蓋下壩水電站施工期溫度應(yīng)力及損傷仿真分析

徐 闖，朱為玄，鄧愛民，孫偉偉

（河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引 言

大體積混凝土在施工中容易產(chǎn)生溫度裂縫，降低了混凝土的完整性，影響壩體的安全。如果溫度應(yīng)力過大，超過相應(yīng)齡期的允許溫度應(yīng)力，混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂縫。拱壩由于自身的體形特點(diǎn)和工作原理，溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)具有重要影響，溫控問題顯得尤為突出。采用三維有限元法仿真大壩施工期非穩(wěn)定溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力，預(yù)測(cè)壩體施工期溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力的變化規(guī)律，對(duì)壩體溫控防裂提出合理建議。

混凝土損傷理論可以揭示混凝土材料的破壞機(jī)理。通過混凝土壩損傷仿真計(jì)算，反映其任何時(shí)刻的損傷狀態(tài)，對(duì)其工作性態(tài)、危險(xiǎn)程度、剩余壽命等的分析以及安全運(yùn)行有著重要作用。

1 計(jì)算資料及仿真模型

1.1 計(jì)算資料

蓋下壩水電站位于重慶市云陽縣和奉節(jié)縣境內(nèi)的長江一級(jí)支流長灘河中上游河段，大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高160 m，壩頂長153.31 m，水庫總庫容 3.54×108m3， 調(diào)節(jié)庫容 2.03×108m3， 電站裝機(jī)容量為120 MW。大壩共設(shè)8條橫縫，分成9個(gè)壩段，沿中心線弧長橫縫的間距一般為16～18 m，最大18.92 m，不設(shè)縱縫，拱壩拱冠斷面底寬約15.14 m。壩體混凝土進(jìn)行通倉澆筑，并分層分塊進(jìn)行，澆筑塊最大底寬23.11 m，最大澆筑倉面面積342 m2。基礎(chǔ)約束區(qū)澆筑塊分層厚度為1.5 m；非約束區(qū)澆筑塊分層厚度為3 m。壩體孔口部位分層分塊厚度根據(jù)孔口高度作局部調(diào)整。材料熱力學(xué)參數(shù)見表1。氣溫按當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶜鉁財(cái)M合，表達(dá)式為

表1 材料熱力學(xué)參數(shù)

混凝土徐變度采用以下指數(shù)函數(shù)表達(dá)式

式中，C（t，τ）為混凝土徐變度；τ為混凝土加載齡期；a、b、c、d為擬合參數(shù)，其取值見表2。

表2 混凝土徐變度參數(shù)取值

壩體冷卻水管采用φ32或φ40聚乙烯塑料管（PE管），在壩內(nèi)按蛇行布置。基礎(chǔ)約束區(qū)的冷卻水管進(jìn)行加密布置，采用1.5 m（澆筑層厚）×1.5 m（水管間距）布置；岸坡壩段為1.5 m（澆筑層厚）×1.5 m （水管間距）。非約束區(qū)為3.0 m （澆筑層厚）×1.5 m （水管間距），特殊部位可根據(jù)結(jié)構(gòu)情況適當(dāng)調(diào)整。一根PE冷卻水管長250 m，冷卻水比熱為4.187 kJ/（kg·℃）。

1.2 仿真模型

由于大壩為通倉分壩段分層澆筑，本次計(jì)算基于ANSYS軟件平臺(tái)，采用空間20節(jié)點(diǎn)等參單元進(jìn)行。計(jì)算模型及網(wǎng)格剖分見圖1。計(jì)算網(wǎng)格單元數(shù)17 601個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)84 795個(gè)。計(jì)算中壩體厚度方向分3層，高度方向1.5 m/層，共分94層，每個(gè)壩段長度方向分4～6列不等，以使得壩體單元尺寸盡量合理。在灌漿封拱前，橫縫按縫單元處理；封拱后，作為壩體單元相同的實(shí)體單元處理?；鶐r范圍：大壩左、右、上游、下游及壩底約取1.5倍壩體高度，河槽及兩岸適當(dāng)簡(jiǎn)化。壩體混凝土及基巖材料分區(qū)也根據(jù)實(shí)際情況概化處理。在計(jì)算時(shí)，將壩體分為若干澆筑層，按照從壩基至壩頂?shù)捻樞颍譃槿舾珊奢d步依次激活每層混凝土。隨著壩體單元的逐步激活，相應(yīng)的溫度荷載也同時(shí)施加，以此類推，直到壩頂澆筑層澆筑完成。這樣，就可以仿真模擬大壩整個(gè)施工過程的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。

