寒冷干旱地区高碾压混凝土坝温度及温度应力场时空分布规律研究

孙启冀，侍克斌，张磊

（新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052）

寒冷干旱地区，夏季炎热干旱，冬季漫长寒冷。一方面较低的年平均温度（5℃左右），造成了较低的坝体稳定温度场，使得坝体基础温差亦较大，增大了坝体深层裂缝和贯穿性裂缝产生的可能性。另一方面较大的年气温变幅（可达40℃以上）和强烈且频发的寒潮（全年各月都有发生），都极易引起表面裂缝。由于以上不利的气候条件，以及坝体结构型式、施工方法和温控措施与一般地区的混凝土坝不同，使得在寒冷干旱地区修建的碾压混凝土坝在温度场和温度应力场时空分布规律方面具有独特的特点，因此有必要深入研究。

1 计算原理

1.1 大坝温度场分析原理

根据热传导理论，大坝温度场T（x，y，z，τ）在其求解域内应满足固体热传导基本方程：

式中，T为温度函数；a为导温系数；θ为混凝土的绝热温升。

为求出唯一解答，还必须同时满足初始条件和边值条件。

1）初始条件：

2）边值条件：

第一类边界条件，大坝表面温度是时间的已知函数，即T（τ）=f（1τ），当水库蓄水后，与水接触的坝体表面温度等于水库水温；

1.2 大坝应力场分析原理

采用增量法来计算坝体应力场，为了计算的协调，应力场计算的步长需与温度场计算的步长取值相同，则任意时段Δτn内产生的总的应变增量为：

总的应变增量{Δεn}可根据分析的要求由不同的项目组成，一般可由常规荷载作用引起的弹性应变增量{Δε}、温度作用引起的温度应变增量{Δε}、混凝土的徐变应变增量{Δε}、干缩应变增量{Δε}和自生体积变形增量{Δε}组成，即

加载本计算时段内温度、徐变等的单元结点荷载增量后，进行单元集成形成整体刚度矩阵，即可得到整体的平衡方程为：

求解平衡方程后，可得时段[τn－1，τn]内的位移量，由此可求出应力增量[Δσn]，于是可得τn时刻的总应力为：

2 仿真计算的主要过程

利用ANSYS平台进行二次开发，主要解决混凝土弹性模量随龄期变化、徐变本构模型的嵌入、水管冷却等问题，构成较为成熟的大体积混凝土温度与应力全过程仿真软件。

首先是建模，生成有限元模型后型进行浇注单元组件、散热面节点组件的标注；之后进行温度场的仿真，边界条件、荷载和施工条件定义完成后，计算程序在仿真过程中可根据计算进程，自动确定混凝土单元的激活、加载气温时程、水温时程，散热面的开启和闭合等；然后是应力场的仿真，按照施工过程进行单元激活、加载自重、加载水压，温度荷载则由温度仿真计算结果予以赋值；最后进入后处理模块，用户可方便地得到需要的结果。

3 工程实例

3.1 工程概况

新疆北部山区某碾压混凝土重力坝最大坝高123.5 m。地处西北寒冷干旱地区，年平均气温仅4.46℃，最冷月（1月）月平均最低气温为－19.6℃，最热月（7月）月平均最高气温为23.02℃，相差达42.6℃，并时有寒潮发生，温度应力作用突出，温控防裂难度极大。因此，该坝具有相当的典型性，可以很好地代表在寒冷干旱地区修建的碾压混凝土坝的温度应力状态。

3.2 计算条件

大坝每年4月初到10月底为混凝土浇注施工时间，11月初至下一年3月底因冬季低温停止浇注混凝土。采用薄层通仓（切缝机造横缝）方式浇筑碾压混凝土，0.3 m为一个碾压胚层，连续上升5个胚层后间歇，计算中采用1.5 m作为一个浇筑层。本文重点对最大坝高坝段（27号挡水坝段）进行了施工期三维仿真分析，计算模型如图1所示，具体的计算条件从略。

图1 27号挡水坝段有限元网格图Fig.1 Finite element meshes of the 27#dam and foundation

3.3 计算结果及分析

3.3.1 温度场结果及分析

选取了4个典型时刻的温度场等值线图（坝段中间截面），见图2。由图2（a）、2（c）两图可以看出，低温季在未对坝体进行保温的情况下，坝体表面附近区域温度梯度极大同时表面温度极低，最低可达－18℃，这对坝体防裂是极为不利的。主要是因为冬季气温很低（最低可达－30℃），又未对坝体进行保温的原因，因此，坝体表面必须采取适当的保温措施，不至于使混凝土表面温度过低。由图2（b）、2（d）两图可以看出，冬歇期后大坝开盘时，混凝土表面温度很低（局部会低于0℃），而新浇注的混凝土温度较高（可达30℃以上），形成了较大的上下层温差和内表温差，温度梯度极大，会产生较大的温度应力，对防裂不利，因此要特别注意越冬层面的保温工作。

图2 27号坝段施工过程温度场等值线图（单位：℃）Fig.2 Temperature fields of 27#segment during the construction

3.3.2 应力场结果及分析

通过对27号坝段温度应力的仿真分析，最明显的是低温季节坝体越冬层上下游部位的铅直向拉应力严重超标（具体数值可见表1），结果是出现危害性严重的上游水平裂缝。较大的上下层温差和内表温差是造成较大拉应力的主要原因，而通过表面保温可降低较大的温差，所以，应采取有效的坝体保温措施，特别要注意越冬层顶面和棱角部位的保温，可很大程度地减小拉应力值。

表1 27号坝段越冬层面上下游各时刻铅直应力计算结果Tab.1 The vertical stress of the over-w inter layer for 27#segment MPa

4 结论

通过对寒冷干旱地区典型工程的温度场、温度应力场时空分布规律的研究，可得出以下主要结论。

1）由于特殊的气候条件和施工方式，在水压力、自重、温度、及混凝土徐变等诸多荷载作用中，由温度荷载因起的温度应力占主导地位。

2）恶劣的气候条件、冬季长停歇式的施工方法和不同的温控措施，使寒冷干旱地区碾压混凝土坝，在越冬层上下游面附近出现明显应力集中现象。

3）表面保温对削减大坝上下游表面温度应力效果明显。其中越冬面及上、下游棱角部位的保温需更加加强，保证越冬面附近混凝土温度不要降得太低，就可有效削减上下层温差和内外温差，减小越冬面上、下游铅直拉应力和越冬面顶部水平拉应力，对防止坝体裂缝有很大积极作用。

在寒冷干旱地区修件碾压混凝土坝，温控的关键是通过合理安排施工进度，充分利用低温季节（4月、5月、10月）和高温季节（6—9月）的低温时段（夜间）浇筑混凝土，结合适当的温控防裂措施，保证工程优质、快速的建成。

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