寒潮对导墙坝段施工期温度应力影响研究

戴宏斌，严 涛，刘 茜，张 昕，张晓飞

(1.陕西省水利厅 规划计划处，陕西 西安 710004；2.西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048；3.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710010)

1 研究背景

水利工程中，导墙坝段起到引导水流和保护河岸的作用，通常采用耐水性能好的混凝土材料进行浇筑。导墙顺水流方向两面均为大气边界，对环境温度变化十分敏感，短时间内外界温度骤降，会致使其出现较大的内外温差，表层混凝土将产生较大的温度应力以致出现温度裂缝[1-4]。寒潮是一种常见的冬季灾害性天气，寒潮来临时会导致坝体表面温度急剧下降，造成的温度荷载对坝段的影响往往超过水荷载等其他荷载对坝段的影响，如果不采取合理有效的保温措施，将严重影响材料性能的发挥和建筑物的正常工作，甚至危及坝体安全[5-7]。因此，探究寒潮来临时混凝土的温度场和应力场的变化，进而通过模拟和计算得出行之有效的导墙表面防寒保温方案，从而通过保温方案的实施，对确保大坝的安全运行和顺利越冬有重要意义。

截至现在，已有大量学者从不同的角度对寒潮对混凝土坝温度应力的影响这一课题进行了研究。朱伯芳[8]在对小湾拱坝裂缝成因再讨论时进一步细化了在施工过程中的通水冷却标准，从而得出可以完美避免裂缝产生的结论；张子明等[9]利用叠加原理，并结合等效折线降温曲线的方法对气温骤降时的混凝土应力进行分析；王闯等[10]基于子模型法，利用APDL语言对寒潮来临时闸墩温度进行仿真和应力耦合分析；由国文等[11]提出了可应用在寒潮作用下的水闸温控防裂仿真分析中的子母模型反馈修正算法；刘发等[12]通过“水化-温度-湿度-约束”多场耦合评估模型定量分析了表面保温措施与开裂风险之间的关系；袁明道等[13]基于氧化镁混凝土双曲线模型仿真分析了长沙拱坝在寒潮作用下的裂缝状况；陈彦玉等[14]运用正交设计实验理论并提出了在气温骤降时溪洛渡坝区有效的保温方案；田振华等[15]探讨了船坞的混凝土表面在寒潮期的保温防裂问题并给出针对性预防措施；朱蕾等[16]通过对比长期实测气象和混凝土温度数据分析了寒潮作用下混凝土箱梁桥温度场的分布特点以及变化规律；张怀芝等[17]总结出寒潮对不同龄期混凝土的影响规律，并将其在亚碧罗混凝土坝工程中加以应用；张国新等[18]提出了越冬时用降雪覆盖在混凝土表面从而达到保温目的，并通过计算论证出其合理和可行性；黄达海等[19]探究了混凝土表面裂缝的半无限平面问题，利用混凝土材料导热的时间延迟性，将半无限平面假设无限化，并结合试验，验证了方法的可行性。李丹峰等[20]着眼于泄洪洞洞口处衬砌结构，对冬季混凝土施工遭遇寒潮时的若干工况进行了讨论，其研究成果再次辅证了低温时采取混凝土材料表面保护的重要性。

以旬阳水电站右导墙坝段为例，充分考虑施工期温度骤降对混凝土瞬态温度荷载的影响，采用三维有限元仿真分析软件，模拟右导墙坝段施工过程，对无寒潮无保温、有寒潮无保温和有寒潮有保温3种工况下的材料温度场和应力场进行了仿真分析和计算研究，探究了寒潮以及保温措施对温度应力的影响情况，提出了合理可行的温控方案，研究成果对实际工程有一定的参考和借鉴意义。

2 计算原理

2.1 非稳定温度场有限元计算原理

非稳定温度场有限元计算公式如下：

(1)

2.2 温度应力场计算原理

应力有限元计算公式如下[21]：

εx=εy=εz=βT,γxy=γyz=γzx=0

(2)

式中：β为线膨胀系数。

(3)

由公式(3)可求得{Δδn}后代入应力—应变增量关系公式得到各节点应力增量{Δσi}，再将其各时段累加，即为节点应力。

(4)

2.3 寒潮降温过程的模拟

寒潮历时较短，对坝体温度场有显著影响，在仿真计算中，温降与温度场关系见公式(5)[5,22]，该公式表示混凝土表面的热流密度q与混凝土表面温度与外界气温之差成正比例关系。

(5)

式中：q为热流密度，kJ/(m2·h)；λ为导热系数，kJ/(m·h·℃)；n为表面外法线方向；h为表面放热系数，kJ/(m2·h·℃)；Ta为气温，℃。

在计算中用半周期正弦函数来表示寒潮期间的日平均气温，表达式为：

(6)

式中：Ta为寒潮期间的气温,℃；T0为寒潮前的气温℃；Td为寒潮期间的气温最大降幅,℃；ts为寒潮持续时间,h；t0为寒潮起始时间,h；t为计算时间,h。

T0、Td、ts、t0可由坝址区当地的气象统计资料得出。将公式(6)的结果代入公式(5)中，再求解公式(1)，可得寒潮期间坝体内部的温度场。

3 工程概况

旬阳水电站是汉江干流规划的7个梯级中的第5个梯级，位于陕西省旬阳县城南约2 km，上距安康水电站57 km，下距蜀河水电站约55 km。正常蓄水位241 m，死水位239 m，总库容3.25×108m3，总装机容量320 MW，保证出力36.7 MW，多年平均发电量8.4×108kW·h。

