三河口碾壓混凝土大壩澆筑溫度有限元分析

任喜平

（陜西引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安710100）

碾壓混凝土大壩澆筑的溫控過(guò)程是比較受關(guān)注的問(wèn)題，傳統(tǒng)碾壓混凝土中小型拱壩一般在溫度低的季節(jié)澆筑，而在高溫季節(jié)盡量不澆筑，沒(méi)有溫控措施或者采取一些簡(jiǎn)單的溫控方法［1］。隨著對(duì)碾壓混凝土大壩的分析研究，發(fā)現(xiàn)碾壓混凝土中添加粉煤灰能夠使混凝土散熱較慢，碾壓混凝土大壩可全年施工，壩內(nèi)很長(zhǎng)一段時(shí)間處于高溫狀態(tài)，致使碾壓混凝土壩體表面很長(zhǎng)時(shí)間處于受拉狀態(tài)，會(huì)引起大壩表面產(chǎn)生裂縫，對(duì)大壩施工安排和質(zhì)量控制造成嚴(yán)重影響。因此，在碾壓混凝土大壩澆筑過(guò)程中采取合理的澆筑溫度有著特別重要的意義［2］。

1 工程概況

三河口水利樞紐位于陜西省漢中市佛坪縣內(nèi)距大河壩鎮(zhèn)3.8 km的子午河大峽谷處，水庫(kù)總庫(kù)容為7.1億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容6.5億m3，壩體高度141.5 m（居國(guó)內(nèi)同類壩型第二），壩頂高程和寬度分別為646 m和9 m。在壩體高程588.0～646.0 m間設(shè)置三孔15 m×15 m溢流表孔，在壩體高程534.0～540.0 m間設(shè)置兩孔4 m×5 m底孔。大壩、消力塘及導(dǎo)流洞封堵等大體積混凝土總量約109.8萬(wàn)m3，其中碾壓混凝土約90.68萬(wàn)m3。該工程基礎(chǔ)層碾壓混凝土通倉(cāng)澆筑面積大，混凝土基礎(chǔ)容許溫差約束應(yīng)力與基礎(chǔ)塊混凝土尺寸成比例增加，碾壓混凝土拱壩大體積混凝土施工過(guò)程溫控難度大、要求高。

2 有限元計(jì)算方法

在混凝土壩仿真分析中，溫度是基本作用荷載，壩體溫度變化是一個(gè)熱傳遞問(wèn)題，用有限元法求解有下面幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)［3］:①容易適應(yīng)不規(guī)則邊界；②在溫度梯度大的地方，可局部加密網(wǎng)格；③容易與計(jì)算應(yīng)力的有限單元法程序配套，將溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形在同一程序中計(jì)算。仿真應(yīng)力計(jì)算中需考慮混凝土溫度、徐變、水壓、自重、自生體積變形和干縮變形等的作用。

筆者選用大型有限元軟件ANSYS深層二次開(kāi)發(fā)的“高壩結(jié)構(gòu)施工期至運(yùn)行期全過(guò)程溫度場(chǎng)、溫度應(yīng)力場(chǎng)三維有限元仿真分析軟件”，根據(jù)該工程的特點(diǎn)選擇、增加、修改不同的功能模塊，縮短仿真分析的周期，為施工期溫度監(jiān)測(cè)及反饋分析提供快捷的技術(shù)支持［4］。溫度場(chǎng)仿真分析的核心技術(shù)是朱伯芳院士提出的通水冷卻等效負(fù)熱源系數(shù)法和冷卻水管的精細(xì)模擬，它既能等效地考慮通水冷卻的作用、減小模型規(guī)模、提高仿真分析的效率，又能考慮不同部位混凝土的冷卻效果。應(yīng)力場(chǎng)仿真分析模塊能考慮混凝土力學(xué)性能參數(shù)隨齡期的變化、混凝土徐變、混凝土的自生體積變形等因素的影響，有多種混凝土本構(gòu)模型可供選用，如彈性模型、彈塑性模型、損傷模型、斷裂力學(xué)模型等［5］。

對(duì)于不同施工方案和溫控方案，通過(guò)改變相應(yīng)參數(shù)，如不同混凝土膠凝材料水化熱性能、澆筑層厚度、間歇天數(shù)、冷卻水管間距、冷卻時(shí)間、冷卻水管的熱學(xué)力學(xué)參數(shù)變化等來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)計(jì)算過(guò)程中中間結(jié)果輸出參數(shù)的可視化［6］，分析校核計(jì)算結(jié)果的合理性，實(shí)現(xiàn)高壩溫度應(yīng)力仿真分析這一復(fù)雜過(guò)程的自動(dòng)化和智能化。

