大藤峡碾压混凝土围堰温度场和温度应力场仿真计算

吴三线

摘 要：随着水利工程规模的逐渐扩大，混凝土大坝体积也越来越大，随着混凝土体积的增大，很多混凝土大坝出现了不同程度的裂缝。为防止裂缝产生，根据当地气温情况，需采取温控措施。温度场和温度应力仿真计算可以根据温控要求和现场实际情况，通过计算对比确定经济合理的温控措施。广西大藤峡水利枢纽工程是国家水利部172项水利工程的龙头，为红水河梯级规划中最末一个梯级。地处热带季风气候区，混凝土温控控制是施工过程中的重难点。

关键词：大体积混凝土 温控场 温度应力 仿真计算 通水冷却

1.情况说明

大藤峡纵向碾压混凝土围堰全长约784m由分三部分。

中间部分纵向混凝土围堰结合永久闸坝段，坝段长67m，坝顶高程64.00m，宽31.50m。

根据技术要求碾压混凝土需铺设冷却水管。若采用常规工艺进行冷水通水存在以下缺点：①固定的通水温度对混凝土内部温控变化适应性差；②河水水温受天气、气候影响较大，稳定性差；③稳定温度的制冷水经济适用性差，投入较大。

通过温控场和温度应力仿真计算对各种工况方案的计算，可以确定当下时间段冷却通水具体温度及各种冷却水通水时间。

2.温控场与温度应力场仿真计算原理

（1）稳定温度场计算原理

根据热传导理论，稳定温度场T（x，y，z）在区域R内满足拉普拉斯方程。

稳定温度场的方程：

（2）非稳定温度场计算原理

由热量平衡原理，温度升高所吸收的热量必须等于从外面流入的净热量与内部水化热之和。一般三维问题，瞬态温度场变量T（x，y，z）在直角坐标系求解域Ω中满足固体热传导基本方程

（3）水管冷却问题计算基本原理

采用冷却水管进行早期通水冷却是降低混凝土最高温升、减小温度应力的一项有效措施。本文采用等效法计算，把冷却水管看成内部热源，建立大体积混凝土的等效热传导方程，在平均意义上考虑水管的冷却效果。

（4）温度徐变应力计算基本原理

总应变等于相应应力产生的应变与变温引起的应变值之和。理想弹性体在单向受力条件下，应力σ与应变ε之间服从虎克定律，当应力保持不变时，应变也保持不变。但实验资料表明，当应力保持常量时，混凝土的应变将随着时间而有所增加。实际上，在单向受力条件下，混凝土在时间τ的总应变ε（τ）可表示为

式中：εe（τ）为应力引起的弹性应变；εc（τ）为混凝土的徐变应变；εT（τ）为温度变化引起的应变；εS（τ）为混凝土的干缩应变，一般认为，它是混凝土中水分损失所引起的变形；εδ（τ）为混凝土的自生体积变形。

