浇筑间隔时间对碾压混凝土重力坝影响分析

曾 智

（凤冈县水务局，贵州 凤岗564200）

1 概述

实际工程建设中，浇筑的时间间隔期是限制施工的一个重要因素［1］。如何更好的利用混凝土的散热，放置混泥土的开裂，控制合适的温度意义重大。

我国学者进行了相关研究［2-4］。谢微、刘虎虎等人对不同坯层在不同间隔时间下的温度场和应力场的分布规律进行了研究分析［5］。董福品、朱伯芳等人对碾压混凝土的温度徐变应力的变化规律进行了深入研究［6］。刘林生等人针对世界最高的拱坝锦屏水电站进行了浇筑层厚度、浇筑间歇期的影响研究［7］。随着科技发展，对坝体施工的研究越来越多，方法也越来越多样化［8-9］，但在碾压混凝土重力坝的研究目前还相对较少。本文在前人研究的基础上，采用大型有限元软件ANSYS进行数值模拟，研究间隔时间对碾压混泥土坝的温度和应力分布的影响，为实际工程提供一定的理论指导。

2 模型建立

某工程为碾压混凝土重力坝，溢流坝段的坝高829m，坝底宽59m，堰顶高程893m，坝段长27m，坝体采用3级碾压混凝土。

碾压混凝土的徐变参数：

式中C（t，τ）为徐变度；t为混凝土施加荷载时间；t-τ为混凝土持荷时间。

坐标系的设置选取坝轴线指向河右岸为X轴正方向，顺河流指向下游为Y轴正方向，在铅锤面向上为Z轴正方向。坝体在运行的时候考虑自重荷载，以及施工过程中的机械荷载等共同作用。有限元模型的约束设置，在坝基底部采用全约束，其他部分不设置过多约束。

建立有限元模型的范围按照相关规范要求，在坝基和坝体的上下游均延长100m来进行分析。

模型采用八节点的六面体结构化网格，AWEEP扫略法进行划分。在模型不同位置采用不同的密度，靠近坝体的网格尺寸相对较小，延长的地基不作为重点研究对象，网格尺寸较大。整体模型的网格数为39520个，节点为43616个。计算有限元模型如图1。

图1 有限元模型

表1 模拟工况

在实际工程中，混凝土的浇筑厚度通常采用3m，故本文采用浇筑厚度为3m。设置5种不同工况，每种工况之间此采用相同的浇筑厚度和温度控制措施来进行控制变量，间歇期分析采用3，7，10，15，20d来进行研究，如表1。

3 对比分析

3.1 间隔时间对坝体温度影响

对坝体高程836m处的中心点的温度进行跟踪监测，变化曲线如图2。

图2 温度变化曲线

根据图2可知，中心点处的温度随时间变化趋势为先迅速升高，然后随时间逐渐降低，温度最高点出现在施工两个月的时间点内。不同的间隔时间最高温度也不一样，可以看出随着间隔时间增加，最高温度变得越来越低，这主要是因为随着时间间隔的增加，混凝土内热量散发量逐渐增大，导致最高温度逐渐降低。不同方案之间不同位置的温度最高点也不相同，如图3。

图3 不同位置最高温度变化

由图3可知，随着间隔时间的增加，溢流面和强约束区的最高温度逐渐降低，降低幅度分别为17.6%，15.8%，最大温差也逐渐降低，降低幅度分别为30.8%，29.4%。然而，弱约束区和费约束区的最高温度逐渐升高，升高幅度分别为17.0%，24.8%，最大温差也逐渐升高，升高幅度分别为26.4%，62.0%。基础垫层由于靠近地下温度变化受间隔时间的影响较小，随间隔时间增大，基本保持不变。

3.2 间隔时间对坝体应力的影响

对高程836m中心点处不同方向的应力进行检测，不同间隔时间对应的随施工时间变化曲线如图4。

图4 不同工况应力随时间变化曲线

由图4可知，浇筑层的应力随施工时间的增加先迅速增大，然后出现震荡式的缓慢增加。出现应力变化的原因与浇筑层的内外温度差有关。不同方案3个方向的应力变化幅度不一样，随着间隔时间的增加，应力增加幅度逐渐减小。且不管哪种方案，Y向的应力相对较大，Z向的应力相对较小。随着间隔时间的变化，浇筑层不同位置的应力也发生变化，如图5。

图5 不同位置应力与间隔时间关系

由图5可知，在混凝土基础垫层范围内，X，Y，Z3个方向的拉应力均随着间隔时间增加逐渐增大。从工况1～5，X方向的最大拉应力从1.79MPa增加到2.43MPa；Y方向的最大拉应力从1.34MPa增加到2.19MPa；Z方向的最大拉应力从0.69MPa增加到1.34MPa；3个方向的应力增加幅度分别为35.8%，63.4%，94.2%，且均满足混凝土抗拉强度要求。

在碾压混凝土区域，X，Y，Z3个方向的拉应力均随着间隔时间增加逐渐降低。从工况1～5，X方向最大拉应力从1.14MPa降低到0.81MPa。Y方向最大拉应力从1.25MPa降到0.86MPa，虽然降低后满足要求，但在间隔时间为3d时，最大应力1.25MPa，大于1.2MPa，故间隔时间为3d是不可取的。Z方向最大拉应力从1.60MPa降到1.19MPa；3个方向的应力降低幅度分别为28.9%，31.2%，25.6%。

4 结语

通过对施工厚度保持不变，施工间隔时间分别为：3，7，10，15，20d 5种工况的温度和应力进行分析研究，得出以下结论：

（1）浇筑间隔时间对坝体的温度和应力有显著影响。

（2）随着间隔时间的增加，坝体混凝土散热越充分，混凝土内最高温度逐渐降低。溢流面和强约束区的最高温度逐渐降低，降低幅度分别为17.6%，15.8%。弱约束区和费约束区的最高温度逐渐升高，升高幅度分别为17.0%，24.8%。

（3）混凝土基础垫层范围内3个方向的应力随间隔时间的增加逐渐增大，且增加幅度分别为35.8%，63.4%，94.2%。碾压混凝土区域内X，Y，Z3个方向的拉应力均随着间隔时间增加逐渐降低，降低幅度分别为28.9%，31.2%，25.6%。

（4）间隔时间为3d不满足应力需求，实际工程具体间隔时间要结合工程实际进行分析确定。