碾压混凝土重力坝施工分层厚度分析

王建魁，李 朋

（中国水利水电第三工程局有限公司，西安710024）

碾压混凝土的施工是一种快速高效的筑坝技术。大体积混凝土施工后，在运行阶段容易出现裂缝，为了将裂缝控制在允许范围或规避，可以采取分层施工厚度[1]。在施工过程中，加大铺筑层的厚度，减少分层数量，可以体现碾压施工快速高效的优点，但是由于混凝土块过大，温度升高过快，易产生温度裂缝[2-3]。因此设置合理的分层度，对于施工意义重大。

20世纪30年代，美国胡佛大坝的建设，标志着我们开始对大体积混凝土温度应力进行研究[4]。当时采用相关部门为了控制温度裂缝，采取分层施工设计[5]。80年代日本学者采用ADINA对碾压混凝土分层施工厚度的坝体进行有限元研究[6-7]。我国朱伯芳院士建立了温度应力控制方面的理论体系[8]。20世纪中期他又提出了“并增算法”，看算法使浇筑层从分层计算进化到并层计算，随后又进行过优化提出了温度应力的分区异步长算法[9-12]。西安理工学者提出了“三维有限元浮动网格法”[13-14]，其他学者结合国内的先进方法进行总结学习，我国在分层施工控制温度应力方面有了长足进步[15-17]。本文以某碾压混凝土重力坝为研究对象，结合坝体特点，利用ANSYS软件热分析模块，对研究对象进行不同施工分层厚度进行温度场模拟研究，确定出合理分层厚度。

1 模型建立

重力坝坝高123m，总碾压混凝土量39.98万m3，根据安排高峰期浇筑强度3.23万m3。大坝有挡水坝段、溢流坝段、中孔坝段和引水坝段等几部分组成，坝顶长179m。本次选取计算模型为挡水坝段的一个典型坝段，A，B，C为3个不同高程特征点，如图1。

图1 计算坝段剖面图

流域多年平均水温17.8℃，最高气温39.8℃，最低气温-4.6℃，根据经验定坝基计算温度17.8℃，库底水温8.0℃。上游正常蓄水位1551.00m，校核水位1552.62m，死水位1513m。

坝体材料采用C20和C25混凝土。不同混凝土的绝热温升计算如公式（1）、（2）、（3）：

C15碾压混凝土：

式中 θ为绝热温升；t为混凝土温度（℃）。

混凝土弹性模量计算如公式（4）：

为了模拟真实施工过程，坝体根据实际分层建模。

在坝体网格采用结构化网格和非结构化网格混合使用，且网格比较密集；地基采用结构化网格，采用sweep扫略法进行划分，网格尺寸较大。

基岩建模尺寸选取上、下游、垂向均为1倍坝高，网格总数21045个，节点数64566个。

坝体与水接触面为第一类边界条件，坝体与空气接触面为第三类边界条件，坝段之间接触面及基岩之间绝热，坝体周围设置绝热。

图2为计算坝段有限元模型，其中X方向以顺水流方向为正，Y方向以右岸为正，Z方向以垂直向上为正。

图2 计算坝段有限元模型

碾压混凝土重力坝最优施工厚度指在满足温度控制标准要求前提下的最大分层厚度。

最优分层厚度如公式（5）、公式（6）表示：式中 B为分层厚度；ΔT1，ΔT2，ΔT3分别为基础温差、内外温差、上下层温差；ΔTf为规范规定温差。

本文选择施工分层厚度如表1。针对4种工况进行施工期温度场及应力分析。

表1 不同工况施工分层厚度

2 计算分析

不同工况的施工工期分别为702，497，421，378d。

2.1 施工过程温度分析

竣工后坝体温度分布如图3。

图3 不同分层厚度坝体温度

在相同浇筑厚度下，坝体温度随着高程增加逐渐升高，最高温度出现在坝顶。根据不同浇筑厚度坝体温度分布不同，最高温度分别为：30.6，33.03，35.33，37.63℃，浇筑厚度越大，坝顶最高温度越大。为方便研究在坝体选取不同高程点对整个施工过程温度变化进行检测，如图4。

