某水电站拱坝温控防裂研究

徐 岩，任建钦，赵立旺，艾明明

（中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院，吉林 长春 130061）

0 引言

混凝土坝的裂缝是一个带有普遍性的问题,因此有“无坝不裂”的说法[1]。国际国内都有不少施工期或运行期出现严重裂缝，不得不停工处理的例子。有的大坝因为裂缝严重影响安全和正常使用，甚至报废[2]。在大坝裂缝事故中，除少数裂缝是因结构不合理或地基不均匀沉降引起之外，大部分是由温度应力引起[3]，尤其是施工期内的裂缝,更是如此。

某水电站大坝为双曲薄拱坝，拱冠断面底宽约15.14 m，浇筑块最大底宽23.11 m。根据以往同类工程的经验，混凝土拱坝的温控防裂问题是水工结构研究领域中的一个不容忽视的问题。为此，本文利用ANSYS大型通用有限元软件自带的ADPL二次开发功能，开发了能正确模拟各种复杂影响因素和初始边界条件的拱坝施工期温度场和徐变应力场的程序，以该拱坝为对象，研究其温控防裂措施。

1 ANSYS程序设计

坝体混凝土在分层浇筑的过程中体形不断变化，计算时可用单元生死来模拟这一过程。首先将分析类型设置成热分析，选择热单元类型，激活第一层浇筑混凝土单元，施加边界条件及水化热，进行温度场计算，这样依次循环，直至坝体浇筑完毕，流程如图1。其次，温度场计算完毕后，将热单元类型转化为结构单元，设定单元材料特性，施加边界条件，读入上述热分析结果作为温度荷载，进行热-应力耦合场分析，这样依次循环，直至坝体浇筑完毕，流程如图2。

图1 坝体温度场计算流程图

2 计算基本情况

2.1 计算模型

根据温控计算的有限元法原理和方法，建立可同时满足温度、应力两场耦合的计算模型。坐标系定义为：X轴为横河向，沿坝轴线由左岸水平指向右岸；Y轴为顺河向，由下游水平指向上游，且与坝轴线垂直；Z轴为铅直向上。采用六面体八节点等参单元，对于每一浇筑层，层厚方向分2层单元，拱坝厚度方向分5个单元，坝轴线方向每个坝段分5个单元。坝体模型划分17435个单元。温度场计算时单元类型采用SOLID70，应力场分析时，将热单元类型转换为结构单元SOLID45。

图2 坝体徐变应力场计算流程图

2.2 基本材料参数

该坝址区多年平均气温18.5℃，极端最高气温42.9℃，极端最低气温-4.0℃。根据多年月平均气温回归方程为：

坝体混凝土以C20和C25为主。C20导温系数为 0.003 m2/h，导热系数为 6.35 kJ/（m·h·℃），比热为 0.85 kJ/（kg·℃），容重为 24.2 kN/m3，线膨胀系数为5.2×10-6/℃，绝热温升为θn=29.78 t/2.58+t，弹模 E=39.2（1-e-0.22τ0.067），泊松比 0.167。C25导温系数为0.0032 m2/h，导热系数6.94 kJ/（m·h·℃），比热 0.87 kJ/（kg·℃），容重 24 kN/m3，线膨胀系数5.6×10-6/℃，绝热温升θn=38.82 t/7.2+t，弹模 E=41.2（1-e-0.2τ0.7），泊松比0.167。基岩容重 26.6 kN/m3，弹模 30 GPa，泊松比 0.21。计算时C20和C25混凝土设计抗拉强度控制为1.6 MPa。

2.3 计算工况

施工期温控措施共设计8种工况，具体如下：

工况1不采取任何温控措施；工况2采取降低入仓温度，各月入仓温度见表1；工况3采取降低入仓温度，各月入仓温度见表1。

工况4采取降低入仓温度（同工况2）和保温措施。保温措施：1～8浇筑层的上下游面和顶面采用10 cm厚的聚苯乙烯泡沫板进行保温，26～45浇筑层的上下游面采用5 cm厚的聚苯乙烯泡沫板进行保温，顶面采用10 cm厚的聚苯乙烯泡沫板进行保温。

工况5采取降低入仓温度（同工况3）和保温措施。保温措施：1～9浇筑层的上下游面采用10 cm厚的聚苯乙烯泡沫板进行保温，顶面采用5 cm厚的稻草帘进行保温和养护；10～24浇筑层顶面采用1 cm厚的稻草帘进行洒水养护；25～45浇筑层的上下游面采用5 cm厚的聚苯乙烯泡沫板进行保温，顶面采用5 cm厚的稻草帘进行保温和养护；46～48浇筑层顶面采用1 cm厚的稻草帘进行洒水养护。

