外掺氧化镁拱坝温控仿真分析及横缝设置研究

孔令梅，周仕刚

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳550002)

外掺氧化镁拱坝温控仿真分析及横缝设置研究

孔令梅，周仕刚

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳550002)

基于现阶段条件下的混凝土热力学参数及温控措施，考虑气温、混凝土性能随龄期的变化及MgO的膨胀性等因素，采用三维有限元法对鱼粮水库拱坝的温度场进行仿真计算分析，计算结果表明，坝体混凝土在自然入仓、冬季保温的情况下，无需采取其它温控措施，通过对比不分缝方案及分缝方案，说明设置诱导缝可改善坝体应力分布情况。通过改变缝的位置更加有利于释放大坝温度应力，且各部位应力均能满足规范要求。

拱坝；外掺MgO；温度场；应力场；分缝方案；优化

外掺MgO微膨胀混凝土筑坝技术是指在大坝混凝土制造时加入适量的MgO，利用其特有的延迟微膨胀性能补偿混凝土坝的收缩和温度变形，达到防裂的目的。该技术已成功运用于国内许多中、小型水电工程中，是国内外筑坝技术的重大创新和突破，对提高混凝土坝的施工速度、坝体质量和经济效益具有明显作用。在长沙拱坝采用全坝外掺MgO混凝土不分横缝[1]，进行仿真分析得知坝体应力的改善。在鱼简河拱坝的仿真分析中[2]得出高RCC拱坝即使掺适量MgO补偿温降引起的收缩，仍需要分缝，以避免裂缝产生。上述研究提出了在拱坝设计中通过设置横缝释放坝体应力，缓解坝体的较大拉应力区，以防止裂缝产生，但在横缝设置的研究过程中较少能够将MgO膨胀补偿性及其横缝设置进行综合考虑，无法结合真实的混凝土热力学参数及坝体施工过程对横缝设置进行仿真分析。

鉴于此，本文采用ANSYS大型有限元软件对全坝混凝土外掺MgO的鱼粮拱坝分别对无缝及不同分缝方式进行仿真分析。考虑不同区域的混凝土热力学参数，施工过程气候环境的复杂性，动态模拟混凝土施工全过程，拟定大坝的温控标准。并考虑诱导缝及MgO膨胀补偿性的整体拱坝温度场及应力场来进进行仿真分析，对不同的分缝方案作出综合评价和对比分析，优选鱼粮水库拱坝合理的分缝方案和温控措施。

1 计算原理

1.1 温度场计算原理

根据热量平衡原理，可导出固体热传导基本方程：

初始条件:T=T0（x,y,z）

第一类边界条件：已知边界上的温度分布：T=TS

式中：αx=λx/cρ、αy=λy/cρ、αz=λz/cρ为混凝土的导温系数;λx、λy、λz为混凝土在x、y、z方向上的导热系数；θ为材料的绝热温升; hf为对流换热系数;Tf为物体周围的流体温度;TS为物体表面的温度；T为混凝土的温度。

将求解区域R划为有限个单元Ωe，引入单元形函Ni，则单元内任意点的温度可由构成单元m个节点温度插值：

1.2 温度应力计算原理

混凝土在复杂应力状态下的应变增量主要由弹性应变增量、徐变应变增量、温度应变增量、自生体积变形增量以及干缩应变增量等构成，即：

式中：D軍n为弹性矩阵；△εn为节点位移引起的单元应变增量。

2 计算模型及条件

江口县鱼粮水库位于贵州省铜仁地区江口县英溪河下游，大坝为双圆心双曲拱坝，最大坝高48 m，坝顶高程454 m，坝底高程406 m，坝轴线长134.477 m，坝顶厚3.5 m，坝底厚度11 m。

大坝整体三维有限元模型如图1、图2所示，其中建基面406 m高程以下基岩厚度约1.5倍坝高，坝轴线上、下游侧顺河向范围约1.5倍坝高。采用8节点等参实体单元对混凝土与基岩进行离散。

图1有限元剖面图

坝体主要采用90天龄期C20外掺MgO5.0%的四级配混凝土，粉煤灰掺量为30%。根据观音岩碾压混凝土绝热温升试验资料，采用双曲线公式拟合试验数据，得到混凝土绝热温升试验结果如表1，混凝土热学参数如表2，混凝土力学参数如表3。

图2坝体有限元模型

表1 碾压混凝土绝热温升试验结果

表2 碾压混凝土热学参数

表3 碾压混凝土力学参数

3 混凝土温度控制标准研究

3.1 混凝土应力控制标准

根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）的规定，其应力控制标准按式下确定：

式中：σ为各种温差所产生的温度应力之和，εp为混凝土极限拉伸值，Ec为混凝土弹性模量，Kf为抗裂安全系数，本工程采用1.65。

根据表3混凝土力学性能参数，计算了大坝混凝土的允许水平拉应力，见表4。

表4 大坝混凝土允许拉应力

3.2 允许最高温度

综合规范要求和基础温差应力的计算，拟定不同设计龄期的混凝土在典型坝段的基础容许温差。根据溢流坝段稳定温度场计算成果和温差控制标准，拟定大坝不同部位的混凝土允许最高温度控制标准见表5。

表5 大坝允许最高温度单位：℃

4 大坝温度分布及优化分缝方案研究

为了对坝体温度分布情况及坝体分缝方案等进行研究，本章对鱼粮拱坝进行了温度场及应力场的仿真计算，计算中根据具体情况分别考虑了不分缝方案、初始分缝方案及优化分缝方案。在温度场及温度应力场的仿真计算中，考虑坝体混凝土采取自然入仓方式浇筑，除冬季保温外不采取其他温控措施，模拟实际大坝体型、孔口布置，施工进度及环境条件。

