新疆山口碾壓混凝土重力壩溫度應(yīng)力的計算分析

趙慧琴

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆烏魯木齊，830000）

新疆山口碾壓混凝土重力壩溫度應(yīng)力的計算分析

趙慧琴

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆烏魯木齊，830000）

為了解寒冷地區(qū)碾壓混凝土壩體的溫度變化和應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)熱傳導(dǎo)原理，仿照實際邊界條件和影響因素，采用三維有限元法對壩體混凝土的溫度分布和應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了分析，掌握了壩體溫度和應(yīng)力的分布特點和變化規(guī)律，為驗證設(shè)計和分析混凝土壩的實際運行狀況提供了可靠的依據(jù)。

混凝土；溫度；應(yīng)力應(yīng)變；計算分析

山口碾壓混凝土壩中水泥用量較低且摻入了大量的粉煤灰，施工過程中采取了薄層鋪筑、自然散熱等措施減小了內(nèi)外部溫差。但由于鋪筑塊尺寸大，加之短間歇連續(xù)施工等方法使部分水化熱仍殘留在混凝土中，造成壩體局部溫差較大，產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。為研究運行期間壩體應(yīng)力應(yīng)變的實際狀態(tài)，采用三維有限元法對壩體的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析計算，把實際監(jiān)測結(jié)果和計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，以獲取真實的溫度場和應(yīng)力場，為分析壩體內(nèi)部裂縫和滲流變化提供可靠的依據(jù)。

1 工程概況

特克斯河山口水電站工程位于新疆鞏留縣境內(nèi)，由攔河壩、泄水建筑物和發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等主要建筑物組成，裝機容量140 MW，工程屬大（2）型II等工程。水電站擋水建筑物是由碾壓混凝土壩和粘土心墻堆石壩組成的混合型壩?；炷翂雾敻叱?16.0 m，最大壩高51 m，壩頂寬度8.0 m，壩長496 m，壩體分為28個壩段，均采用永久橫縫，最大間距20 m。壩體上游面為垂直面，下游906.0 m高程以下坡度為1∶0.75，上下游面均噴5 cm厚聚氨酯進(jìn)行永久保溫。

壩址區(qū)域呈大陸性溫帶氣候，表現(xiàn)為溫和濕潤、雨量充沛、晝夜溫差大等特征。多年平均氣溫8.8℃，極端最高氣溫39℃，極端最低氣溫-32℃，多年平均降水量334.02 mm，多年平均蒸發(fā)量1 961.04 mm，最大凍土深度80 cm。

2 儀器布置

山口混凝土壩段選取0+105.0斷面、0+158.0斷面、0+322.0斷面為主要溫度和應(yīng)力觀測斷面。根據(jù)大壩結(jié)構(gòu)計算及30 cm分層碾壓特點，在監(jiān)測斷面874 m、886 m、898 m高程及其截面左、中、右以網(wǎng)格狀布置儀器。為測得壩體的溫度場和應(yīng)力分布狀態(tài)，在上游側(cè)壩內(nèi)和水位變化頻繁的部位適當(dāng)加密。壩體內(nèi)溫度計按8 m間距布置，其他應(yīng)變計的位置不再另設(shè)溫度計，利用內(nèi)部儀器兼測溫度，從而了解壩體及基礎(chǔ)部位由水化熱、氣溫、水溫所形成的溫度及應(yīng)力分布和變化。三個主要監(jiān)測斷面共埋設(shè)溫度計77支，應(yīng)變計72支。大壩0+158.0擋

水壩段儀器布置見圖1。

圖1 混凝土擋水壩段計算剖面圖Fig.1 Section of the water retaining block in calculation

3 計算過程

3.1 計算參數(shù)

大體積混凝土中，溫度應(yīng)力對壩體的影響很大。分析計算時，需先對壩體進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析，得到壩體內(nèi)部的溫度分布，然后再進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)分析，得出溫度產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力。

在混凝土熱傳導(dǎo)中，熱流量與溫度梯度成正比。假定單位時間、單位體積內(nèi)水泥水化作用發(fā)出的熱量為Q，則單元體積內(nèi)發(fā)出的熱量為Qdxdy?dz。根據(jù)熱量平衡原理，溫度升高所吸收的熱量必須等于從外面流入的凈熱量與內(nèi)部水化熱之和，得出固體介質(zhì)的熱傳導(dǎo)方程為：

其中，c為介質(zhì)的比熱，kj/（kg·℃）；T為溫度，℃；τ為時間，h；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，kj/（m·h·℃）；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；α為導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h；θ為混凝土的絕熱溫升，℃。