工况6采取降低入仓温度（同工况2）、保温措施（同工况4）和通水冷却措施。通水冷却措施：基础约束区和岸坡约束区水管布置间距为1.5 m×1.5 m，其他部位均采用3.0 m×1.5 m，通水流量为18.75 L/min，1～2浇筑层初期通水冷却 10 d，其他各浇筑层通水冷却15 d。

工况7采取降低入仓温度（同工况2）、保温措施（同工况4）和通水冷却措施。通水冷却措施：水管布置间距均为1.5 m×1.5 m，每层浇筑混凝土的通水时间为10 d，通水流量为18.75 L/min。

工况6采取降低入仓温度（同工况3）、保温措施（同工况5）和通水冷却措施（同工况6）。

表1 各月入仓温度 ℃

3 结果分析

3.1 各工况温度场分析

各工况浇筑层最高温度沿高程分布曲线如图3。可以看出，254～266 m高程范围内，随着高程的增加，各层混凝土最高温度不断增大，说明基岩地温对底层混凝土最高温度影响较大，且随着高程的增大，基岩地温对其影响逐渐减弱。其中工况1平均最高温度最大；工况3平均最高温度最小。266～334 m高程范围内，各层最高温度相对较大，其中工况1平均最高温度最大，最高温度为64.5℃；工况8平均最高温度最小，最高温度为39.8℃。334～394 m高程范围内，各层混凝土最高温度较为稳定。其中工况4平均最高温度最大，最高温度为39.7℃；工况3平均最高温度最小，最高温度为32.3℃。总体而言，工况8所采取的措施对于降低混凝土温度最为有利，工况1最为不利。

图3 各工况浇筑层沿高程最高温度分布曲线

3.2 工况应力场分析

以坝体下游面为例，各工况浇筑层下游面点最大应力分布曲线如图4。可以看出，各工况下游面点最大拉应力相对较大,而且随着高程的增加，应力波动较大。对于工况1、工况2和工况3，由于仅采取降低底入仓温度而没有采取保温措施，下游面最大应力达到1.98 MPa，超过混凝土设计抗拉强度（1.6 MPa），有发生裂缝的可能。对于工况4和工况5，虽采取了不同的保温措施，但下游面点应力还是较大，也不同程度的超过混凝土的设计抗拉强度，相对而言工况5的保温效果较好。工况6，255～263 m高程范围内下游面应力较大，超过混凝土的设计抗拉强度（1.6 MPa）。工况7和工况8下游面应力均未超过混凝土的设计抗拉强度。

4 结论

1）本文利用ANSYS软件平台，开发的温控计算程序，计算复杂的大坝温度应力仿真问题，不仅可行，而且效果较好。

2）各工况计算结果表明，不采取任何温控措施的条件下，最高温度为64.5℃，最大拉应力2.85 MPa；采取降低入仓温度、保温和冷却通水措施下，最高温度为39.8℃，最大拉应力1.59 MPa。说明工况8方案采取的温控措施效果较好。

3）施工期，11月到翌年3月混凝土采用自然温度入仓，4月至10月入仓温度控制为不大于14℃。

图4 各工况各浇筑层下游面最大应力分布曲线

4）对于新浇混凝土，冬季，上下游面采用10 cm厚的聚苯乙烯泡沫板进行保温，顶面采用5 cm厚的稻草帘进行保温和养护。夏季，顶面采用1 cm厚的稻草帘进行洒水养护；对于“老”混凝土，冬季，上下游面采用5 cm厚的聚苯乙烯泡沫板进行保温，顶面采用5 cm厚的稻草帘进行保温和养护。夏季，顶面采用1 cm厚的稻草帘进行洒水养护。

5）采用通水冷却措施时，建议在基础约束区和岸坡约束区水管布置间距为1.5 m×1.5 m，其他部位采用3.0 m×1.5 m，冷却水管采用φ32 mm聚乙烯塑料管（PE管），在坝内按蛇行布置。

6）一期冷却通水流量不应小于18.75 L/min，以使管内产生紊流，这样水体与管壁的热交换更充分，冷却效果也更好。冷却水温不应高于11℃，通水时间不应少于15 d，在混凝土浇筑的初期，最好每12 h改变一次水流方向，尽可能降低各个断面上的坝体混凝土的水化热温升，3 d以后可每一天改变一次流向，直至通水结束。二期冷却通水，对于253～360 m高程混凝土坝体，用11℃河水先进行不少于8 d的闷温，再用6℃制冷水冷却至少56 d；对于360～394 m高程混凝土坝体，用16℃河水先进行不少于10 d的闷温，再用6℃制冷水冷却至少45 d，通水方向每24 h互换一次。

［1］朱伯芳，许平.加强混凝土坝面保护尽快结束“无坝不裂”的历史［J］.水力发电，2004，30（3）.

［2］汝乃华，姜忠胜.大坝事故与安全—拱坝［M］.北京：中国水利水电出版社，1995.

［3］陈宗卿.普定水电站碾压混凝土拱坝裂缝成因探讨［J］.水力发电，2000（1）.