碾压混凝土重力坝施工期温度回升影响初探

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(1.国家电力投资集团公司 西藏分公司，拉萨 850000； 2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

1 概 述

大坝混凝土温控防裂贯穿大坝建设的各个阶段，施工阶段尤为重要。大坝进入施工阶段后，受施工条件和管理水平影响，存在与设计工况不同程度的差异。因此，有必要通过跟踪反馈仿真分析手段，利用监测资料反馈关键参数，按照实际进度和温控措施仿真模拟，及时反馈施工、优化设计，提高工程建设质量。

混凝土重力坝在浇筑过程中，由于原材料、温控措施等原因，经常会出现明显的温度回升现象，高掺粉煤灰常态混凝土和碾压混凝土尤为明显，有些仓位回升后温度超过了一冷过程中的最高温度。为了评价温度回升对混凝土重力坝的影响，本文以某在建碾压混凝土重力坝为研究对象，对计算参数进行反演，对温度和应力过程进行反馈和预测，研究温度回升对大坝温度应力的影响。

2 研究对象和研究任务

本研究以该混凝土重力坝典型河床坝段12#坝段为研究对象，已浇筑混凝土按实际浇筑进度，未浇筑混凝土按设计进度，混凝土浇筑温度和一期冷却措施均按照设计要求，研究在有温度回升情况下有无中期冷却对大坝混凝土温度应力的影响。主要研究内容包括基本热力学参数和边界初始条件的整理分析、大坝水库水温数值计算、大坝温度场反馈仿真分析，以及不同工况下大坝温度应力反馈仿真分析和预测。

3 计算模型和计算方案

3.1 计算模型和条件

图1为某大坝12#坝段计算模型。为了研究温度回升影响，选取实际监测过程有温度回升现象的典型坝段12#坝段。在坝体表面由于温度梯度较大，所以设置相对较薄的单元，由外向内网格逐渐变粗。同时，为了模拟分层浇筑过程，计算网格在高度方向上的单元厚度取为0.5 m。网格剖分时采用空间六面体等参单元。

图1 计算模型图

3.2 计算方案和计算条件

计算方案和计算条件见表1。大坝实际浇筑进度截至2017年6月15日，已浇筑混凝土按实际浇筑进度和浇筑温度，未浇筑混凝土按照设计进度和设计浇筑温度，分别计算。

表1 计算工况表

为了准确模拟反馈大坝实际温度场，对绝热温升过程进行了反演。无温度回升工况，碾压RI混凝土绝热温升公式为：

Q(τ)=23τ/(4.4+τ)

经过反演后，考虑温度回升，碾压RI混凝土绝热温升公式采用组合函数模型为：

Q(τ)=23τ/(4.4+τ)+8×(1-e-0.001τ1.5)

计算模型约束边界为基础底面和侧面均为法相约束，基础初始温度采用实测结合仿真计算确定。水库水温通过数值模拟手段，采用中国水利水电科学研究院享有独立著作权的《水库水温数值分析软件》(NAPRWT)，根据掌握的该水库相关资料，对运行期的上游和下游库水温时空分布进行预测分析。

4 计算结果

图2-图4为截至3个工况的温度对比过程线。

表2为3个工况温度和应力成果统计。由计算结果可以看出，考虑和不考虑温度回升，内部温度最大相差6℃，表面的最大温差有4℃的增幅，在初次蓄水时造成0.2 MPa的应力增加，表面应力安全系数由2.3降至1.9；达到稳定场时刻的应力对比，内部应力有大约0.18 MPa的增幅。增加中期冷却措施后，降低了内外温差，控制了温度反弹，防止第二个最高温度峰值的出现，表面应力有0.5 MPa的降幅，且内部应力也有0.25 MPa的降幅。

图2 典型高程内外温度和温差过程线(工况1-无温度回升无中冷)

图3 典型高程内外温度和温差过程线(工况2-有温度回升无中冷)

图4 典型高程内外温度和温差过程线(工况3-有温度回升有中冷)

工况最大内外温差/℃入冬最大表面应力 /MPa蓄水时最大表面应力 /MPa最高温度/℃最高温度出现时间内部应力差/MPa备注工况111.0～13.01.452.028.0一冷/工况215.0～17.01.552.228.5一冷结束后第二个峰值0.18工况2-工况1工况312.01.01.7528.0一冷0.25工况2-工况3

5 结 语

本文研究内容以某在建碾压混凝土重力坝为研究对象，对计算参数进行反演，对温度和应力过程进行反馈和预测，研究温度回升对大坝温度应力的影响。仿真计算以典型河床坝段12#坝段为研究对象，已经浇筑的混凝土按照实际浇筑进度，未浇筑混凝土按照设计进度，混凝土浇筑温度和一期冷却措施均按照设计要求，分别研究是否考虑温度回升，以及在有温度回升情况下有无中期冷却对大坝混凝土温度应力的影响。研究结果表明，温度回升会造成一冷结束后内部温度反弹，如果不加干预，使得入冬或蓄水时内部温度处于高位，造成内外温差过大，表面应力增加；温度回升甚至导致内部温度回升至超过一冷最高温度，出现新的峰值，造成基础温差增大，且一冷阶段的徐变作用相当于没有发挥，势必造成内部拉应力的增加。因此，施工期应严格控制混凝土内部温度回升现象，针对可能存在的温度回升阶段，及时采取通水冷却等控温降温措施，确保内外温差和基础温差满足设计要求。