車家壩河重力壩施工期溫度場分布分析

侯緒亞，潘 宇，邵 凱

(1.南京河川建設(shè)工程有限公司，南京 210017；2.南京市水利建筑工程檢測中心有限公司，南京 210017；3.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，南京 210017)

重力壩自重大、施工簡單、造價低廉、對腐蝕耐抗性較好，是目前最常見的擋水建筑物結(jié)構(gòu)型式之一[1-3]。同時，混凝土重力壩的壩體開裂也成為實(shí)例工程的普遍現(xiàn)象。根據(jù)筆者搜集、統(tǒng)計近30a來國內(nèi)外的452起混凝土重力壩壩體開裂現(xiàn)象，其中由溫度應(yīng)力引起的事故共有135起，占事故原因的29.9%。因此，合理控制混凝土重力壩溫度應(yīng)力，控制溫度裂縫是科學(xué)建設(shè)混凝土重力壩的關(guān)鍵。

本文以重慶車家壩河重力壩為實(shí)例工程，考慮采用數(shù)值仿真模擬，分析施工期車家壩河重力壩的溫度應(yīng)力分布規(guī)律。

1 實(shí)例工程概況

重慶車家壩河混凝土重力壩位于重慶市奉節(jié)縣梅溪河，主要設(shè)計功能為發(fā)電與灌溉，按照功能指標(biāo)及投資造價確定設(shè)計等級為小(1)型水電站，Ⅳ等工程，其中，壩頂高程為894.1m，設(shè)計洪水位為891.09m，校核洪水位為892.33m。實(shí)例工程斷面布置如圖1所示。

2 三維數(shù)學(xué)模型建立

2.1 計算軟件選擇及網(wǎng)格劃分

結(jié)合計算軟件的適用范圍、計算精度和適用性，綜合選擇ANSYS三維有限元軟件進(jìn)行模擬計算[9-11]。根據(jù)實(shí)例工程具體參數(shù)尺寸，建立三維有限元模型，三維模型見下圖。整個結(jié)構(gòu)段共有2956個網(wǎng)格和3385個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。在模型中各區(qū)域共選擇20個典型采樣節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖1 實(shí)例工程(擋水壩段)斷面布置示意圖(單位：m)

圖2 實(shí)例工程三維模型建立及網(wǎng)格劃分

2.2 計算精度驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)例工程施工過程4個監(jiān)測點(diǎn)(在本模型中分別為Node 132、Node714、Node 1743、Node 1975)，驗(yàn)證本模型的計算精度。驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示，大部分節(jié)點(diǎn)溫度計算值與實(shí)測值的誤差都在10%以內(nèi)，計算精度較高，本文建立的數(shù)模能很好的模擬實(shí)例工程溫度分布狀況。

圖3 實(shí)例工程三維模型計算精度驗(yàn)證

3 實(shí)例工程溫度場三維數(shù)學(xué)模型結(jié)果分析

3.1 實(shí)例工程澆筑過程溫度曲線變化過程

實(shí)例工程由2014年3月開始澆筑施工，并在2016年11月完成澆筑。整個澆筑過程持續(xù)33個月，有4段明顯的溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)，最高澆筑溫度為37.3℃，最低澆筑溫度為21.4℃。根據(jù)實(shí)例工程實(shí)測資料，其中心節(jié)點(diǎn)溫度變化過程如圖4所示。

圖4 實(shí)例工程中心節(jié)點(diǎn)溫度變化過程

3.2 典型節(jié)點(diǎn)溫度變化過程數(shù)值計算結(jié)果

根據(jù)圖4，本模型分了231、270、342以及360.5m四組典型高程，總共取了20個典型采樣節(jié)點(diǎn)。根據(jù)數(shù)模計算結(jié)果，20個典型采樣節(jié)點(diǎn)在施工過程中的溫度變化計算結(jié)果如圖5所示。分析可知：

(1)由于外部環(huán)境一致，因此4個特征高程的溫度值大小雖然略有區(qū)別，但是4個特征高程的溫度變化規(guī)律趨勢基本一致。

(2)對于231m高程，內(nèi)部3個典型采樣節(jié)點(diǎn)溫度變化趨勢一致，在澆筑后經(jīng)歷了60d左右的散熱期，此后溫度大小一致較為穩(wěn)定。外部2個典型采樣節(jié)點(diǎn)的溫度變化則與外界溫度變化過程基本一致，出現(xiàn)了明顯的起伏。

