碾压混凝土拱坝温度应力场仿真研究

张晓飞，顾冬冬，简　威，丁陆军

(1.西安理工大学 水利水电学院， 陕西 西安 710048; 2.四川建筑职业技术学院， 四川 德阳 618000)



碾压混凝土拱坝温度应力场仿真研究

张晓飞1，顾冬冬1，简威1，丁陆军2

(1.西安理工大学 水利水电学院， 陕西 西安 710048; 2.四川建筑职业技术学院， 四川 德阳 618000)

拱坝是固结于基岩的空间壳体结构，体型较为复杂。针对拱坝易存在的温度裂缝问题，结合碾压混凝土拱坝的施工特点及进度计划，采用三维有限元浮动网格法进行温控仿真研究计算。计算结果表明：在高温月份控制碾压部位坝体混凝土的入仓温度，对不同区域碾压的混凝土进行初期、中期和后期冷却，最大温差和最大应力均可满足拱坝温控设计要求。计算结果为预防坝体混凝土开裂提供了重要理论依据。

碾压混凝土拱坝；温度场；温度应力；有限元浮动网格法

碾压混凝土拱坝是水利工程建设中最常用的坝型之一，具有施工速度快、机械化程度高、造价低等优点[1]。温度荷载是拱坝设计中的一项主要荷载。由于拱坝是固结于基岩的空间壳体结构，坝体结构无法随温差的变化而自由伸缩，所以在坝体内极易产生较大的温度应力，因此对碾压混凝土拱坝进行温控仿真研究对预防坝体开裂具有重要的理论指导意义[2-4]。国外的碾压混凝土温度应力场研究主要以美国的有限元时间过程法和日本的约束系数矩阵法为代表，但其计算所得应力结果与实测结果相差较大。在国内，朱伯芳院士提出了并层复合单元、并层坝块接缝单元、分区异步长解法、浮动网格法等[5-8]，减少了计算量，提高了计算速度和效率。本文以某实际工程为例，采用浮动网格法分析了不同温控措施对坝体温度应力的影响，在保证计算精度和效率的同时提出了合理可靠的温度控制方案。

1　工程概况

某碾压混凝土拱坝体型采用抛物线双曲拱坝，坝顶高程为1 054.7 m，坝底高程978 m，最大坝高76.7 m，坝顶宽7 m，坝底厚20 m，坝底宽高比2.59，厚高比0.26，上游面最大倒悬度0.18，下游面最大倒悬度0.20。该工程总库容646.45万m3，工程等别为Ⅳ等，工程规模为小(1)型。

2　计算原理与方法

在计算域R内任意一点，非稳定温度场T(x,y,z,τ)需满足以下热传导方程[9]

(1)

式中：α为导温系数；θ为混凝土的绝热温升。

应力随时间变化，那么在时段Δτn内，总应变增量通过下式计算[10-11]：

(2)

3　计算参数

据气象站气温统计资料，工程坝址区1961年—2011年综合月平均气温见表1。

材料分区：(1) 基础垫层需满足强度要求，故选取C20常态混凝土； (2) 底孔、溢流表孔部位需满足耐磨、耐冲等要求，故均选取C25常态混凝土； (3) 坝体上游侧需满足防渗、防冻等要求，故选取二级配碾压混凝土材料；坝体内部及下游侧需满足稳定、强度等要求，故选取三级配碾压混凝土材料。各材料热力学实验参数如表2所示。

表1　1961年—2011年坝址区多年月平均气温

表2　各材料热力学实验参数

从2015年12月1日开始浇筑底板2.0 m厚常态混凝土，2015年12月11日至2016年1月10日进行基础固结灌浆。碾压混凝土的开浇时间为2016年1月11日，至2016年4月30日浇筑至1 010.0 m高程。2016年5月至2016年9月因高温及度汛停止大坝混凝土浇筑。2016年10月1日恢复碾压混凝土浇筑，至2017年4月30日，坝体浇筑至设计高程1 054.7 m。施工计划见表3。

4　计算模型

采用ANSYS有限元计算软件，考虑到地基对温度场和温度应力场的影响，取拱坝整体作为温控仿真计算模型。坐标原点为拱冠梁剖面坝顶中心点，X方向为左右岸方向，指向右岸为正；Y方向为水流方向，向下游为正；Z方向为坝高方向，向上为正。地基与坝体均选取8节点solid45单元进行网格剖分，坝体与地基整体计算模型共有57 956个单元，拱坝坝体计算模型共有36 737个单元。计算模型见图1～图2。

表3　施工计划

温度场计算边界条件的选择[12-13]：水位以下为固-水边界,按第一类边界条件处理。坝体上游面、下游面在水位以上为固-气边界，按第三类边界条件处理。绝热边界为地基底面及地基、坝肩的各个侧面。