3.温度场与温度应力场仿真计算模型

取纵向围堰坝体段45m长的部分为温度场与温度应力场仿真计算研究对象。建基面最低高程9.0，顶部高程64.0m，顶部宽度30.0m，最大坝高55.0m。

温度场与温度应力仿真计算采用三维有限元法，地基所取范围为沿纵向围堰坝段的上下游及深度方向均延伸1.5倍坝高（见图1）。

4.温度场与温度应力场仿真计算

4.1計算方案见表1，表2。

4.2边界条件

根据纵向围堰坝段施工进度、度汛及水库蓄水等资料，确定纵向围堰坝段温度场计算时边界条件为：

① 6月1日前，已浇筑坝段左、右侧为气边界，上、下游侧为绝热边界；

② 6月1日至7月30日：右侧过水，水位高程为28.0m；左侧为气边界；上、下游侧为绝热边界；

③ 基础强约束区基础允许温差13.5℃，基础弱约束区基础允许温差15.5℃。

4.3准稳定温度场计算分析

纵向围堰坝段准稳定温度场分布规律如图4和图5所示。从图可以看出，纵向围堰坝段内部稳定温度为21.0℃左右。

1月份外界气温最低，月平均温度为12.4℃，纵向围堰坝段1月份准稳定温度场计算结果符合一般规律。

7月份外界气温最高，月平均温度为28.7℃，纵向围堰坝段7月份准稳定温度场计算结果符合一般规律。

4.4非稳定温控场计算分析

由于非稳定温度场随时间变化，根据施工需要，选取2个典型剖面，分析。

从纵向围堰坝段施工期和运行期温度场计算成果可以看出：

① 施工期高温季节浇筑的部位温度较高，低温季节浇筑的部位温度相对较低。

② 纵向围堰坝段方案0混凝土浇筑时未采取任何温控措施，因此强弱约束区温度均较高。不采取温控措施时，强弱约束区最高温度均超过了容许最高温度，因此纵向围堰坝段必须采取温控措施。

③ 方案1～5在基础强约束区（15.0～24.0m）的最高温度分别为34.0℃、34.4℃、34.9℃、34.4℃和34.5℃。基础强约束区允许最高温度为34.5.0℃左右。

④ 方案1～5在基础弱约束区（24.0～33.0m）的最高温度均未超过34.0℃。基础弱约束区允许最高温度为36.5℃左右。

⑤ 纵向围堰坝段各方案非约束区混凝土最高温度均较高。纵向围堰坝段方案1～3非约束区采取水管冷却后，混凝土最高温度降低了（4.2～5.1）℃，冷却效果明显。

⑥ 纵向围堰坝段不同区域最高温度、稳定温度、容许最大温差、容许最高温度见表3。

⑦ 应力场计算分析

温度应力是温度变化引起的应力，主要包括温差、徐变和自生体积变形产生的应力。

a.在强约束区（15.0～24.0）m混凝土中，σx、σy最大值分别为1.4 MPa和1.3 MPa。

b.在弱约束区（24.0～33.0）m混凝土中，三个方向应力最大值不超过0.7 MPa。

c.在非约束区（33.0～64）m混凝土中，σx、σy、σz最大值分别为2.4 MPa、1.4 MPa和1.0 MPa。

5.结论

通过对大藤峡水利枢纽工程纵向围堰坝段温控仿真计算研究，得出以下结论：纵向围堰坝段方案1、2、4、5强弱约束区混凝土最高温度均满足碾压混凝土坝设计规范要求。结合施工现场实际情况，推荐方案4为纵向围堰坝段实施方案。即：在强弱约束区，混凝土采用冷却水管冷却，水管间距1.5×1.0m，通水水温为：10℃（3d）+14℃（7d）+河水（20d），通水总时间为30d，通水流量1.5m3/h；

在非约束区，混凝土采用水管冷卻，水管间距1.5×1.5m，通河水30d，通水流量1.5m3/h。

6.结束语

大藤峡碾压混凝土围堰至今浇筑完成并运行已经20个月时间，经历了多次超标洪水，运行状况良好，也未发生任何一处渗水和裂缝问题，水利部相关领导和国内多个知名专家给予了高度评价。

通过温度场和温度应力仿真计算并结合现场实际情况，对比给出了经济合理的温控措施，对大藤峡纵向碾压混凝土围堰的施工指明了方向，具有重大指导意义，同时该研究对各类工程大体型混凝土施工有很大借鉴参考意义。

参考文献：

[1]张金凯，李守义，吴忠明，谷振东.考虑昼夜温差的碾压混凝土坝温度场仿真分析[J].西安理工大学学报.

[2]张金凯，李守义，赵丽娟等.某河床式水电站厂房坝段温控计算分析[J].西北农林科技大学学报.

[3]张晓飞，李守义，陈尧隆.碾压混凝土拱坝温度场计算的浮动网格法[J].土木工程学报.[4]水利水电施工设计手册.