碾压混凝土重力坝通水冷却温控效果研究

张 昕， 张晓飞， 刘 茜， 王晓平， 黄 宇

(1.西安理工大学 水利水电学院， 陕西 西安 710048; 2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司， 陕西 西安 710065； 3.广州水务规划勘测设计研究院， 广东 广州市510640)

1 研究背景

碾压混凝土坝以其施工速度快、造价低等优点，受到世界各地坝工界的青睐。但连续式大面积浇筑的快速施工工艺会影响混凝土浇筑层面热量的散发，且由于混凝土极限拉伸值和徐弹比都比较小，因此碾压混凝土坝抗裂性能较差，易产生温度裂缝[1]。国内外许多混凝土坝均产生了不同程度的温度裂缝，温度裂缝不仅会影响大坝的强度，还会大大降低其完整性、抗震性和耐久性，从而影响大坝安全与使用年限，因此温度裂缝问题受到广泛关注[2-4]。目前，大坝在施工期通常采用通水冷却的方法来控制混凝土温度，使混凝土温度保持在设计的容许温度之下，从而控制大坝质量[5-6]。美国胡佛大坝率先采用了通水冷却技术，利用冷却水管对浇筑完成的混凝土进行通水冷却，由冷却水的流动将水泥水化产生的热量带出坝体，以降低坝体内部温度，达到减小温差、控制温度裂缝的目的[7-9]。该技术[10-11]被坝工建设者沿用至今，广泛地应用于碾压混凝土坝的温控防裂中，对防止裂缝的产生和发展起到了很好的作用[12]，是大体积混凝土最为有效、使用最为广泛的温控防裂措施之一。但是通水冷却措施也存在一些不足，首先大规模的埋设冷却水管不利于成本控制；其次，埋设水管的施工过程较为复杂且需增设其他辅助施工流程，不利于工期控制；最后，埋设管线一旦出现渗漏等问题，将会严重影响大坝结构的使用年限[13-14]。因此从技术水平、工程预算及绿色环保等方面进行综合考虑，确定合理的通水冷却方案尤为重要。

本文利用大型有限元软件ANSYS进行建模，采用三维有限元浮动网格法[15-18]模拟大坝施工进度安排，考虑混凝土弹性模量、水化热温升、通水冷却时间和通水温度等因素进行温控仿真研究，分析了冷却水管温控冷却效果，给出了坝体温度和应力变化规律，提出了合理可行的温控推荐方案。

2 计算原理

2.1 温度场计算原理

根据热传导理论，在瞬态温度场T(x,y,z,t)中，坝体混凝土温度与时间、空间的关系应满足以下热传导方程：

(1)

2.2 温度应力场计算原理

在应力场计算中，弹性体内各点应变分量表示为：

εx=εy=εz=α·T,γxy=γyz=γzx=0

(2)

式中：α为热膨胀系数。

在用有限元法求解温度应力时，考虑温度、徐变和自生体积变形后的应力场整体平衡方程可写为：

(3)

由公式(3)求得{Δδn}后带入公式(4)得到各节点应力增量{Δσn}，再将其各时段累加，即为节点应力。

(4)

3 工程概况

某水利枢纽工程位于赞比亚首都卢萨卡西南90 km的卡富埃河上，主要由左右岸挡水坝、河床溢流表孔、生态放水孔、右岸引水发电系统组成。设计正常蓄水位589.0 m，库容0.86×108m3，总装机容量750 MW。碾压混凝土重力坝坝基面高程452.0 m，坝顶高程591.0 m，最大坝高139.0 m，坝顶长374.5 m。泄洪建筑物由3孔15 m×18 m的表孔组成，溢流堰顶高程571.0 m。

