某工程碾压混凝土溢流坝温控仿真计算分析

李世太

（甘肃电投炳灵水电开发有限责任公司 甘肃 永靖 731600）

碾压混凝土因大量掺用粉煤灰，水化热温升速度减慢，混凝土达到最高温度所需的时间较常态混凝土长。虽然碾压混凝土的绝热温升低，但其施工速度较快，且施工中层面间歇时间短，热量散发少，因此，碾压混凝土坝的温度并不低，同样存在出现温度裂缝的风险【1、2】。本文采用三维有限元浮动网格法对某工程碾压混凝土溢流坝段温度场和应力场进行了仿真计算，其成果为同类工程碾压混凝土溢流坝段的温控设计和施工方案的确定提供参考【3、4】。

1 计算参数

工程主要开发任务为发电，水库正常蓄水位为EL183.00m，总装机容量为400MW。溢流坝堰顶高程为EL166.50m，设计泄量为10450m3/s，坝体上游面为富浆二级配防渗碾压混凝土，中部为二级配碾压混凝土，底部为三级配碾压混凝土，溢流面附近采用常态混凝土。温控仿真计算采用的主要参数如下∶

（1）气象资料

坝址处各月平均气温见表1。

（2）混凝土的热力学参数

大坝混凝土的热力学试验参数见表2。

2 有限元计算模型

取横缝间的整个坝段为计算模型,坝轴线方向为x轴方向,指向右岸为正,水流方向为y轴方向,指向下游为正,竖直方向为z轴方向,向上为正。地基范围取沿深度方向以及沿上下游方向均为100m。温度场计算时边界条件为∶地基底面和4个侧面以及坝段横缝面为绝热边界,坝体上下游面在水位以上为固—气边界，按第三类边界条件处理；水位以下为固—水边界，按第一类边界条件处理。应力场计算时边界条件为：地基底面为固定支座，地基在上下游面按y向简支处理，其余为自由边界。溢流坝段计算模型见图1。溢流坝材料分区见图2。

3 计算方案

溢流坝段的坝基面高程为73.0m，堰顶高程为166.50m，坝高 93.5m，坝段长度为19.0m，坝底宽度为82.5m。溢流坝段碾压混凝土自2010年1月1日至2010年6月4日浇筑73.0m高程至117.0m高程，浇筑层厚均为3.0m；2010年6月5日至2010年6月7日浇筑117.0m高程至119.0m高程，浇筑层厚2.0m。溢流坝段2010年7月5日开始度汛，历时28天。2010年11月25日恢复混凝土浇筑，至2011年5月5日溢流坝浇筑至设计高程166.50m。坝前挡水位为：2010年1月1日～2010年7月4日坝前无水；溢流坝段2010年7月5日开始度汛，坝前水位为130.0m高程，度汛完成后，坝前恢复至无水状况；水库自2011年2月15日开始蓄水，到2012年2月15日蓄至正常蓄水位高程183.0m。计算方案见表3。

4 温度场计算成果分析

四个方案坝体不同区域最高温度表见表4。

从表4可以看出：

（1）在基础强约束区：方案2最高温度较方案1高出2.4℃，方案4最高温度较方案3高出2.3℃，主要原因是方案2、4基础弱约束区未通水冷却，基础弱约束区温度较高，影响基础强约束区的最高温度；方案3最高温度较方案1高出2.5℃，方案4最高温度较方案2高出2.4℃，主要原因是方案3、4比方案1、2在基础强约束区的浇筑温度高3℃。

表1 坝址处各月平均气温 单位：℃

表2 大坝混凝土的热力学试验参数

图1 计算模型与坐标系

图2 溢流坝段材料分区

（2）在基础弱约束区：方案2最高温度较方案1高出5.5℃，方案4最高温度较方案3高出6.2℃，主要原因是方案2、4基础弱约束区未通水冷却。方案3最高温度较方案1高出1.5℃，方案4最高温度较方案2高出2.2℃，主要原因是方案3、4比方案1、2在基础弱约束区的浇筑温度高3℃。

（3）长间歇面影响区碾压混凝土：方案3、4比方案1、2最高温度高出1.6℃，主要原因是方案3、4比方案1、2在长间歇面影响区碾压混凝土浇筑温度高2℃。

（4）非约束区常态混凝土：方案1、2最高温度为49.6℃，方案3、4最高温度为51.1℃，最高温度均出现在高程163.5m处的溢流面常态混凝土中部。该部位常态混凝土浇筑时间为2011年4月27日，外界环境温度较高（4月平均温度29.1℃），该区域常态混凝土的最终绝热温升为23.7℃，且发热速度较快，故而温度最高。方案3、4比方案1、2最高温度高出1.5℃，主要原因是方案3、4比方案1、2在非约束区常态混凝土浇筑温度高2℃。

5 应力场仿真计算成果分析

四个方案坝体不同区域最大温度应力见表5，除长间歇面外其余部位最大温度应力均出现在运行期。

由表5可以看出：

（1）在基础强约束区碾压混凝土中，由于方案3、4基础强约束区碾压混凝土浇筑温度较高（28.0℃），最大温度应力均超过RⅢ碾压混凝土的允许抗裂应力（360天龄期的允许抗裂应力为1.35MPa），不满足混凝土重力坝设计规范要求，方案1、2最大温度应力均小于该部位碾压混凝土的允许抗裂应力。

（2）在基础弱约束区碾压混凝土中，由于方案2、4基础弱约束区碾压混凝土浇筑时未通水冷却，最大温度应力均超过RⅡ碾压混凝土的允许抗裂应力（360天龄期的允许抗裂应力为1.27MPa），不满足混凝土重力坝设计规范要求，方案1、3最大温度应力均小于该部位碾压混凝土的允许抗裂应力。

（3）非约束区碾压混凝土中，各方案的最大温度应力均小于该区域RⅠ碾压混凝土的允许抗裂应力（360天龄期的允许抗裂应力为1.20MPa）。

（4）非约束区常态混凝土中，各方案的最大温度应力均小于该区域CⅠ常态混凝土的允许抗裂应力（360天龄期的允许抗裂应力为1.80MPa）。

（5）坝段在119m高程度汛停止混凝土施工，造成长间歇面。长间歇面附近温度应力较大，尤其是长间歇面度汛冷击产生很大拉应力，各方案度汛时最大温度应力达到 1.26MPa～1.44MPa。

表3 计算方案

表4 各方案不同区域最高温度 单位：℃

表5 各方案最大温度应力 单位：MPa

6 结语

（1）溢流坝段方案1基础约束区混凝土浇筑温度为25.0℃，非约束区混凝土浇筑温度为28.0℃。混凝土浇筑后通河水冷却，通水时间为20天。冷却水管间距为1.5m×1.5m，通水流量为1.0m3/h，冷却水管长度为250m。经计算分析，溢流坝段采用上述浇筑温度和温控措施，各部位温度应力均在允许抗裂应力范围内，满足混凝土重力坝设计规范要求，而其余各方案均不满足混凝土重力坝设计规范要求，故溢流坝段方案1为推荐方案。

（2）非约束区碾压混凝土和常态混凝土中，各方案的最大温度应力均小于该区域混凝土的允许抗裂应力，为节省工程投资，非约束区碾压混凝土和常态混凝土的浇筑温度可采用30℃。

[1]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京∶中国电力出版社，1999.

[2]张国新.碾压混凝土坝的温度控制[J].水利水电技术，2007.38（6）：41～46.

[3]李守义，张金凯，张晓飞.碾压混凝土坝温度应力仿真计算研究［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

[4]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，2006.2：126～129.