩防裂問題研究，分析了控制溫度應(yīng)力的方法。張國(guó)新等[3-4]從理論分析方法、智能溫度控制、RCC大壩防裂措施、大壩裂縫成因等4個(gè)不同角度，總結(jié)了碾壓混凝土大壩溫控防裂的研究現(xiàn)狀，研究表明強(qiáng)化內(nèi)外溫差是碾壓混凝土大壩溫控的關(guān)鍵。劉毅等[5]以碾壓混凝土大壩為研究對(duì)象，探討大壩的溫控防裂措施，提出了以下溫控要求“溫差小、冷卻慢、全過程保護(hù)”，降低內(nèi)外溫差和上下溫差對(duì)大壩防裂起關(guān)鍵作用。周偉等[6]利用有限元軟件，建立碾壓混凝土大壩模型，詳細(xì)模擬大壩實(shí)際澆筑過程，對(duì)比設(shè)縫和不設(shè)縫下大壩受力變形規(guī)律。

本文以抽水蓄能電站大壩為研究對(duì)象，通過有限元軟件，模擬碾壓混凝土大壩施工期和運(yùn)營(yíng)期溫度應(yīng)力變化規(guī)律，提出施工期大壩的有效溫控方案。

2 工程概況

南方地區(qū)某抽水蓄能電站的裝機(jī)容量為1 300 MW，水庫的設(shè)計(jì)和校核洪水位分別為304.25和305.25 m，水庫死水位和正常水位分別為262和300 m，水庫總?cè)萘俊⒖烧{(diào)節(jié)容量、死庫容量分別為1 251×103、812×104和222×104m3。大壩混凝土主要分為上游碾壓混凝土R90C25、內(nèi)部碾壓混凝土R90C15以及基礎(chǔ)常態(tài)混凝土R28C20。混凝土力學(xué)和熱學(xué)參數(shù)見表1和表2。

表1 混凝土力學(xué)參數(shù)

表2 混凝土熱學(xué)參數(shù)

3 施工期溫度應(yīng)力仿真分析

3.1 數(shù)值模型

在分析大壩溫度場(chǎng)時(shí)，模型中除基礎(chǔ)頂面和施工期大壩游面設(shè)置為散熱邊界，其余設(shè)為不散熱邊界。蓄水后，大壩游面改為水邊界。在分析大壩應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，模型底面設(shè)置為固定約束邊界，四側(cè)設(shè)置為法向約束，頂面設(shè)置為自由邊界。大壩部分整體高度取93 m，橫向長(zhǎng)度取23 m，基礎(chǔ)部分高度取279 m(3倍大壩高度)，上下游方向取93 m(1倍大壩高度)。模型網(wǎng)格單元用六面體單元?jiǎng)澐郑灿?jì)141 257個(gè)單元、157 459個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。X、Y、Z方向分別表示順河向、橫河向、豎直向。大壩段從下往上分別設(shè)置24.5 m高度的強(qiáng)約束區(qū)、12 m高度的弱約束區(qū)、56.5 m高度的自由區(qū)。

3.2 施工期溫控方案優(yōu)選

施工階段擬定以下3個(gè)初步方案來控制大壩溫變：

方案1：大壩混凝土澆筑始于2019年1月，基礎(chǔ)墊層厚1.5 m，其他澆筑層厚度為3.0 m，間歇期為5 d。將大壩分為強(qiáng)約束區(qū)、弱約束區(qū)、自由區(qū)3部分，其高度范圍分別為基礎(chǔ)表面以上0～0.2 L、0.2 L～0.4 L、0.4 L～1 L范圍(L為大壩澆筑段長(zhǎng)邊長(zhǎng)度)。澆筑混凝土的溫度按當(dāng)月平均氣溫+3℃設(shè)定，具體如下，強(qiáng)約束區(qū)：5-9月份混凝土澆筑的溫度不超過16℃，10月份至下年4月份自然入倉；弱約束區(qū)：5-9月份混凝土澆筑的溫度不超過18℃，10月份至下年4月份自然入倉；自由區(qū)：5-9月份混凝土澆筑的溫度不超過20℃，10月份至下年4月份自然入倉。弱約束區(qū)水平和豎直水管間距均為2.0 m，強(qiáng)約束區(qū)水平和豎直水管間距均為1.5 m。開始澆筑混凝土則進(jìn)行為期20 d的通水冷卻，水溫和流量分別為13℃和1.5 m3/h，每隔1 d改變通水方向。上下游壩面澆筑的混凝土通過鋪設(shè)5 cm的保溫板來保持溫度。

方案2：在7月份高溫環(huán)境下澆筑混凝土，其余措施與方案1相同。

方案3：強(qiáng)約束區(qū)澆筑溫度為18℃，其余措施與方案2相同。

表3為以上3種溫控方案下大壩內(nèi)部混凝土最高溫度和最大順河向應(yīng)力；圖1為3種溫控方案下大壩強(qiáng)約束區(qū)溫度和應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線。從表3和圖1中可以看出：

1) 方案1大壩施工計(jì)劃為混凝土冬季澆筑，在設(shè)計(jì)方案和溫度控制措施下，強(qiáng)約束區(qū)大壩的碾壓混凝土溫度峰值為25.4℃，順河向應(yīng)力峰值為1.27 MPa，應(yīng)力呈拉應(yīng)力狀態(tài)，混凝土抗裂安全系數(shù)不小于2.0。