3 澆筑溫度有限元分析

3.1 計(jì)算模型

選取三河口大壩河床壩段作為典型壩段，采用ANSYS軟件建立三維有限元模型。壩基巖體模型以壩頂?shù)膬啥俗鳛槠瘘c(diǎn)，左右兩側(cè)、壩底向下和下游計(jì)算長(zhǎng)度為壩高的1.5倍，上游為壩高的1倍。用空間8節(jié)點(diǎn)單元模擬壩體和壩基等實(shí)體單元，對(duì)大壩河床壩段的壩體劃分37 654個(gè)網(wǎng)格單元。三河口碾壓混凝土拱壩壩體三維有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

圖1 壩體三維有限元計(jì)算模型

3.2 參數(shù)取值

三河口水利樞紐大壩壩體碾壓和常態(tài)混凝土物理特性參數(shù)見(jiàn)表1（其中t代表混凝土的齡期，d），壩體碾壓混凝土容許最高溫度見(jiàn)表2。

表1 壩體碾壓和常態(tài)混凝土的物理特性參數(shù)

表2 壩體碾壓混凝土容許最高溫度 ℃

3.3 計(jì)算工況

三河口碾壓混凝土大壩澆筑的總控制性節(jié)點(diǎn)計(jì)劃如下:2016年9月30日澆筑高程504.5～504.8 m找平層；2016年11月2—23日澆筑高程504.8～515.0 m；2017年3月25日—12月31日澆筑高程515.0～551.0 m；2018年2月15日—12月31日澆筑高程551.0～610.0 m；2019年2月5日—6月30日大壩混凝土澆筑完成。

根據(jù)三河口水利樞紐大壩壩體施工組織設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)碾壓混凝土澆筑試驗(yàn)成果，大壩混凝土施工過(guò)程中以澆筑3 m厚作為一個(gè)碾壓澆筑層，壩體相鄰兩個(gè)澆筑層之間的間歇期一般為10 d左右。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)氣候條件，當(dāng)年11月—次年3月采用不通水的混凝土冷卻措施，根據(jù)三河口大壩智能化管理平臺(tái)對(duì)溫度的監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)于該地區(qū)4—10月高溫時(shí)段大壩混凝土的澆筑施工，采用壩后“兩臺(tái)一備一用”的制冷設(shè)備制造10℃的冷卻水對(duì)壩體混凝土進(jìn)行通水冷卻，壩體的墊層、壩頂?shù)炔课徊捎贸B(tài)混凝土，上游防滲面、下游壩體表面先在碾壓層混凝土形成溝槽，再注入水泥漿液振搗形成寬1 m的變態(tài)混凝土，壩體主體采用碾壓混凝土，結(jié)合三河口水利樞紐壩址區(qū)氣候資料，以及混凝土拌和過(guò)程和施工過(guò)程的預(yù)冷方案，模擬計(jì)算三河口水利樞紐4—10月高溫季節(jié)澆筑溫度為20、18、16℃工況，具體澆筑過(guò)程中壩體溫控計(jì)算方案見(jiàn)表3。

表3 澆筑過(guò)程中壩體溫控計(jì)算方案

3.4 溫度場(chǎng)計(jì)算分析

基于三河口碾壓混凝土大壩2016年9月30日—2017年12月31日澆筑進(jìn)度計(jì)劃，建立壩體河床壩段三維有限元模型進(jìn)行溫度應(yīng)力有限元分析計(jì)算。澆筑溫度為20、18、16℃工況下施工的壩體混凝土溫度場(chǎng)分別見(jiàn)圖2～圖4。