坝址区气象站气温和水温统计资料见表1。

4 计算模型及材料参数

本次计算选取10#泄洪坝段为研究对象，建立模拟坝体混凝土施工过程的整体计算模型(见图1)。该坝段长19.5 m，坝段底宽126.73 m，坝基面高程为452.0 m，堰顶高程为571.0 m，建立模型时将坐标原点选取在右侧坝踵处，采用有限元分析软件ANSYS的生死单元技术模拟坝体浇筑上升过程，共划分单元59 670个，结点68 783个。

该工程所用材料包括三级配碾压混凝土R1、R2，二级配碾压混凝土R3，溢流面常态混凝土C3、C5，材料分区见图2。各分区混凝土材料热力学参数见表2。

5 计算方案及温度和应力控制标准

5.1 计算方案

10#泄洪坝段混凝土开浇日期为2018年3月12日，平均每14 d浇筑一大层，每层层高为3 m， 2018年7月9日浇筑至高程477.35 m，2018年10月27日浇筑至高程502.7 m，2019年7月中旬大坝浇筑至溢流堰顶高程571.0 m。2020年4月1日下闸蓄水，2020年4月5日蓄水至溢流堰顶，堰顶以上采用表孔泄洪的方式，按照1.0 m/d的速度，2020年4月23日蓄水至正常蓄水位589.0 m。

方案1：该方案采取全坝段通水冷却措施，通水时间为20 d，冷却水温15℃，大层浇筑完成立即通水冷却，通水流量1.2 m3/h，水管间距1.5 m，采用U形卡固定，冷却水管采用高密聚乙烯塑料管，外径32 mm，内径28 mm，在上下两层水管中间位置布置温度计以测定混凝土内部温度，冷却水管计算采用等效热源法[4]进行模拟。具体布置如图3所示。

表1 坝址区气象站气温水温统计表 ℃

图1泄洪坝段计算模型图2泄洪坝段材料分区

表2 大坝混凝土基本热力学计算参数

方案2：该方案通水时间为20 d，冷却水温20℃，其他条件与方案1相同。

方案3：该方案通水时间为15 d，冷却水温20℃，其他条件与方案1相同。

方案4：为节省投资，该方案仅对约束区(高程452.0～502.7 m)进行通水冷却，通水时间为20 d，冷却水温为当月河水温度。其他条件与方案1相同，当月河水温度见表1。

方案5：该方案仅对约束区(高程452.0～502.7 m)进行通水冷却，通水时间为20 d，冷却水温20℃。其他条件与方案1相同。

各计算方案汇总表见表3。

表3 10#泄洪坝段计算方案汇总表

图3 冷却水管布置示意图

5.2 温度和应力控制标准

(1)混凝土温度控制标准。约束区混凝土基础容许温差[19]见表4。

表4 约束区混凝土基础容许温差 ℃

(2)应力控制标准。基础混凝土容许抗裂应力应满足下式[19]：

σ≤εpEc/Kf

(5)

式中：σ为初始温差、内外温差和上下层温差所产生的温度应力之和，MPa;εp为混凝土极限拉伸标准值，是混凝土抗裂性能的重要指标；Ec为混凝土弹性模量的标准值；Kf为安全系数，根据工程的重要性和开裂的危害性，本工程取1.65。

该工程坝体混凝土容许拉应力见表5。

表5 混凝土容许拉应力 MPa

6 温度场计算成果分析

在大坝运行过程中，坝体混凝土与外界环境不断地进行热交换，随着时间的推移，坝体内部最高温度逐渐减小并趋于坝体稳定温度24.5℃。大坝稳定温度场温度等值线图见图4。

坝体内部区域最高温度随着混凝土水化反应的发生逐渐升高，在10-12月浇筑的部位以及溢流堰顶和溢流面反弧段常态混凝土区域温度较高，主要是因为溢流堰顶处的混凝土浇筑完成历时短，水化热来不及散发，使得这部分混凝土温度较高。反弧段常态混凝土温度较高是由于该部位混凝土绝热温升较高。