2) 方案2大壩施工計(jì)劃為混凝土夏季澆筑，在設(shè)計(jì)方案和溫度控制措施下，強(qiáng)約束區(qū)大壩的碾壓混凝土溫度峰值為26.3℃，順河向應(yīng)力峰值為1.42 MPa，應(yīng)力呈拉應(yīng)力狀態(tài)，混凝土抗裂安全系數(shù)為1.98。相較于方案1，方案2推遲近6個(gè)月開始澆筑混凝土，澆筑混凝土由冬季推遲到夏季澆筑。數(shù)值計(jì)算表明，因澆筑環(huán)境氣溫的顯著提升，強(qiáng)約束區(qū)大壩的碾壓混凝土溫度和順河向應(yīng)力峰值均略有增大，溫度峰值增加0.9℃，順河向應(yīng)力峰值增加0.15 MPa，混凝土抗裂性能略有降低，但仍大于1.90。

3) 相對(duì)于方案2，方案3的強(qiáng)約束區(qū)大壩的澆筑溫度上升2℃。數(shù)值計(jì)算表明，強(qiáng)約束區(qū)大壩的碾壓混凝土溫度峰值為27.6℃，順河向應(yīng)力峰值為1.61 MPa，應(yīng)力呈拉應(yīng)力狀態(tài)，混凝土抗裂安全系數(shù)為1.77。相比于方案2，其強(qiáng)約束區(qū)大壩的碾壓混凝土溫度峰值提升1.3℃，順河向應(yīng)力峰值為0.19 MPa，混凝土抗裂安全系數(shù)降低0.14。

綜上所述，方案3的混凝土澆筑方案可作為夏季高溫季節(jié)施工方案。

表3 3種施工方案大壩內(nèi)部混凝土最高溫度和最大順河向應(yīng)力

圖1 3種溫控方案下大壩強(qiáng)約束區(qū)溫度和應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

4 運(yùn)營(yíng)期數(shù)值模擬

本文所研究的水電站大壩水位變化最高可達(dá)38 m，因此有必要分析水位變化對(duì)水電站大壩應(yīng)力和溫度的影響。該水電站大壩死水位和正常水位分別為262和300 m。

表4為不同水位條件下大壩表面混凝土溫度和應(yīng)力情況。從表4中可以看出，當(dāng)大壩變化水位為38 m時(shí)，大壩表面混凝土每日橫河方向的應(yīng)力變化和溫度變化分別為0.22 MPa和1.45℃。當(dāng)大壩水位高程一定時(shí)，水庫水溫對(duì)大壩混凝土表面溫度無顯著影響，對(duì)橫河向應(yīng)力影響也較小。

表4 不同水位高程下應(yīng)力溫度情況

圖2-圖4分別為水位變化下大壩不同高程表面混凝土溫度和應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線。從圖2-圖4中可以看出，水位變化范圍內(nèi)，隨著水位變動(dòng)，大壩表面混凝土應(yīng)力和溫度也隨之變動(dòng)。正常水位下，水庫大壩在水位下的表面溫度即為水溫度；死水位下，水庫大壩在水位上的表面溫度處于水溫度和環(huán)境溫度范圍。

圖5為水位變化下大壩不同高程內(nèi)部混凝土溫度和應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線。從圖5中可以看出，水位的變化僅發(fā)生在大壩上部，而大壩壓應(yīng)力和拉應(yīng)力峰值均發(fā)生在大壩下方位置，大壩應(yīng)力峰值受由水位變化的影響較小。大壩水位變化時(shí)，大壩內(nèi)部混凝土每日溫變較小，約束區(qū)大壩內(nèi)部混凝土每日應(yīng)力變化隨高程提升而提升。

圖2 高程271 m結(jié)果

圖3 高程281 m結(jié)果

圖4 高程290 m結(jié)果

圖5 水位變化下大壩不同高程內(nèi)部混凝土溫度和應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

5 結(jié) 論

本文以抽水蓄能電站大壩為研究對(duì)象，通過有限元軟件，模擬碾壓混凝土大壩施工期和運(yùn)營(yíng)期溫度應(yīng)力變化規(guī)律，提出了施工期大壩的有效溫控方案。結(jié)論如下：

1) 對(duì)比3種施工期大壩溫控方案，方案3的混凝土澆筑方案可作為夏季高溫季節(jié)施工方案，即強(qiáng)約束區(qū)混凝土澆筑溫度為18℃，溫度峰值控制在28℃左右。。

2) 當(dāng)大壩變化水位為38 m時(shí)，大壩表面混凝土溫度每日變化為1.45℃，每日橫河向應(yīng)力變化為0.22 MPa。當(dāng)保持大壩水位不變時(shí)，水庫水溫對(duì)大壩混凝土表面溫度無顯著影響，對(duì)橫河向應(yīng)力影響也較小。

3) 水位變化范圍內(nèi)，隨著水位變動(dòng)，大壩表面混凝土應(yīng)力和溫度也隨之變動(dòng)。正常水位下，水庫大壩在水位下的表面溫度即為水溫度；死水位下，水庫大壩在水位上的表面溫度處于水溫度和環(huán)境溫度范圍。

4) 水位的變化僅發(fā)生在大壩上部，而大壩壓應(yīng)力和拉應(yīng)力峰值均發(fā)生在大壩下部，大壩應(yīng)力峰值受由水位變化的影響較小。