三河口大壩施工期澆筑層溫控措施優(yōu)化分析

王佐榮 李曉峰 岳立宇

(陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710024)

碾壓混凝土壩是目前流行的壩型，其具有能夠縮短工期、大幅度提升澆筑效率、加強施工質量等特點。但是施工澆筑過程中受氣候條件和晝夜溫差的影響較大，碾壓混凝土壩面臨著施工時內外溫差較大容易產生裂縫的問題。之所以出現以上現象，主要有以下兩個方面原因：?傳統(tǒng)的現場施工條件、技術條件及配套設備、措施都相對落后，多以人工旁站或經驗參考為主，對于近年來建設的大壩缺乏監(jiān)控施工質量(溫控、碾壓、振搗等)的有效手段；?受原材料、骨料選定等客觀條件限制，設計方在可研、初設階段制定大壩溫控標準與措施時所依托的相關科研成果，其計算假定邊界條件或材料參數與現場實際邊界條件和材料參數往往差異較大，難以全面反映現場施工時的真實情況和各種工況，大多數工程進入施工階段后往往沿用早期成果，難以有效指導現場施工，使得現場的溫控防裂工作缺乏有效的實時支撐。因此，施工期裂縫和滲漏問題的出現將導致施工經濟和時間成本增加，以及無法正常蓄水發(fā)電等問題。已有許多學者針對溫控措施優(yōu)化問題進行了大量的研究，傅少君等[1]以小灣超高碾壓混凝土拱壩為研究對象，以高拱壩溫度特征和溫控防裂等關鍵技術為出發(fā)點，提出了對小灣混凝土拱壩的冷卻方案、澆筑方案、表面保護措施，構建了拱壩溫控的動態(tài)跟蹤與仿真反饋系統(tǒng)模型，計算出溫度特征、溫度應力特征參數，計算結果精確，為小灣碾壓混凝土高拱壩施工提供了依據。馬濤等[2]針對北方冬天寒冷，壩體內外溫差較大的情況下，以新疆某碾壓混凝土重力壩段為研究對象，采用ANSYS軟件進行仿真計算分析，對壩體內部溫度應力進行研究，結果表明：夏季施工需要對混凝土采取降溫措施，秋季混凝土溫度較低，不需要進行降溫，冬天不建議進行混凝土澆筑，如果澆筑須做好防護措施。張曉飛等[3]以某碾壓混凝土重力壩過程為例，采用三維有限元法，分析不同澆筑厚度對大壩混凝土溫度場和應力場的影響。研究結果表明：壩體混凝土最高溫度隨著澆筑層厚度的增大而增加，且最高溫度不僅受澆筑層厚度影響，也受澆筑的時間影響，碾壓混凝土最大拉應力隨著澆筑層厚度增加而增加。錢波等[4]以實際工程為例，對碾壓混凝土的內外溫差和澆筑層之間溫差進行計算，以確定壩體的溫控標準，找出影響溫控措施的較大因素，優(yōu)化溫控措施。綜上可知現有關于大壩溫控措施的研究多針對單一因素展開，同時考慮澆筑層厚度和不同季節(jié)施工時壩體溫度和應力變化過程的研究較為匱乏。

本文以三河口碾壓混凝土拱壩為研究對象，基于溫度場和應力場的理論，采用三維有限元[5]分析方法，從不同季節(jié)和不同澆筑層厚度兩個角度開展三維仿真分析，研究其施工澆筑過程中的溫度和應力變化過程，研究壩體混凝土最高溫度和最大應力值，分析澆筑季節(jié)和澆筑層厚度對溫度和應力的影響規(guī)律，提出溫控優(yōu)化措施，為三河口碾壓混凝土拱壩施工期溫控優(yōu)化提供技術支撐。

1 工程概況

引漢濟渭工程是陜西省內重大跨流域調水工程，其中三河口水利樞紐工程是引漢濟渭工程的最重要的組成部分。其為大(1)型Ⅰ等工程。壩體采用碾壓混凝土澆筑，壩高145m，總庫容達7.1億m3，調節(jié)庫容6.62億m3。主要任務是調蓄支流子午河來水和一部分抽入水庫的漢江干流來水，向關中地區(qū)供水，兼顧發(fā)電。目前已順利完成截流，下一步將開始大壩主體的全面建設，大壩建設過程中將會面臨以下困難：相對于普通混凝土而言，碾壓混凝土的抗裂能力存在不足，在澆筑時其分層結合面之間的質量控制過程存在較大困難，無法較好地控制其防滲和抗裂性能；三河口碾壓混凝土拱壩壩址所在地多年平均溫度12.3℃，其中1月多年平均溫度0.8℃，7月多年平均溫度23.3℃，氣候干燥，年溫差大，相對于同類已建工程，內外溫度之差較為明顯，防裂條件不足，出現裂縫的可能性、防裂難度都大于其他同類已建工程。

