臺山碾壓混凝土重力壩溫度場仿真研究

徐 衍 胡 靖葛 瑤 張曉飛

（1中國水利水電第四工程局有限公司 青海 西寧 810006；2陜西省人防建筑研究設(shè)計(jì)院 陜西 西安 710061；3陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院 陜西 西安 710001；4西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院 陜西 西安 710048）

1 工程概況

臺山核電廠淡水水源工程位于臺山市赤溪鎮(zhèn)曹沖溪上，工程靠南海海邊，由攔河壩、輸水隧洞及進(jìn)場道路等組成。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩址位于赤溪鎮(zhèn)新松村旁上游1km，距離南海海邊直線距離約3km。碾壓砼重力壩壩頂長度328m，壩頂高程53.6m，防浪墻高程54.8m，最大壩高54m，壩頂寬7.0m，壩體上游面垂直，下游邊坡為1∶0.75。河床部位布置溢流壩段，共5孔，每孔凈寬10m，為開敞式自由溢流堰，堰頂高程為正常蓄水位48.4m。溢流壩段上游面垂直，堰面為WES曲線，堰面曲線以下坡比為1∶0.75，采用階梯式溢流面接消力池聯(lián)合消能方式。

2 計(jì)算原理與方法

在計(jì)算域R內(nèi)任一點(diǎn)，非穩(wěn)定溫度場需滿足熱傳導(dǎo)方程【1】

式中：α——導(dǎo)溫系數(shù)；

θ——混凝土的絕熱溫升。

混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變增量包括彈性應(yīng)變增量、徐變應(yīng)變增量、溫度應(yīng)變增量、干縮應(yīng)變增量和自生體積變形增量，因此有

式中：Δεne——彈性應(yīng)變增量；

Δεnc——徐變應(yīng)變增量；

ΔεnT——溫度應(yīng)變增量；

ΔεnS——干縮應(yīng)變增量；

Δεn0——自生體積應(yīng)變增量。應(yīng)力場有限元計(jì)算方法見文獻(xiàn)［2］。

3 計(jì)算參數(shù)

表1 壩址區(qū)多年月平均氣溫 單位：℃

表2 大壩混凝土熱力學(xué)參數(shù)

表3 大壩混凝土施工進(jìn)度安排

工程所在地多年月平均最高氣溫為28.2℃，最低氣溫為15.0℃，多年平均氣溫為22.5℃，壩址區(qū)多年月平均氣溫見表1。

大壩上游面采用二級配碾壓混凝土，大壩內(nèi)部采用三級配碾壓混凝土，基礎(chǔ)墊層采用三級配常態(tài)混凝土，混凝土熱力學(xué)參數(shù)見表2。

從2009年11月21日開始澆筑底板1.5m厚常態(tài)混凝土，碾壓混凝土的開澆時(shí)間為2009年12月20日，至2010年6月20日，壩體澆筑至設(shè)計(jì)高程45.80m。大壩混凝土施工進(jìn)度安排見表3。

4 計(jì)算模型

大壩計(jì)算模型為壩體在壩軸線方向取橫縫之間的整個(gè)壩段［3］。壩軸線指向右岸為x軸正向，下游方向?yàn)閥軸正向，鉛直向上為z軸正向。計(jì)算模型在壩基深度方向取60m，上游方向取60m，下游方向也取60m。整體有限元模型共有單元8958個(gè)，節(jié)點(diǎn)11312個(gè)，壩體單元7740個(gè)，節(jié)點(diǎn)9744個(gè)。溫度場計(jì)算中邊界條件的選?。旱鼗酌婧?個(gè)側(cè)面以及壩段橫縫面為絕熱邊界,壩體上下游面在水位以上為固～氣邊界，水位以下為固～水邊界。固～氣邊界按第三類邊界條件處理，固～水邊界按第一類邊界條件處理。大壩計(jì)算模型見圖1。