圖2 澆筑溫度為20℃時(shí)壩體混凝土溫度場(chǎng)（單位:℃）

圖3 澆筑溫度為18℃時(shí)壩體混凝土溫度場(chǎng)（單位:℃）

圖4 澆筑溫度為16℃時(shí)壩體混凝土溫度場(chǎng)（單位:℃）

4—10月澆筑溫度采用20℃，冷卻水管間距為1.5 m×1.5 m，4月開(kāi)始澆筑的弱約束區(qū)混凝土二級(jí)配防滲層和下游三級(jí)配混凝土最高溫度分別為35.01℃和32.58℃，5月澆筑的弱約束區(qū)混凝土二級(jí)配防滲層和下游三級(jí)配混凝土最高溫度分別為35.34℃和32.79℃，均超過(guò)了弱約束區(qū)容許最高溫度（28℃）。按照澆筑進(jìn)度計(jì)劃，6月以后澆筑脫離約束區(qū)混凝土，當(dāng)澆筑溫度采用20℃、冷卻水管間距為1.5 m×1.5 m時(shí)，6月和7月澆筑的弱約束區(qū)上游二級(jí)配防滲層混凝土最高溫度范圍為35.69～35.75℃，超過(guò)容許最高溫度（34℃）；下游三級(jí)配混凝土最高溫度為32.91～33.01℃，滿足容許最高溫度要求。8月澆筑的脫離約束區(qū)混凝土二級(jí)配防滲層和下游三級(jí)配混凝土最高溫度分別為33.33℃和30.89℃，均滿足容許最高溫度要求。9月澆筑的脫離約束區(qū)上游防滲層混凝土最高溫度為34.47℃，超過(guò)容許最高溫度，下游三級(jí)配混凝土最高溫度滿足要求。10月澆筑的脫離約束區(qū)混凝土二級(jí)配防滲層和下游三級(jí)配混凝土最高溫度分別為33.82℃和31.29℃，均超過(guò)容許最高溫度（30℃）。進(jìn)入12月以后，混凝土澆筑溫度進(jìn)一步降低，最高溫度均滿足設(shè)計(jì)要求。

將4—10月澆筑溫度改為18℃，冷卻水管間距為1.5 m×1.5 m，4月澆筑的弱約束區(qū)混凝土二級(jí)配防滲層和下游三級(jí)配混凝土最高溫度分別為33.55℃和31.11℃，5月澆筑的弱約束區(qū)混凝土二級(jí)配防滲層和下游三級(jí)配混凝土最高溫度分別為32.21℃和29.83℃，均超過(guò)了弱約束區(qū)容許最高溫度（28℃）。6月以后澆筑脫離約束區(qū)混凝土，6月和7月澆筑的弱約束區(qū)上游二級(jí)配防滲層混凝土最高溫度為34.18～34.41℃，略微超過(guò)容許最高溫度（34℃）；下游三級(jí)配混凝土最高溫度范圍為31.33～31.68℃，均滿足容許最高溫度要求。8月澆筑的脫離約束區(qū)混凝土二級(jí)配防滲層和下游三級(jí)配混凝土最高溫度分別為32.14℃和29.70℃，均滿足容許最高溫度要求。9月澆筑的脫離約束區(qū)上游防滲層混凝土最高溫度為32.94℃，超過(guò)容許最高溫度，下游三級(jí)配混凝土最高溫度滿足要求。10月澆筑的脫離約束區(qū)混凝土二級(jí)配防滲層和下游三級(jí)配混凝土最高溫度均為32.31℃，超過(guò)容許最高溫度，下游三級(jí)配混凝土最高溫度滿足要求。進(jìn)入12月以后，混凝土澆筑溫度進(jìn)一步降低，最高溫度均滿足設(shè)計(jì)要求。

4—10月澆筑溫度為16℃，冷卻水管間距為1.5 m×1.5 m，4月澆筑的弱約束區(qū)混凝土二級(jí)配防滲層和下游三級(jí)配混凝土最高溫度分別為32.13℃和29.68℃。5月澆筑的弱約束區(qū)混凝土二級(jí)配防滲層和下游三級(jí)配混凝土最高溫度分別為32.51℃和30.00℃，雖然澆筑溫度降至16℃、水管間距為1.5 m×1.5 m時(shí)最高溫度均超過(guò)了弱約束區(qū)容許最高溫度（28℃），但在冷卻水管加密敷設(shè)（間距為1.0 m×1.5 m）后，混凝土的最高溫度能夠滿足要求。6月以后開(kāi)始澆筑脫離約束區(qū)混凝土，上游二級(jí)配防滲層和下游三級(jí)配混凝土最高溫度均滿足要求。

通過(guò)對(duì)比分析擬定相應(yīng)的澆筑施工方案:①針對(duì)壩體的河床壩段，為了能夠滿足大壩混凝土最高容許溫度的要求，對(duì)于壩體的基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)域3月澆筑最高溫度不超過(guò)11℃，4—10月澆筑最高溫度不超過(guò)14℃；基礎(chǔ)弱約束區(qū)域4月、5月、10月澆筑最高溫度不超過(guò)15℃，6—9月澆筑最高溫度不超過(guò)16℃；脫離約束區(qū)域4、10月澆筑的最高溫度不超過(guò)18℃，5—9月澆筑最高溫度不超過(guò)20℃。②在大壩實(shí)際施工過(guò)程中，壩體下游碾壓混凝土三級(jí)配區(qū)域澆筑過(guò)程中冷卻水管敷設(shè)間距為1.5 m×1.5 m時(shí)，混凝土的最高溫度滿足要求；壩體上游防滲層混凝土二級(jí)配區(qū)域澆筑過(guò)程中冷卻水管敷設(shè)間距為1.5 m×1.5 m時(shí)，混凝土的最高溫度略有超標(biāo)現(xiàn)象，但在冷卻水管加密敷設(shè)至間距1.0 m×1.5 m后，混凝土的最高溫度能夠滿足要求。