方案1～方案5在2019年8月15日温度等值线图见图5～9，各方案不同区域最高温度见表6。方案1和方案2相比，通水历时20 d，冷却水温降低5℃，可使各区最高温度降低0.6～0.7℃。方案2与方案3相比，冷却水温20℃，通水时间增加5 d，可使各区最高温度降低1.0℃。方案2与方案5相比，坝体非约束区通水历时20 d，冷却水温20℃，可使坝体非约束区最高温度降低7.5℃左右，降温效果显著。方案4和方案5相比，可见通制冷水对坝体温降有益，坝体约束区内部最高温度比通河水降低0.5～1℃。

方案1、方案2和方案3强约束区、弱约束区最大温差均小于基础容许温差，方案4和方案5弱约束区最大温差均大于基础容许温差。

7 温度应力场计算成果分析

10#泄洪坝段各方案最大温度应力见表7。泄洪坝段高程454.0 m和高程512.0 m水平面中间点σx、σy温度应力历时曲线见图10～11。坝体最大温度应力出现在基础约束区碾压混凝土部位，尤其是在距坝基面高度为2 m(高程454.0 m)处。分析原因，一是由于该层面距坝基较近，坝基约束作用明显；二是由于坝基弹性模量为22 GPa，弹性模量值较大。由于大坝溢流面及堰顶常态混凝土区域，混凝土绝热温升较高，因而温度应力相对较大。

方案1和方案2相比，坝体内部碾压混凝土最大应力降低0.08～0.13 MPa。方案2和方案3相比，坝体内部碾压混凝土最大应力降低0.11～0.15 MPa。在坝高60 m(高程512.0 m)处，由于非约束区未进行通水冷却，所以方案4和方案5应力与其他方案相比较大。

方案1、方案2和方案5最大温度应力均小于碾压混凝土R2容许拉应力1.41 MPa，方案3和方案4最大温度应力σy大于碾压混凝土R2容许拉应力1.41 MPa，各方案表层常态混凝土最大应力均小于常态混凝土C3容许应力2.48 MPa。

图4大坝稳定温度场温度等值线图(单位：℃)图5方案1大坝温度等值线图(2019-08-15)(单位：℃)图6方案2大坝温度等值线图(2019-08-15)(单位：℃)

图7方案3大坝温度等值线图(2019-08-15)(单位：℃)图8方案4大坝温度等值线图(2019-08-15)(单位：℃)图9方案5大坝温度等值线图(2019-08-15)(单位：℃)

表6 各方案不同区域混凝土最高温度 ℃

图10 泄洪坝段高程454.0 m和高程512.0 m水平面中间点温度应力σx历时曲线

图11 泄洪坝段高程454.0 m和高程512.0 m水平面中间点温度应力σy历时曲线

8 结 论

本文结合实际工程对某碾压混凝土重力坝通水冷却温控措施进行了仿真计算，分析了各方案通水冷却效果及其变化规律。结果表明：

(1)综合对比分析5个方案，其中方案1和方案2温度和温度应力均满足控制标准，但从施工可行性角度分析，该大坝位处非洲，属热带草原性气候，水温常年在20℃以上，因此20℃制冷水比15℃制冷水更易制得，同时从节省建设投资角度考虑，最后拟定方案2为最终推荐方案。即控制混凝土浇筑温度25℃，采取通水温度20℃、通水时长20 d，全坝段通水冷却温控措施，既可以使最大温度和应力在整个施工期、运行期满足温度和应力控制标准，又可以降低温控措施的综合成本，做到经济可行。

(2)通水时间为20 d，冷却水温从20℃降低到15℃时，可使各区最高温度降低0.6～0.7℃，最大温度应力降低0.08～0.13 MPa。

(3)冷却水温为20℃，通水时间从15 d增加到20 d，可使各区最高温度降低1.0℃，最大温度应力降低0.11～0.15 MPa。

(4)基础约束区温度应力较大，尤其是在坝基面附近，建议在坝基面使用高标号混凝土，改进此处混凝土配合比，以增加大坝的安全余量。