(3)270m高程內(nèi)部3個典型采樣節(jié)點(diǎn)早期的溫度變化趨勢基本一致，后期受到上部部位混凝土澆筑散熱后的溫度傳遞影響，3個典型采樣節(jié)點(diǎn)的溫度變化趨勢有所區(qū)別。

(4)342m高程和360.5m高程內(nèi)部典型采樣節(jié)點(diǎn)的變化趨勢均基本一致。出現(xiàn)略微差異的原因主要因?yàn)?42m高程澆筑時外界環(huán)境溫度在10～12℃左右，而360.5 m高程澆筑時外界環(huán)境溫度在18～19.5℃左右，外界溫度值差異較大。

圖5 實(shí)例工程典型采樣節(jié)點(diǎn)溫度變化過程

3.3 澆筑溫度對重力壩溫度場的影響分析

為了進(jìn)一步研究澆筑溫度對重力壩溫度場的影響規(guī)律，本文在控制其他條件不變的情況下，改變初始澆筑溫度，分為不控制澆筑溫度、澆筑溫度設(shè)為10℃和澆筑溫度設(shè)為15℃3個工況進(jìn)行研究分析。計算結(jié)果如圖6所示，分析可知：

(1)231m高程與360.5m高程典型采樣節(jié)點(diǎn)的溫度變化趨勢一致，即不控制澆筑溫度時溫度一直大于澆筑溫度設(shè)為10℃情況，而澆筑溫度設(shè)為15℃時的溫度介于二者之間。

(2)270、342m高程高程節(jié)點(diǎn)的溫度趨勢略有變化，澆筑溫度設(shè)為15℃時的溫度一直大于澆筑溫度設(shè)為10℃時的溫度。

(3)分析各高程位置溫度變化趨勢不同的原因，主要由于270、342m高程澆筑時，外界溫度較低(約為10～12℃左右)，而231m高程與360.5m高程澆筑時相對溫度較高(約為18～19.5℃左右)。

(4)由此可見，澆筑溫度對于重力壩段不同位置的影響程度區(qū)別較大。同時，外界氣溫越低，澆筑溫度對于重力壩段溫度場影響越明顯。

4 實(shí)例工程開裂指數(shù)變化過程分析

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，當(dāng)水平方向節(jié)點(diǎn)開裂指數(shù)大于0.5或者豎直方向節(jié)點(diǎn)開裂指數(shù)大于1.0時，實(shí)例工程存在橫向開裂或縱向開裂的可能。根據(jù)實(shí)例工程在施工過程中實(shí)測數(shù)據(jù)，基于文獻(xiàn)[11]分析實(shí)例工程在施工過程中混凝土開裂指數(shù)分布，如圖7所示。

分析圖7可知，在實(shí)例工程施工過程中，水平方向最大開裂系數(shù)為0.24，豎直方向最大開裂系數(shù)為0.95，均小于規(guī)范要求值，不存在壩體開裂的風(fēng)險。

5 結(jié)論

本文以車家壩河混凝土重力壩為研究對象，通過建立三維仿真數(shù)模，研究了施工過程中溫度場分布變化過程，得到以下主要結(jié)論。

(1)混凝土壩體內(nèi)部節(jié)點(diǎn)溫度變化趨勢基本一致，即經(jīng)歷60d溫度下降期后，基本保持不變。混凝土壩體靠近外部節(jié)點(diǎn)則受外界溫度影響較大，出現(xiàn)一定程度的波動。

圖6 實(shí)例工程典型采樣節(jié)點(diǎn)在不同澆筑溫度下溫度場變化過程

圖7 實(shí)例工程典型采樣節(jié)點(diǎn)在不同澆筑溫度下溫度場變化過程

(2)澆筑溫度對于重力壩段不同位置的影響程度區(qū)別較大。同時，外界氣溫越低，澆筑溫度對于重力壩段溫度場影響越明顯。

(3)經(jīng)計算，實(shí)例工程在施工過程中，水平、豎直方向最大開裂系數(shù)，均小于規(guī)范要求值，不存在壩體開裂的風(fēng)險。