2 計算理論

2.1 溫度場計算理論

在混凝土壩仿真分析中，溫度荷載是基本作用荷載。壩體溫度變化是一個熱傳遞問題。利用仿真計算分析[6-7]，對壩體中的溫度荷載進行計算[8]。溫度場計算見圖1。

圖1 溫度場計算示意圖

熱傳導的微分方程[9]:

式(1)的使用前提是固體溫度場能夠具備平均性、各向同性：

(1)

邊界條件為

(2)

(3)

(4)

熱量平衡方程式(1)中從左到右的三項依次代表：由x，y，z方向進入單元熱量；本身熱源熱量；微元體升溫需要的熱量。

C2為邊界上確定不變的熱流量q(τ)，當q=0時為絕熱邊界條件；

C3為邊界上確定對流熱交換條件。

只要能夠滿足C1邊界上的溫度條件，在求解的過程中，自然能夠滿足C2、C3為自然邊界條件的要求。

2.2 應力場計算理論

(5)

式中：B為位移與應變的轉換矩陣；D為彈性矩陣?？梢詫⒌刃ЫY點荷載Pε0與其他荷載相加，計算出包含溫度應力的總應力。

計算應力的應力-應變關系中包括初應變項：

σ=D(ε-ε0)

(6)

3 施工期澆筑層溫控措施優(yōu)化分析

3.1 計算模型構建

本章選取三河口大壩5號河床壩段的典型剖面進行建模。

圖2所示為河床5號壩段的計算模型與網格。壩段底高程501.0m，頂高程646.0m。共剖分單元總數71122個，結點總數82767個。圖中Y代表橫流方向，X代表順流方向，Z代表豎直向上。順河向中心剖面見圖3。

圖2 計算模型與網格

圖3 順河向中心剖面示意圖

溫度場的計算邊界條件：絕熱邊界為頂部和底部，其余均可以實現熱量交換。應力計算邊界將基礎面三個方向設置為約束。

3.2 材料性能參數

a.混凝土材料熱力學性能參數見表1。

表1 混凝土熱力學性能參數

b.混凝土彈模參數見表2。

表2 混凝土彈模參數

c.混凝土極限拉伸值見表3。

表3 混凝土極限拉伸值

d.混凝土虛擬抗拉強度參數見表4。

表4 混凝土虛擬抗拉強度(極限拉伸×彈性模量)參數

3.3 施工期澆筑層溫控措施優(yōu)化分析

3.3.1 計算工況

計算工況見表5。

表5 計算工況

3.3.2 計算結果

表6～表7為壩體碾壓混凝土在不同澆筑層厚工況的最高溫度比較。圖4～圖13為不同季節(jié)下的不同澆筑層厚工況中間剖面溫度和應力包絡圖。圖14～圖17為夏季高溫季節(jié)不同澆筑層厚工況的典型高程溫度及應力過程線比較。

圖4 gk1澆筑層厚3.0m方案中間剖面溫度包絡圖 (單位：℃)

圖5 gk1澆筑層厚3.0m方案中間剖面應力包絡圖 (單位：0.01MPa)

圖6 gk2澆筑層厚1.5m方案中間剖面溫度包絡圖 (單位：℃)

圖7 gk2澆筑層厚1.5m方案中間剖面應力包絡圖 (單位：0.01MPa)

圖8 gk3澆筑層厚4.5m方案中間剖面溫度包絡圖 (單位：℃)

圖9 gk3澆筑層厚4.5m方案中間剖面應力包絡圖 (單位：0.01MPa)

圖10 gk4澆筑層厚1.5m方案中間剖面溫度包絡圖 (單位：℃)

圖11 gk4澆筑層厚1.5m方案中間剖面應力包絡圖 (單位：0.01MPa)

圖12 gk5澆筑層厚3.0m方案中間剖面溫度包絡圖 (單位：℃)