3.5 擬定方案的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力分析

根據(jù)擬定的壩體混凝土澆筑施工方案，按照允許最高澆筑溫度計(jì)算所得的壩體混凝土溫度云圖見(jiàn)圖5，壩體混凝土順、橫河向應(yīng)力分別見(jiàn)圖6、圖7。

圖5 擬定方案施工的壩體混凝土溫度云圖（單位:℃）

圖6 擬定方案施工的壩體混凝土順河向應(yīng)力（單位:MPa）

圖7 擬定方案施工的壩體混凝土橫河向應(yīng)力（單位:MPa）

在大壩壩體碾壓混凝土實(shí)際澆筑過(guò)程中，河床壩段找平層常態(tài)混凝土尖角處的最大應(yīng)力為2.23 MPa，該部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)在橫河向區(qū)域產(chǎn)生了2.05 MPa的較大溫度應(yīng)力。在澆筑層的2～4層順河向、橫河向產(chǎn)生相對(duì)較大的溫度應(yīng)力，分別為1.95、1.89 MPa，這是壩體碾壓混凝土強(qiáng)約束區(qū)在2016年11月完成澆筑后，冬季停工存在長(zhǎng)間歇期，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度降幅較大引起的。

根據(jù)2017年的混凝土計(jì)劃澆筑進(jìn)度，通過(guò)壩體有限元溫度場(chǎng)計(jì)算的溫度應(yīng)力可知:擬定澆筑方案施工的壩體混凝土順河向溫度應(yīng)力總體低于橫河向的。壩體基礎(chǔ)約束區(qū)產(chǎn)生1.10～1.23 MPa的最大應(yīng)力；其內(nèi)部應(yīng)力水平出現(xiàn)相對(duì)較低現(xiàn)象，脫離約束區(qū)產(chǎn)生1.10～1.63 MPa的最大應(yīng)力，同時(shí)在臨近底孔附近出現(xiàn)最大應(yīng)力；在壩體基礎(chǔ)約束區(qū)的橫河向產(chǎn)生1.85～1.93 MPa的最大應(yīng)力，其應(yīng)力水平相對(duì)較高，主要出現(xiàn)在上下游表面附近，其內(nèi)部應(yīng)力水平相對(duì)較低。在脫離約束區(qū)橫河向區(qū)域最大應(yīng)力也是大部分出現(xiàn)在壩體上、下游面，壩體下游面產(chǎn)生2.03 MPa的最大應(yīng)力。大壩底孔出口段的底板周邊產(chǎn)生應(yīng)力比較大的區(qū)域，出現(xiàn)2.12 MPa的最大應(yīng)力。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）2017年3月25日前已完成澆筑的混凝土以及按2017年進(jìn)度計(jì)劃澆筑的混凝土按照擬定澆筑溫度和通水冷卻措施計(jì)算得到的最高溫度和溫度應(yīng)力可滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）采取擬定的澆筑溫度和相應(yīng)冷卻措施進(jìn)行施工后，大壩壩體產(chǎn)生的橫河向應(yīng)力略高于順河向應(yīng)力，但壩體內(nèi)部混凝土的溫度應(yīng)力水平總體不高，在大壩壩體的尖角處、上下游表面、孔口部位、長(zhǎng)間歇部位出現(xiàn)了較大的溫度應(yīng)力。對(duì)這些部位在施工過(guò)程中制定專項(xiàng)溫控施工方案，保證了大壩混凝土的施工質(zhì)量。

（3）為防止壩體碾壓混凝土在高溫季節(jié)的澆筑溫度因氣溫影響而產(chǎn)生升高現(xiàn)象，在高溫季節(jié)澆筑的倉(cāng)號(hào)建議采用噴霧機(jī)進(jìn)行噴霧保濕降溫；攤鋪碾壓完的混凝土表面及時(shí)鋪設(shè)保溫材料進(jìn)行保護(hù)；溫度比較高的月份，盡量選擇低溫時(shí)段澆筑，減小澆筑層的層厚，保證高溫氣候下壩體混凝土的澆筑溫度滿足要求。