图4 不同分层厚度温度变化曲线

由图4可知，A高程点在施工过程的温度变化规律为正弦分布；B，C高程点温度变化规律类似，前期变化幅度较大，迅速升高，随后温度逐渐趋于稳定。3个曲线图均说明随着分层厚度的增大，同一位置点的温度逐渐升高。

2.2 施工过程应力分析

不同分层厚度对应特征点在施工过程中应力变化关系曲线如图5。

图5 不同分层厚度特征点应力变化曲线

从图5可知，在A特征点应力变化和温度变化规律类似呈现正弦分布，应力大小区分不明显；B特征点处应力变化与对应温度变化不一样，先出现迅速的增大，达到最大值后出现突然下降，然后在一个范围内波动。分层厚度0.35m时的应力峰值最大，在最后稳定波动期内分层厚度0.2m时应力较大；C特征点的分布规律为分层厚度0.2m时先迅速增大，然后出现突降，最后趋于稳定，其他厚度应力分布规律与对应温度变化类似。不同分层厚度特征点应力最大值如表2。

表2 不同分层厚度第一主应力最大值 单位：MPa

当分层厚度为0.2m和0.3m时，各特征点的第一主应力最大值均在材料承受范围内。当分层厚度为0.35m和0.4m时，B特征点处第一主应力最大值分别为1.90，2.33MPa，超过混凝土抗拉强度会产生裂缝。

2.3 施工分层厚度优选

根据公式 （5）、（6）对4种不同工况进行温差分析，分别对基础温差、内外温差和上下层温差进行比较，选取具有代表性2月份和8月份不同分层进行对比分析，如表3～表5。

表3 基础温差比较 单位：℃

表4 内外温差比较 单位：℃

表5 上下层温差比较 单位：℃

根据重力坝的温度控制相关要求，强约束区的基础温差12℃，弱约束区的基础温差取14.5℃。6，7，8层靠近坝基为强约束区，23，24，25层靠近坝顶为弱约束区。根据表3可知，分层厚度为0.2m和0.3m时，基础温差最大基础温差分别为11.87，11.96℃，均满足要求；分层厚度为0.35，0.4m时，最大温差分别为14.32，16.43℃，不满足要求。

控制内外温差来防止出现表面裂缝，根据标准要求：基础约束温差20～22℃，基础约束范围外温差23～25 ℃。6，7，8层为基础约束，温差范围20～22 ℃；23，24，25层温差范围23～25℃。 根据表4可知，分层厚度为0.2m和0.3m时，最大温差分别为13.47，14.34℃，满足要求。分层厚度为0.35m和0.4m时，在基础约束区最大温差分别为24.26，24.43℃，不满足要求。

上下层温差主要防止混凝土内部出现裂缝，控制范围为15～20℃。根据表5可知，4种分层厚度的内外温差均在规定范围内，满足要求。

在基础温差、内外温差和上下层温差及坝体应力的约束下，只有分层厚度0.2m和0.3m满足。考虑到两种工况的施工时间分别为702，497d，工程施工中工期也是很重要的一项指标，因此推荐分层厚度为0.3m，即O（B）=0.3m。

3 结语

（1）坝体温度随着最高程的增加逐渐升高，最大值出现在坝顶位置，且随着分层厚度增大，坝顶温度最大值逐渐升高。

（2）坝体不同部位的温度变化规律不一样。在坝基附近温度随施工时间变化规律呈现正弦分布；随着高程增加，不同点温度随时间变化先迅速升高，然后趋于稳定。

（3）坝体不同部位的应力变化受温度变化的影响，在坝基随时间变化为正弦分布；随高程增大，坝体应力随时间先迅速增大，再突然下降至趋于稳定；靠近坝顶附近时应力先迅速增大，然后逐渐趋于稳定。

（4）从基础温差、内外温差、上下层温差、坝体应力及工期等方面综合考虑，认为使用分层厚度为0.3m时相对较好。