图1　整体计算模型图

图2坝体计算模型图

温度应力场计算边界条件的选择：X方向约束为整体计算模型的左右岸两个侧面；Y方向约束为整体计算模型的上下游两个侧面；地基底面按固定约束处理[14-15]。

5　计算方案

方案1：该方案采取自然入仓且温度小于18℃。当月平均气温加2℃小于等于18℃时，浇筑温度采用月平均气温。

方案2：该方案对4月和10月浇筑的大坝混凝土部位采取初期通水冷却措施，通水温度为当地河水温度，通水持续时间为15 d，大层浇筑完即刻通水；对3月到4月以及10月—11月碾压的大坝混凝土区域进行中期通水冷却；对整个坝体采取后期通水冷却措施。浇筑温度与方案1相同。

6　温度场计算结果分析

方案1和方案2施工期2016年6月01日拱冠梁中心剖面温度云图如图3和图4所示，方案1和方案2温度场计算结果对比见表4。

图3　方案1施工期2016年6月01日拱冠梁剖面温度云图(单位：℃)

图4方案2施工期2016年6月01日拱冠梁剖面温度云图(单位：℃)

表4　方案1和方案2温度场计算结果对比表

从温度场计算成果可以看出：

(1) 在强约束区碾压混凝土(高程978.0 m～992.0 m)范围内，方案1和方案2最高温度均为25.19℃，小于该部位的容许温度28.0℃。

(2) 在弱约束区碾压混凝土(高程992.0 m～906.0 m)范围内，方案1最高温度为33.9℃，大于容许最高温度30.5℃。方案2最高温度为29.9℃，小于容许最高温度30.5℃。

(3) 在非约束区碾压混凝土(高程906.0 m～954.7.0 m)范围内，方案1最高温度为34.1℃，方案2最高温度为30.01℃。方案2最高温度比方案1低4.09℃，主要是方案2对4月和10月浇筑的部位采取了初期通水措施，有效降低了坝体内部最高温度。

7　应力场计算结果分析

拱坝拱冠梁剖面方案1、方案2碾压混凝土温度应力最大值见表5。

表5　方案1、方案2碾压混凝土温度应力最大值表

从温度应力场计算成果分析得出：

(1) 碾压混凝土的最大应力出现在长间歇面1 010 m高程附近。坝体表面最大应力出现在低温季节2017年2月1日，坝体内部最大应力出现在高温季节2017年8月1日，坝体应力符合一般分布规律。

(2) 方案1碾压表面混凝土最大应力为1.48 MPa，碾压内部混凝土最大应力为0.87 MPa；方案2碾压表面混凝土最大应力为1.35 MPa，碾压内部混凝土最大应力为0.85 MPa；方案2坝体表面的最大温度应力比方案1减小0.13 MPa，坝体内部的最大温度应力比方案1减小0.02 MPa。

(3) 方案2采取了控制浇筑温度和通水冷却两种温控措施，计算得出的最大温度应力值均有所减小，故方案2为碾压混凝土拱坝温控推荐方案。

8　结　语

(1) 对方案1、方案2温控仿真计算结果对比分析可以得出：控制高温月份碾压混凝土的浇筑温度，且对不同碾压部位的混凝土进行通水冷却，最高温度和最大应力均可满足温控设计要求。

(2) 通水冷却是降低坝体内部最高温度值的有效措施之一,水管仿真模拟时对通水冷却效果进行了简化，忽略了水管水温变化以及混凝土表面散热的影响，不符合具体工程实际。因此建立合理的冷却水管仿真计算模型是接下来需要解决的重点难题。

(3) 温控措施设计除了要能满足规范要求，还应考虑工程造价，因此在提出温控措施要求的同时还需用工程造价进行优化方案的比选。

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Simulation of Roller Compacted Concrete Arch Dam Temperature Stress Field

ZHANG Xiaofei1, GU Dongdong1, JIAN Wei1, DING Lujun2

(1.FacultyofWaterResourcesandHydraulicPower,Xi'anUniversityofTechnology,Xi'an,Shaanxi710048,China；2.SichuanCollegeofArchitecturalTechnology,Deyang,Sichuan618000,China)

Arch dam is a space shell structure which is consolidated on the foundation, its shape is more complicated. In consideration of the temperature cracking of a roller compacted concrete (RCC) arch dam, we have adopted the three-dimensional finite element calculation in the process of temperature and stress field simulation and simulated the concrete dam construction process and feature of temperature and stress field simulation. This results are as follows: for the site of pouring in hot season, the pouring temperature should be controlled. Meanwhile, cool the concrete in different regions at early, medium and late term respectively, with the maximum temperature and stress meeting the design specifications of temperature control of arch dam. This research can provide significant foundation for the prevention of concrete cracking.

roller compacted concrete gravity dam; temperature field; temperature stress; three-dimensional finite element method

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.019

2016-01-01

2016-02-20

国家自然科学基金项目(51479168)；四川省科技计划项目(2015JY0035)

顾冬冬(1992—)，男，江苏邳州人，硕士研究生，研究方向为拱坝温度应力场仿真计算与分析。 E-mail: 635922404@qq.com

TV642.4

A

1672—1144(2016)04—0093—04