壩體混凝土的熱學(xué)性能參數(shù)見表1，力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

3.2 計算方法

山口碾壓混凝土壩上游防滲層和下游表面為二級配碾壓混凝土加變態(tài)混凝土，分布厚度分別為3.0 m和2.5 m，壩體迎水面變態(tài)混凝土厚0.5 m，變態(tài)混凝土與二級配碾壓混凝土同步澆筑，每層澆筑厚度為0.3 m，總澆筑層數(shù)為170層。為保證計算精度，采用“浮動網(wǎng)格法”進(jìn)行計算，即當(dāng)分層澆筑的碾壓混凝土達(dá)到一定齡期后，由于各層混凝土的物理力學(xué)性質(zhì)變化已很小，于是將澆筑薄層劃分的小單元合并為大單元，實現(xiàn)壩體施工過程薄層澆筑和運行期間溫度傳遞的完全模擬。

根據(jù)山口碾壓混凝土澆筑時的初始條件和運

行期間的邊界條件，利用三維有限單元法，通過變分原理得出壩體的溫度及應(yīng)力分布，混凝土的徐變度擬合公式為：

表1 壩體混凝土熱學(xué)性能參數(shù)Table 1 Parameters of thermal properties of the concrete

表2 壩體混凝土力學(xué)性能指標(biāo)Table 2 Indexes of mechanical properties of the concrete

式中，τ為混凝土加荷齡期，d；（t-τ）為混凝土持荷時間，d。

混凝土的徐變度采用復(fù)合形法計算，得出各單元結(jié)點的位移后即可計算出單元應(yīng)力。根據(jù)壩體混凝土的試驗材料，擬合計算出的參數(shù)見表3。

4 成果分析

4.1 邊界條件

以0+158斷面所在的擋水壩段為計算壩段，計算長度為20 m，壩高51 m，壩頂寬度8 m，底寬為40.5 m，基礎(chǔ)范圍深度取100 m，上下游方向各取100 m。對稱面取x方向位移為零，基巖底面及4個側(cè)面和壩段側(cè)面均為絕熱邊界。上游面按水邊界或氣邊界處理，由上游水位決定，下游壩面按氣邊界處理。

在上游面正常蓄水位以下，壩面溫度受不同水深的溫度影響；在正常蓄水位以上、壩頂和下游壩坡與氣溫接觸表面，壩面溫度等于年平均氣溫加太陽輻射的影響，壩面溫度為Tb=8.8+2=10.8℃；在下游面尾水水位以下，根據(jù)氣溫和河水溫度的情況，水溫為8℃，水庫庫底溫度取6℃。水庫不同水深的溫度變化按下式計算：

式中，Tw為平均水溫，℃；τ為月份；y為水深，m；Ash為表層水溫年變幅，經(jīng)驗算，寒冷地區(qū)取12℃。

由于山口壩址氣溫變化較大，若日平均氣溫在τ0期間急劇降低T0度，然后回升，氣溫驟降在混凝土表面產(chǎn)生的最大溫度徐變應(yīng)力按下式計算：

其中，T0為氣溫降低幅度，℃；D是與混凝土導(dǎo)熱系數(shù)λ和放熱系數(shù)β有關(guān)的應(yīng)力松弛參數(shù)；Eh為彈性模量，GPa；μ為泊松比；α為線性膨脹系數(shù)，1/℃。

4.2 溫度場分析

壩體混凝土溫度是熱狀態(tài)的表征，通過三維有限元計算，顯示大壩建成后混凝土經(jīng)歷了水化熱升溫、散熱降溫和隨環(huán)境周期變化的三個階段。其中前兩個階段時間較短，基本在施工期混凝土澆筑后50 d左右就結(jié)束了，而第三階段表明壩體溫度場已逐漸穩(wěn)定，主要受外界氣溫影響，變化規(guī)律與外界氣溫基本一致，但壩體底部溫度受深層水溫影響較大。壩體夏季最高溫度分布在混凝土壩的表層，冬季最高溫度分布在壩體內(nèi)部中心，壩體中部全年最高溫度為12℃，最大年變幅為2℃，內(nèi)部與表面的最大溫差約為13℃。壩體混凝土溫度變化滯后于氣溫和水溫，每年庫區(qū)最高水溫和氣溫均出現(xiàn)在7月，最高日均溫度分別為19℃和26℃，而除壩體混凝土表面外，水下越深及越接近壩體內(nèi)部，溫度越滯后，擋水壩段壩基混凝土最高溫度出現(xiàn)在3月，年溫度變幅僅為0.3℃，壩體886 m高程混凝土最高溫度出現(xiàn)在9月，年溫度變幅為1.1℃。計算出的混凝土溫度和實際測值基本一致，分布狀態(tài)也基本相同。運行期壩體混凝土的實際變化過程見圖2，模擬計算出的穩(wěn)定溫度場見圖3，在氣溫最高和最低時的計算壩體溫度分布見圖4、圖5。