圖1 壩體計(jì)算模型圖

圖2 方案1施工期2010年5月21日溫度云圖

圖3 方案2施工期2010年5月21日溫度云圖

圖4 方案1施工期末2010年8月14日溫度云圖

圖5 方案2施工期末2010年8月14日溫度云圖

表4 方案1和方案2不同部位最高溫度、穩(wěn)定溫度、最大溫差和規(guī)范容許溫差

5 計(jì)算方案

方案1：該方案對11月份到次年4月澆筑的部位，采取自然入倉澆筑，澆筑溫度為月平均氣溫+2℃；5月～8月澆筑的部位采取控制澆筑溫度措施，澆筑溫度小于等于28℃。大壩施工進(jìn)度安排見表3。

方案2：該方案施工進(jìn)度和澆筑溫度與方案1相同。對整個(gè)區(qū)域（高程0.0m～54.0m）的混凝土通天然河水冷卻［4,5］，通水時(shí)間為1天，澆筑完12小時(shí)通水。冷卻水管間距為1.5m×1.5m，通水流量為1.0m3/h，冷卻水管長度為250m。

6 溫度場計(jì)算結(jié)果分析

壩體溫度達(dá)到穩(wěn)定溫度之后，壩體表面的溫度隨著外界氣溫和水溫的變化而變化。根據(jù)水庫上、下游正常水位以及水溫分布、年平均氣溫等資料，計(jì)算得出壩體穩(wěn)定溫度為20℃左右。

根據(jù)混凝土熱力學(xué)參數(shù)和施工進(jìn)度安排對該大壩溫度場進(jìn)行了仿真計(jì)算研究，方案和方案2施工期2010年5月21日溫度云圖見圖2和圖3，施工期末2010年8月14日溫度云圖見圖4和圖5，不同部位最高溫度、穩(wěn)定溫度、最大溫差和規(guī)范容許溫差見表4。

從溫度場計(jì)算成果可以看出：

（1）在強(qiáng)約束區(qū)（壩高0.0m～7.5m）碾壓混凝土范圍內(nèi)，方案1最高溫度為34.9℃，方案2為30.5℃，方案1基礎(chǔ)溫差大于碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的容許溫差12℃～14.5℃，方案2基礎(chǔ)溫差小于規(guī)范容許溫差。

（2）在弱約束區(qū)（壩高 7.5m～15.0m）碾壓混凝土范圍內(nèi)，方案1最高溫度為37.1℃，方案2為32.8℃，方案1基礎(chǔ)溫差大于碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的容許溫差14.5℃～16.5℃方案2基礎(chǔ)溫差小于規(guī)范容許溫差。

（3）在非約束區(qū)（壩高 15.0m～51.0m）碾壓混凝土范圍內(nèi)，方案1最高溫度為41.8℃，方案2為37.1℃，方案1最高溫度比方案2小4.7℃。

（4）施工期對壩體埋設(shè)冷卻水管，水管排間距1.5m×1.5m，澆筑完0.5天后立即通水通水歷時(shí)15天，可將壩體最高溫度降低2℃～5℃左右，可見采取冷卻水管措施對降低壩體內(nèi)部溫度是有效的。

（5）壩體內(nèi)部最高溫度達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定溫度需要漫長過程，溫度場計(jì)算結(jié)果表明：壩體的最高溫度出現(xiàn)在施工期內(nèi)。運(yùn)行期，壩體與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換，壩體內(nèi)最高溫度逐漸減小。運(yùn)行10年左右，壩體內(nèi)部溫度基本趨于準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場。

（6）方案2為推薦方案。

7 結(jié)論

采用三維有限元法，模擬臺山碾壓混凝土重力壩的施工過程進(jìn)行了溫度場仿真研究，分析了不同方案溫度場的分布規(guī)律。從計(jì)算成果可以看出：對11月份到次年4月澆筑的部位，采取自然入倉澆筑，5月～8月澆筑的部位采取控制澆筑溫度措施，且對整個(gè)區(qū)域的混凝土通天然河水冷卻，最高溫度可滿足碾壓混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范要求。研究成果為該碾壓混凝土重力壩的設(shè)計(jì)和施工提供了重要依據(jù)。陜西水利

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