盖下坝水电站施工期温度应力及损伤仿真分析

徐 闯，朱为玄，邓爱民，孙伟伟

（河海大学力学与材料学院，江苏 南京 210098）

0 引 言

大体积混凝土在施工中容易产生温度裂缝，降低了混凝土的完整性，影响坝体的安全。如果温度应力过大，超过相应龄期的允许温度应力，混凝土就会产生裂缝。拱坝由于自身的体形特点和工作原理，温度变化对结构应力状态具有重要影响，温控问题显得尤为突出。采用三维有限元法仿真大坝施工期非稳定温度场及温度应力，预测坝体施工期温度场及温度应力的变化规律，对坝体温控防裂提出合理建议。

混凝土损伤理论可以揭示混凝土材料的破坏机理。通过混凝土坝损伤仿真计算，反映其任何时刻的损伤状态，对其工作性态、危险程度、剩余寿命等的分析以及安全运行有着重要作用。

1 计算资料及仿真模型

1.1 计算资料

盖下坝水电站位于重庆市云阳县和奉节县境内的长江一级支流长滩河中上游河段，大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高160 m，坝顶长153.31 m，水库总库容 3.54×108m3， 调节库容 2.03×108m3， 电站装机容量为120 MW。大坝共设8条横缝，分成9个坝段，沿中心线弧长横缝的间距一般为16～18 m，最大18.92 m，不设纵缝，拱坝拱冠断面底宽约15.14 m。坝体混凝土进行通仓浇筑，并分层分块进行，浇筑块最大底宽23.11 m，最大浇筑仓面面积342 m2。基础约束区浇筑块分层厚度为1.5 m；非约束区浇筑块分层厚度为3 m。坝体孔口部位分层分块厚度根据孔口高度作局部调整。材料热力学参数见表1。气温按当地多年平均气温拟合，表达式为

表1 材料热力学参数

混凝土徐变度采用以下指数函数表达式

式中，C（t，τ）为混凝土徐变度；τ为混凝土加载龄期；a、b、c、d为拟合参数，其取值见表2。

表2 混凝土徐变度参数取值

坝体冷却水管采用φ32或φ40聚乙烯塑料管（PE管），在坝内按蛇行布置。基础约束区的冷却水管进行加密布置，采用1.5 m（浇筑层厚）×1.5 m（水管间距）布置；岸坡坝段为1.5 m（浇筑层厚）×1.5 m （水管间距）。非约束区为3.0 m （浇筑层厚）×1.5 m （水管间距），特殊部位可根据结构情况适当调整。一根PE冷却水管长250 m，冷却水比热为4.187 kJ/（kg·℃）。

1.2 仿真模型

由于大坝为通仓分坝段分层浇筑，本次计算基于ANSYS软件平台，采用空间20节点等参单元进行。计算模型及网格剖分见图1。计算网格单元数17 601个，节点总数84 795个。计算中坝体厚度方向分3层，高度方向1.5 m/层，共分94层，每个坝段长度方向分4～6列不等，以使得坝体单元尺寸尽量合理。在灌浆封拱前，横缝按缝单元处理；封拱后，作为坝体单元相同的实体单元处理。基岩范围：大坝左、右、上游、下游及坝底约取1.5倍坝体高度，河槽及两岸适当简化。坝体混凝土及基岩材料分区也根据实际情况概化处理。在计算时，将坝体分为若干浇筑层，按照从坝基至坝顶的顺序，分为若干荷载步依次激活每层混凝土。随着坝体单元的逐步激活，相应的温度荷载也同时施加，以此类推，直到坝顶浇筑层浇筑完成。这样，就可以仿真模拟大坝整个施工过程的温度场和应力场。

图1 计算模型及网格剖分

2 成果分析

施工期计算从坝体开始浇筑之日起 （第3年5月1日），至坝体浇筑结束之日 （第4年10月30日），共550 d，步长为1 d。

2.1 温度场

由计算结果可以知，各种初始条件、边界条件及各项温控措施在温度场上都得到了合理的反映，施工期最高温度为37.97℃，发生部位在高程292 m右岸5坝段，该点拱圈温度等值线见图2。从图2可以看出，在采取合适的冷却措施后，很好地控制了施工期最高温度，达到温控要求。

2.2 温度应力场

施工期最大拉应力为0.96 MPa，在高程310 m左边坝段靠基岩的下游面处，该时间该位置坝体拱圈第一主应力等值线见图3。由图3可知，该部位由温度荷载引起的最大主拉应力值小于混凝土的容许抗拉强度设计值1.2 MPa。这说明温控措施得当，坝体能够满足抗裂要求。

2.3 损伤场

施工期还没有开始蓄水，坝体损伤主要由温度应力引起，温度应力为拉应力。因此，只需考虑最大拉应力时刻坝体损伤场。取坝体混凝土初始损伤D0为0.05，损伤阈值Df为0.2，计算得该时刻该处坝体损伤等值线 （见图4）。

从图4可以看出，最大损伤值为0.16。

图2 坝体温度最高点拱圈温度等值线 （单位：℃）

图3 最大拉应力处拱圈第一主应力等值线 （单位：MPa）

图4 最大拉应力时刻坝体下游面损伤等值线

3 结 语

（1）有限元仿真计算结果表明，盖下坝水电站施工期坝体最高温度和最大温度应力均小于容许值，温度应力得到有效控制。从损伤计算结果可以看出，在施工期出现最大主拉应力时坝体损伤最大值为0.16，施工期温度损伤并不大，坝体材料整体来说处于损伤发展的缓慢阶段，尚未出现宏观裂缝。

（2）出现最高温度的时刻和部位，其应力并不是最大的，这说明施工期温度应力大小取决于温变值而不是温度绝对值。

（3）从应力场还是损伤场可以看出，坝体与岩体接触的坝肩部位拉应力和损伤值都较其他地方大，这是因为该部位混凝土受到约束，也可能是网格划分带来的应力集中所致，但施工时应引起注意。

（4）本文仅考虑了温度荷载引起的损伤，没有考虑混凝土自重引起的损伤。

（5）计算中的基础参数气温和水温是多年平均值，没有考虑可能出现的极端高温和低温，也不可能考虑1 d内的变化。另外，其他计算参数也没有考虑其不确定性。因此，计算结果有可能是偏小的。

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