4.1 施工期坝体温度场仿真计算

根据最高温度包络图可知，在不采取骨料预冷及通水冷却的情况下，拱坝内部最高温度随浇筑高程的上升而上升，主要是因为高程越高，其浇筑时刻的平均气温越高，浇筑温度也越高。坝体最高温度主要发生在高程EL435 m以上，最高温度在32.7℃~33.8℃左右。

由于浇筑时间主要集中在低温及次高温月份，因此坝体混凝土在自然入仓、冬季保温，除此之外不采取任何其他温控措施的情况下，各区域混凝土最高温度均能满足最高温度控制标准。4.2无缝方案施工期坝体温度应力

根据施工期坝体的第一主应力包络线图可知，由于拱坝在坝肩部位的约束很强，在坝肩部位会比较容易产生应力集中现象。高程442 m~454 m混凝土由于在气温较高时段浇筑，最高温度约达到32℃~33℃，此后受外界气温较影响，在冬季逐渐降至最低，与此同时应力也达到最大，左右坝肩处冬季最大拉应力约达到2.0 MPa~2.4 MPa。坝肩较大范围超过90 d龄期施工期温度应力控制标准值1.81 MPa。

在未分缝方案下，拱坝整体横河向尺寸过大，整体约束非常强烈，左右岸坝肩处较大范围应力超过相应龄期施工期温度应力控制标准。下游面408 m高程附近约束区混凝土应力也偏大，接近施工期最大拉应力标准值。因此有必要对大坝采取合理的结构分缝措施，从而减小拱坝横河向长边尺寸，缩小约束区范围，使得大坝施工期超标拉应力得到有效的释放。

4.3 初步分缝方案坝体施工期应力

初步分缝方案拟定为在溢洪道两侧设置诱导缝。初步分缝方案下，高程442 m~454 m坝肩处冬季最大拉应力约达到1.5 MPa~1.9 MPa。坝肩部位局部地区略微超过90 d龄期施工期温度应力控制标准值1.81 MPa，较不分缝方案有较为明显减小。坝肩处其他地方的拉应力最大值约为0.9 MPa~1.4 MPa，均满足施工期应力控制标准。

4.4 优化分缝方案坝体施工期应力

优化分缝方案是在分缝方案的基础上对缝的位置进行适当调整，分别将两条诱导缝向左右岸坝肩方向调整，从而减小陡坡坝段横河向尺寸，具体位置见图3。图4给出了优化分缝方案施工期坝体的第一主应力包络图。

以上结论表明，优化分缝方案较初设分缝方案更能有效释放大坝的超标应力，防止了大坝其它部位随机无序裂缝的产生，保证大坝的安全；横缝释放超标应力后，大坝其它部位的主拉应力基本小于施工期的允许应力，且应力分布更为均匀。

图3坝体优化分缝方案示意图

图4优化分缝方案最大第一主应力包络图

5 结论

（1）根据温度场仿真结果可知，坝体混凝土在自然入仓、冬季保温的情况下，各区域混凝土最高温度均能满足最高温度控制标准，故无需采取其它温控措施。

（2）通过不分缝方案及分缝方案的应力分析及对比，对于不分缝方案，由于拱坝整体横河向尺寸过大，整体约束非常强烈，左右岸坝肩处较大范围应力超过相应龄期施工期温度应力控制标准。下游面408 m高程附近约束区混凝土应力也偏大，接近施工期最大拉应力标准值。在设置2条诱导缝以后，约束区408 m高程附近及坝肩处442 m~454 m高程范围内应力较大部位混凝土拉应力均得到明显改善，说明设置诱导缝能够在一定程度上改善坝体应力分布情况，有效释放应力集中区域应力。但初始设缝方案算得施工期温度应力在高程442 m~454 m坝肩处最大应力仍略大于施工期允许拉应力控制标准。

（3）采用优化分缝方案，计算得最大拉应力为1.4~1.8 MPa，发生在高程444 m~454 m高程上下游表面坝肩附近，满足施工期允许拉应力控制标准1.81 MPa，相应的内部碾压混凝土最大拉应力为1.4~1.7 MPa，亦满足应力控制标准。

该结果表明修改后缝的位置更加有利于释放大坝温度应力，且各部位应力均能满足规范要求。因而可以认为该分缝方案是一种可行的、安全的、合理的结构分缝方案。

[1]罗小青,张国新,金峰,刘振威.外掺MgO混凝土不分横缝快速筑拱坝仿真分析[J].水力发电学报,2003,2:80-87.

[2]张国新,罗健,杨波,陈大松.鱼简河拱坝的温度应力仿真分析及温控措施研究[J].水利水电技术.2005,36(5):26-29

Temperature Control Simulation Analysis of Outside Magnesium Oxide Arch Dam and Its Transverse Joint Set&Research

Kong Lingmei,Zhou Shigang，Guizhou provincial
（Guizhou provincial water resources and hydropower surveyand design institute,Guiyang550002,Guizhou）

Based on the thermodynamic parameters of concrete and the temperature control measures under the current conditions with thinking of the temperature,the concrete performance changing with it’s the time going and the expansion of Mgoand soon,the temperature field of the arch dam of the fish grain reservoir is simulated and analyzed by three-dimensional finite element method.Its results showthat the stress distribution of the dam can be improved by setting the induced seam by comparing the non-joint scheme and the sub-jointing scheme in the case of natural storage and winter insulation.By changing the position of the seam is more conducive to the release of the dam temperature stress,and the stress of all parts can meet the specification requirements.

The arch dam,outside mixed MgO,the temperature field,the stress field,the joint scheme and tooptimize

TV431

B

1673-9000（2017）03-0104-03

2017-02-15

孔令梅（1976-），女，布依族，贵州都匀人，高级工程师，主要从事水利水电工程建筑设计工作。