碾压混凝土重力坝通水冷却仿真分析

王 琼

（广州市水务规划勘测设计研究院，广东 广州 510640）

碾压混凝土筑坝技术采用干硬性混凝土和薄层碾压方法施工，单位体积混凝土所用水泥用量较少，水化热、绝热温升也较低[1]。我国于1986年建成了第一座碾压混凝土重力坝——坑口坝以来，碾压混凝土筑坝技术得到了迅速的发展[2]。碾压混凝土筑坝技术为了发挥其连续浇筑快速施工的优点，通常无纵缝通仓浇筑或横缝间距较大，通仓薄层连续施工[1]，容易受到高气温、强烈日晒等环境因素的影响。本文以我国南方NL碾压混凝土重力坝为例，考虑通水冷却[3]，对碾压混凝土坝筑坝过程进行仿真模拟，为大坝高温季节浇筑温控防裂措施设计提供科学依据和参考。

1 基础资料

NL水利枢纽位于我国南方地区，工程等别为Ⅲ等，规模为中型水库，工程以城市供水为主，兼顾防洪、发电作用。工程建设主要内容包括大坝及其附属建筑物、电站及相应配套设施、水库管理区、进场公路等。其中，水库大坝为碾压混凝土重力坝，大坝总长389.19 m，由溢流坝段和非溢流坝段组成，最大坝高69.8 m，坝顶宽7.5 m。水库大坝为3级建筑物，按100年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核。

工程所在区域属华南亚热带湿润气候区，常年平均气温在15～25℃，5～9月为高温季节，7月份气温最高，最高气温为39℃，平均28.5℃。

工程区气温资料见表1。

表1 气温资料单位/℃

根据拟定的进度计划，碾压混凝土重力坝拟定于11月开始基础部位混凝土浇筑，次年10月浇筑到坝顶高程。整个施工过程无法避开高温季节，若不采取相应温控措施，坝内温度将高达40～50℃，于坝体温控防裂不利。

根据坝址区气温条件，结合已建工程相关经验，本文拟定混凝土浇筑温度和通水冷却方案如表2。拟定本工程通水冷却采用HDPE塑料水管进行通水冷却，水管间距为1.5 m×1.5 m；利用河道来水进行通水冷却，高温季节取河道底层水或者加冰冷却水，控制冷却水温度不高于18℃；通水冷却约15～20天，流量约0.8～1.2 m3/h，每24小时交换一次通水方向。

表2 各月浇筑温度及通水温度控制 单位/℃

2 仿真计算分析

根据碾压混凝土坝设计资料，本文温度场及应力场三维有限元仿真计算模型如图1所示。其中建基面以下基岩厚度及坝轴线上、下游侧顺河向范围取1.5～2倍坝高。混凝土与基岩采用空间8节点等参实体单元，整个计算域离散为11682个节点、8800个单元，其中坝体部分10852个节点、7300个单元。有限元计算坐标系定义：X轴为顺河向，由上游水平指向下游；Y轴为铅直向上；Z轴为横河向，沿坝轴线由左岸水平指向右岸。

坝体碾压混凝土热力学参数及基岩参数，见表3。

表3 碾压混凝土热力学参数及基岩参数

温度场计算中，所取基岩的底面及4个侧面为绝热面，基岩顶面与大气接触的为第3类散热面，坝体上下游面、顶面、均为散热面。

应力场计算中，所取基岩底面三向全约束，左右侧面及上下游面为法向单向约束，坝体的三个侧面及顶面自由。考虑自重及温度荷载。仿真分析结果如图3～8：

图2 最高温度包络图（℃）

图3 施工期顺河向最大应力包络图（MPa）

图4 施工期横河向最大应力包络图（MPa）

图5 内部特征点温度历程曲线

图7 内部特征点顺河向应力历程曲线

图8 表面特征点横河向应力历程曲线

分析以上图表：

（1）混凝土浇筑以后，在水化热作用下温度迅速升高到最高值，随后在通水冷却作用下温度降低。坝段最高温度发生在EL168 m高程左右，主要是因为该部位混凝土在6～7月高温季节连续浇筑，且坝体相对较厚。通水冷却之后，内部混凝土在残余水化热作用下，温度再次回升约1～2℃。由图5～6也可以看到，EL148.5 m、EL167.5 m高程，内部混凝土后期温度受气温影响呈余弦波动变化，高程越高，坝体越薄，受气温影响越大，余弦波动越明显。而混凝土表面温度，在通水冷却之后随气温变化而变化。总体而言，坝体最高温度为34.8℃，通水冷却有效降低坝体温度。

（2）混凝土浇筑后温升膨胀，在约束作用下产生压应力，随后通水冷却使得混凝土冷却收缩，进而产生拉应力。混凝土内部顺河向最大应力（最大应力约0.75 MPa）发生在通水冷却之后，表面横河向最大应力发生在浇筑完成后的第一年冬季。总体而言，混凝土内部顺河向拉应力水平较低，而表面横河向应力水平相对较高，故建议实际工程中应注意做好坝体表面冬季保温措施。

3 结论

根据仿真计算结果，在采取通水冷却措施后，坝体温度得到有效控制，坝段应力水平也并不是很高（最大应力约0.75 MPa），但根据应力历程曲线来看，建议实际工程中应注意做好坝体表面冬季保温措施。