圖13 gk6澆筑層厚4.5m方案中間剖面應力包絡圖 (單位：0.01MPa)

圖14 1.5m、3.5m、4.5m厚度澆筑層的大壩中部溫度變化過程(秋冬季節(jié)、505.5m高程)

圖15 1.5m、3.5m、4.5m厚度澆筑層的大壩中部橫河向應力變化過程(秋冬季節(jié)、505.5m高程)

圖16 1.5m、3.5m、4.5m厚度澆筑層的大壩中部溫度變化過程(春夏季節(jié)、505.5m高程)

圖17 1.5m、3.5m、4.5m厚度澆筑層的大壩中部橫河向應力變化過程(春夏季節(jié)、505.5m高程)

a.對于秋冬季澆筑的大壩碾壓混凝土，由于外界氣溫相對較低，倉面中部1.5m/層方案、3.0m/層方案、4.5m/層方案的最高溫度分別為25.53℃、27.13℃、27.58℃。1.5m層厚比3.0m層厚倉內最高溫度低大約1.6℃，3.0m層厚比4.5m層厚倉內最高溫度低大約0.45℃。倉面中部1.5m/層方案、3.0m/層方案、4.5m/層方案的最大應力分別為1.83MPa、2.17MPa、2.19MPa。安全系數分別為1.99、1.68、1.66，見表6。

表6 秋冬季不同澆筑層厚度計算結果

b.對于夏季澆筑的碾壓混凝土，由于外部溫度相對較高，中部倉面1.5m/層方案、3.0m/層方案、4.5m/層方案下的碾壓混凝土最高溫度分別為30.10℃、30.58℃、30.58℃，1.5m層最高溫度比3.0m層最高溫度低大約0.48℃，3.0m層厚度與4.5m層厚度最高溫度無變化，倉面中部1.5m/層方案、3.0m/層方案、4.5m/層方案最大應力分別為2.42MPa、2.73MPa、2.78MPa。安全系數分別為1.57、1.39、1.37，見表7。

表7 夏季不同澆筑層厚度計算結果

c.無論是薄層還是厚層澆筑，其最高溫度都與澆筑季節(jié)有較大的相關性。澆筑季節(jié)對澆筑最高溫度的影響較大。若在秋冬季節(jié)澆筑，覆蓋層較薄時，最高溫度較低，降溫速度比較快。只要做好保溫，其應力低于厚澆筑層。若在夏季節(jié)澆筑，混凝土澆筑的最高溫度明顯大于秋冬季，不同澆筑厚度最高溫度變化不明顯，應當做好對最高溫度的控制，縮短層間澆筑的間隔時間，在運輸、碾壓和攤鋪各環(huán)節(jié)采取措施，減少混凝土溫度回升和水分蒸發(fā)；在滿足混凝土設計標準的情況下，宜采用中低熱水泥，緩凝高效減水劑，可采用預冷骨料，加冷水拌和等措施，降低混凝土的出機溫度。

4 結 論

本文以三河口水利樞紐碾壓混凝土壩為研究對象，運用三維有限元方法對拱壩5號河床典型壩段混凝土進行仿真計算，通過計算分析不同季節(jié)、不同澆筑層厚度下拱壩碾壓混凝土的溫度和應力變化可以發(fā)現：

a.無論是夏季、秋冬季，大壩混凝土溫度和最大應力值都隨著澆筑層厚度的增加而依次遞增，安全系數隨著澆筑層厚度的增加而遞減。

b.對于基礎強約束區(qū)的碾壓混凝土，由于受到外界氣溫較低的影響，秋冬季澆筑時1.5m澆筑層厚的降溫速率會大于3m、4.5m層厚澆筑，高溫季節(jié)澆筑時，由于外界溫度高于混凝土內部溫度，溫度倒灌現象高于3.0m、4.5m層厚澆筑。

c.考慮三河口高溫季節(jié)月均氣溫，夏季3m和4.5m層厚最高溫度和應力相差不大；3m層厚和4.5m層厚差異較1.5m和3m層厚差異小，最高溫度相差0.5℃以內，應力相差0.5MPa以內；考慮薄層澆筑碾壓混凝土的強約束更為明顯，以及冬季三河口氣溫較低的情況，參考已經計算出的結果，對于基礎強約束區(qū)的碾壓混凝土而言，擬采用3.0m厚層澆筑，以達到最佳的溫度控制裂縫效果。