圖1 計(jì)算模型及網(wǎng)格剖分

2 成果分析

施工期計(jì)算從壩體開始澆筑之日起 （第3年5月1日），至壩體澆筑結(jié)束之日 （第4年10月30日），共550 d，步長為1 d。

2.1 溫度場(chǎng)

由計(jì)算結(jié)果可以知，各種初始條件、邊界條件及各項(xiàng)溫控措施在溫度場(chǎng)上都得到了合理的反映，施工期最高溫度為37.97℃，發(fā)生部位在高程292 m右岸5壩段，該點(diǎn)拱圈溫度等值線見圖2。從圖2可以看出，在采取合適的冷卻措施后，很好地控制了施工期最高溫度，達(dá)到溫控要求。

2.2 溫度應(yīng)力場(chǎng)

施工期最大拉應(yīng)力為0.96 MPa，在高程310 m左邊壩段靠基巖的下游面處，該時(shí)間該位置壩體拱圈第一主應(yīng)力等值線見圖3。由圖3可知，該部位由溫度荷載引起的最大主拉應(yīng)力值小于混凝土的容許抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.2 MPa。這說明溫控措施得當(dāng)，壩體能夠滿足抗裂要求。

2.3 損傷場(chǎng)

施工期還沒有開始蓄水，壩體損傷主要由溫度應(yīng)力引起，溫度應(yīng)力為拉應(yīng)力。因此，只需考慮最大拉應(yīng)力時(shí)刻壩體損傷場(chǎng)。取壩體混凝土初始損傷D0為0.05，損傷閾值Df為0.2，計(jì)算得該時(shí)刻該處壩體損傷等值線 （見圖4）。

從圖4可以看出，最大損傷值為0.16。

圖2 壩體溫度最高點(diǎn)拱圈溫度等值線 （單位：℃）

圖3 最大拉應(yīng)力處拱圈第一主應(yīng)力等值線 （單位：MPa）

圖4 最大拉應(yīng)力時(shí)刻壩體下游面損傷等值線

3 結(jié) 語

（1）有限元仿真計(jì)算結(jié)果表明，蓋下壩水電站施工期壩體最高溫度和最大溫度應(yīng)力均小于容許值，溫度應(yīng)力得到有效控制。從損傷計(jì)算結(jié)果可以看出，在施工期出現(xiàn)最大主拉應(yīng)力時(shí)壩體損傷最大值為0.16，施工期溫度損傷并不大，壩體材料整體來說處于損傷發(fā)展的緩慢階段，尚未出現(xiàn)宏觀裂縫。

（2）出現(xiàn)最高溫度的時(shí)刻和部位，其應(yīng)力并不是最大的，這說明施工期溫度應(yīng)力大小取決于溫變值而不是溫度絕對(duì)值。

（3）從應(yīng)力場(chǎng)還是損傷場(chǎng)可以看出，壩體與巖體接觸的壩肩部位拉應(yīng)力和損傷值都較其他地方大，這是因?yàn)樵摬课换炷潦艿郊s束，也可能是網(wǎng)格劃分帶來的應(yīng)力集中所致，但施工時(shí)應(yīng)引起注意。

（4）本文僅考慮了溫度荷載引起的損傷，沒有考慮混凝土自重引起的損傷。

（5）計(jì)算中的基礎(chǔ)參數(shù)氣溫和水溫是多年平均值，沒有考慮可能出現(xiàn)的極端高溫和低溫，也不可能考慮1 d內(nèi)的變化。另外，其他計(jì)算參數(shù)也沒有考慮其不確定性。因此，計(jì)算結(jié)果有可能是偏小的。

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