碾压混凝土重力坝施工期温度及应力仿真分析

杨宪元，王 栋

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710000）

1 工程概况

某碾压混凝土重力坝位于陕西省镇安县境内的县河上，该水库是一座以县城供水、烟草灌溉为主，兼顾其他农作物灌溉、防洪等综合利用效益的小（1）型水库工程。枢纽永久建筑物为碾压混凝土重力坝，工程规模为Ⅳ等小（1）型工程，枢纽主要建筑物为4级。碾压混凝土重力坝建基面高程为831 m，坝顶高程906.00 m，最大坝高75 m，底部最大坝宽46.85 m，坝顶长度135.0 m，大坝混凝土方量17.5万m3，月最大浇筑强度1.0 万 m3。

2 计算模型及计算资料

2.1 计算模型

以最大挡水坝段建立三维有限元模型网格。建基面高程以下基岩厚度取2.0倍坝高，上下游方向取2.0倍坝底宽。离散坝体及坝基岩体采用空间8节点等参实体单元，坝段铅直向单元层厚1.0 m，上下游方向分为20层单元，上下游面处较密，中心较稀。整个坝段模型共剖分单元56,400个，节点62,155个，其中大坝坝体剖分单元44,400个，基岩结构剖分单元12,000个，计算模型见图1。

图1 典型坝段整体有限元计算网格

2.2 计算参数

该水库工程区属北亚热带向暖温带过渡区气候，大陆性季风气候和半湿润山地气候特征明显，四季分明，气候温和，雨量充沛，水库工程坝址处各月平均气温见表1。大坝温控仿真分析计算所采用的基岩及混凝土热力学试验参数见表2。

表1 坝址处各月平均气温

表2 温控计算材料参数表

2.3 温控措施

根据该水库施工进度计划，混凝土的开浇时间为第三年1月，每个坝段采取通仓浇筑，大坝碾压单层厚0.3 m，浇筑层厚1.5 m，间歇7 d，大坝计划施工工期18个月。由于该水库规模小，碾压混凝土标号低、混凝土制冷设施投入费用高等原因，本次温控措施敏感性分析从工程投资的角度分别计算了夏季施工和夏季不施工两种情况5种方案，最后根据工程的投资，选取最优施工方案，温控计算方案汇总表见表3。

表3 典型坝段温控计算方案汇总表

3 温控标准及温度场计算分析

3.1 温控标准

为了研究初步可行的温控措施，需要依据混凝土材料的热力学特性分析温度及温度应力，从而确定初步的温差控制标准。按《混凝土重力坝设计规范》（DL-5108-1999）第103～105页约束系数法，基础均匀温降条件下的混凝土容许温度应力，用混凝土极限拉伸值进行估算分析。本次计算温度应力控制正常使用极限状态短期组合结构系数取1.5，结构重要性系数取1.1时，大坝C20常态垫层混凝土内部容许温差为14℃，允许应力为1.52 MPa；C15三级配碾压混凝土内部容许温差为12℃，允许应力为1.24 MPa，详见表4。

表4 大坝混凝土施工期允许应力及容许温差

3.2 温度场计算分析

施工期从下往上逐层浇筑混凝土时,上下游边界暴露于大气中,取气温边界，空气函数中加入太阳辐射热的影响。蓄水后上游面按库前水温取值,下游面与尾水接触部分按尾水温取值,其他部位取气温边界。左右两侧的散热可按绝热条件处理，地基底面取年平均气温，坝顶暴露面随浇筑高度上升,间歇期间取气温边界。大坝典型月份稳定温度场分别见图 2、图 3。

图2 1月份坝体中心剖面稳定温度场云图

图3 七月份坝体中心剖面稳定温度场云图

根据重力坝稳定温度场计算结果，及大坝混凝土内部的容许温差，计算出重力坝在12月～翌年2月浇筑时，混凝土内部最高温度不超过20℃；在3月～5月、9月～11月浇筑时，混凝土内部最高温度不超过25℃；在6月～8月浇筑时，混凝土内部最高温度不超过30℃。

4 温控仿真计算结果

根据该碾压混凝土重力坝的施工进度安排及大坝混凝土的热力学参数，采用三峡大学《大体积混凝土结构温控仿真分析软件（FZFX3D V2.0）》分别对上述两种情况5种方案进行了温控措施敏感性分析，提取大坝混凝土内部最高温度点，做最高点温度过程线图（见图4）及大坝中轴线温度包络线图（见图5），推荐温控措施最高应力云图见图6。

图4 混凝土内部中心点温度过程线图

图5 大坝中轴线温度包络线图

图6 推荐温控措施最高应力云图

从图4～图6可以看出：

1)在夏季施工的情况下，不通冷却水，混凝土内部最高温度达到37℃，明显超过了最高温度控制标准，此时通河水进行冷却，对控制混凝土内部最高温度的效果明显，但在高温季节（6月～8月）依然超过了混凝土最高温度控制标准，需要控制混凝土的浇筑温度。通过控制混凝土的浇筑温度为16℃，在高温季节（4月中旬～10月中旬）用基坑水对新浇混凝土进行冷却，通水时间20天，水管间距1.5 m×1.5 m，可以使混凝土内部最高温度满足温控。

2)在夏季不施工的情况下，不通水冷却，在10月中旬～翌年4月中旬，混凝土内部的最高温度可以满足温控要求；但在4月中旬～10月中旬，不通水冷却，混凝土内部的最高温度基本上都超过了最高温度标准，此时采用通河水进行冷却，通水时间20天，水管间距1.5 m×1.5 m，对控制混凝土内部最高温度的效果非常明显，最高温度降幅超过7℃，满足混凝土温控要求。

3)对夏季不施工情况下的推荐温控方案做最高温度应力云图，见图7。从图上可以看出，混凝土内部最大应力为1.205 MPa，满足混凝土允许应力要求。

5 结论

通过对某碾压混凝土重力坝夏季不施工和夏季施工两种情况进行的温控措施敏感性分析比较，得出以下结论：

1）夏季不施工则不用控制混凝土的浇筑温度，在4月中旬～10月中旬直接通河水冷却即可使混凝土内部最高温度满足要求，虽然大坝施工工期相应向后拖延，但不影响水库正常蓄水时间。

2）夏季施工，在高温季节（6月～8月）仅通河水进行冷却无法满足混凝土内部的最高温度控制标准，需要控制混凝土的浇筑温度，增加制冷设施，才能使混凝土内部的最高温度满足温控要求。

3）由于该水库工程规模小、混凝土浇筑强度低、制冷设施投入费用高。夏季不施工，则不用增加混凝土制冷设施的投入，降低了工程投资，因此在本次温控仿真分析计算中推荐夏季不碾压混凝土施工方案。推荐温控措施如下：大坝碾压混凝土采用自然入仓浇筑，高温季节（4月中旬～10月中旬）用基坑水对新浇混凝土进行冷却，冷却水管长250 m，通水时间20天，水管间距1.5 m×1.5 m，同时加强对混凝土的洒水养护。