4.3 應(yīng)力場分析

壩體溫度場的變化會使混凝土產(chǎn)生溫度應(yīng)力和溫度變形。由于山口水庫水位年變幅較小而氣溫變幅較大，所以庫水位對壩體的應(yīng)力應(yīng)變影響較小。運行期間，受溫度影響，壩體內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變與溫度呈負(fù)相關(guān)，溫度上升時壓應(yīng)力增大，溫度下降時拉應(yīng)力增大，應(yīng)力應(yīng)變隨溫度呈年周期變化。通過計算，大壩0+158斷面混凝土內(nèi)部水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力均處于受壓狀態(tài)，僅壩體表面局部混凝土出現(xiàn)較小拉應(yīng)力，其中最大水平拉應(yīng)力為1.17 MPa，上游面最大垂直拉應(yīng)力為1.35 MPa，與實測最大水平拉應(yīng)力1.26 MPa和最大垂直拉應(yīng)力1.44 MPa基本一致，且均小于允許拉應(yīng)力1.60 MPa。壩體內(nèi)部水平方向和垂直方向的應(yīng)變變化規(guī)律也基本相同且變化不大，水平左右岸方向應(yīng)變在-12～（-18）范圍內(nèi)變化，水平上下游方向應(yīng)變在-31～（-38）范圍內(nèi)變化，垂直方向應(yīng)變在-22～（-26）范圍內(nèi)變化。計算結(jié)果與實測結(jié)果基本一致且變化規(guī)律基本相同，表明壩體混凝土抗拉性能良好，防滲體狀態(tài)正常，內(nèi)部出現(xiàn)裂縫的可能性不大。壩體混凝土應(yīng)力應(yīng)變的計算值與實測值的變化過程見圖6、圖7。

圖2 壩體0+158混凝土溫度變化過程圖Fig.2 Process of concrete temperature change at the dam sec?tion 0+158

表3 混凝土徐變度擬合公式材料特性參數(shù)Table 3 Parameters of the concrete properties in creep fitting formula

圖3 混凝土擋水壩段穩(wěn)定溫度場分布Fig.3 Distribution of steady temperature field of the water re?taining block

圖4 混凝土擋水壩段7月溫度等值線Fig.4 Isolines of the temperature in July of the water retaining block

圖5 混凝土擋水壩段1月溫度等值線Fig.5 Isolines of the temperature in January of the water retain?ing block

圖7 壩體表層混凝土應(yīng)變計算值與實測值過程圖Fig.7 Calculated strain and measured strain of the concrete on dam surface

5結(jié)語

在山口碾壓混凝土壩施工過程中采取了較好的溫控措施，將混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力控制在了允許范圍內(nèi)。運行期間壩體溫度逐漸平穩(wěn)，受外界氣溫、水溫以及水泥水化熱的影響，壩體混凝土溫度呈年周期變化，其中表層混凝土溫度變幅較大，內(nèi)部溫度變幅較小，夏季壩體上部溫度較高，底部溫度較低，冬季則相反，與模擬計算出的溫度場基本一致，說明壩體實際溫度及溫度應(yīng)力變化不大，內(nèi)部混凝土狀態(tài)較好。通過對山口碾壓混凝土壩的溫度及應(yīng)力分析，為驗證設(shè)計、檢驗施工和防止溫度裂縫以及掌握寒冷地區(qū)大體積混凝土內(nèi)的溫度場、應(yīng)力場的分布規(guī)律提供了參考和借鑒。 ■

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社,1999.

[2]彭詩明.大體積混凝土結(jié)構(gòu)有限單元法應(yīng)用研究[D].武漢:武漢大學(xué),2005.

[3]王潤富,陳國榮.溫度場和溫度應(yīng)力[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[4]黃達(dá)海.高碾壓混凝土拱壩施工過程仿真分析[D].大連:大連理工大學(xué),1999.

To understand the temperature change and the stress state of roller compacted concrete dam in cold area,based on the principle of heat conduction and simulation of actual boundary conditions and influence factors,3D finite element method was used to analyze the temperature distribution in the dam concrete as well as the stress and strain.The resulting characteristics and change laws of the tempera?ture and stress distribution was of great importance for design verification and analysis of the operation performance of the concrete dam.

concrete;temperature;stress and strain;calculation and analysis

TV698.1

B

1671-1092（2014）04-0049-04

2014-03-03

趙慧琴（1984-），女，工程師，從事水庫大壩建設(shè)與運行管理工作。

Title:Calculation and analysis on temperature stress of Shankou roller compacted concrete gravity dam// by ZHAO Hui-qin//Xinjiang Yili River Development and Construction Administration Bureau