枢纽布置从右至左分别为右岸非溢流坝段、右7孔冲沙泄洪闸坝段、9#右导墙坝段、左5孔冲沙泄洪闸坝段、左导墙坝段、主机间坝段、安装间坝段，共19个坝段。本次计算的右导墙坝段坝顶高程247.0 m，最大坝高44.0 m，坝轴线长度22.5 m，导墙宽为18.0 m。

坝址区气象站统计资料见表1。

表1 坝址区气象站气温和水温统计表

4 计算模型与材料参数

选取9#右导墙坝段为研究对象，建立导墙坝段整体有限元计算模型，如图1所示。计算模型中，划分网格为六面体，温度场计算时采用solid70热单元，应力场计算时用solid185结构单元。地基结点数为13 608，单元数为11 440；坝体结点数为40 478，单元数为33 886。温度场计算中地基底面和4个侧面为绝热边界；右导墙坝段右横缝面在2017年5月30日一期临时围堰拆除前为气边界，2017年6月1日一期临时围堰拆除过水后220.16 m高程水面以下为水边界，水面以上为气边界；右导墙坝段坝左横缝面在8#孔溢流堰浇筑之前为散热面，浇筑之后为绝热面[23-24]。

图1 旬阳水电站右导墙坝段计算模型 图2 旬阳水电站右导墙坝段材料分区

在应力场计算中，坝段地基处设置为固定支座，即对地基中每个节点的X、Y、Z方向自由度进行约束，使地基部分可等效为固定支座。地基在上下游方向按Y向简支处理，其余为自由边界。

该工程所用材料包括三级配基础垫层常态混凝土C9020W6F100、三级配过流面抗冲耐磨常态混凝土C30W6F100和三级配内部碾压混凝土C18015W4F50。坝体材料分区见图2，各材料参数见表2。

表2 旬阳水电站坝体混凝土热力学参数

5 计算工况与应力控制标准

5.1 计算工况

右导墙坝段坝基面高程为207.0 m(局部203.0 m)，坝顶高程为247.0 m，坝段长度为22.5 m，坝底宽度为61.0 m。2017年4月1日开始浇筑基础垫层常态混凝土，2017年4月9日开始浇筑碾压混凝土，大坝于2017年6月31日浇筑至238.5 m高程；2017年12月1日恢复碾压混凝土浇筑，2018年3月30日浇筑至坝顶高程247.0 m。水库的蓄水过程为：2019年12月1日，水库蓄水至237.0 m高程；2020年6月1日，水库蓄水至正常蓄水位241.0 m。

寒潮与保温：2017年12月21日开始遭遇寒潮，4 d降温15.1℃，于12月25日达到最低温度-10.2℃。保温起始时间为2017年11月1日，保温材料为5 cm厚的聚苯乙烯泡沫板。针对寒潮资料设计对比工况，分析寒潮对右导墙坝段的影响以及寒潮保温的效果。

工况1：该工况对2017年4、5、6月浇筑的部位，采取控制浇筑温度和通制冷水冷却措施，大层浇筑完即刻通水。通水时间为24 d，4、5月份通河水，6月份通制冷水，冷却水管按要求布置，间隔距离为1.5 m×1.5 m，通水流量为1.0 m3/h，单根冷却水管长度为250 m。4月份浇筑的部位控制混凝土浇筑温度小于等于18℃；5和6月份浇筑的混凝土控制浇筑温度小于等于22℃。

工况2：该工况在冬季考虑寒潮，不采取保温措施。其他条件与工况1相同。

工况3：该工况在冬季考虑寒潮，并采取保温措施。其他条件与工况1相同。右导墙坝段计算工况汇总见表3，大坝施工进度和浇筑温度见表4。

表4 旬阳水电站右导墙坝段施工进度和浇筑温度表

表3 旬阳水电站右导墙坝段计算工况汇总表

5.2 应力控制标准

《混凝土重力坝设计规范》(NB/T 35026-2014)给出了应力控制标准的计算式，根据该规范要求，温度应力的控制应按下式进行：

γ0σ≤εpEc/γd

(7)

式中：γ0为结构重要性系数，取1.1；σ为各种温差所产生的温度应力之和，MPa；εp为混凝土极限拉伸值；Ec为混凝土弹性模量，MPa；γd为温度应力控制正常使用极限状态结构系数，取1.5。混凝土容许拉应力值见表5。

表5 旬阳水电站右导墙各部位混凝土容许拉应力

6 结果与分析

6.1 温度场计算成果分析

寒潮起始时间为2017年12月21日，在2017年12月25日发生极端最低气温-10.2℃，寒潮期间对坝段表面采用5 cm厚的聚苯乙烯泡沫板进行保温。为了分析冬季遇寒潮条件下表面保温的保温效果，现给出工况1、工况2和工况3右导墙坝段中心剖面寒潮期间温度云图，如图3所示，其对应的温度值见表6。从图3可以看出：

图3 右导墙坝段温度等值线图(单位：℃)

表6 寒潮期间各工况右导墙坝段中心剖面温度值 ℃

(1)由于坝段表面温度滞后于外界气温1 d，因此2018年12月26日坝体表面温度最低，工况1坝段表面最低温度为4.0℃，工况2为-4.0℃，工况3为4.0℃。采用5 cm厚的聚苯乙烯泡沫板保温之后，坝段表面温度提高了为8.0℃。由此可见，保温板的保温效果较好。

(2)由于坝段混凝土方量较大，寒潮历时较短，寒潮对坝段表面温度影响较大，对坝段内部混凝土温度几乎没有影响。

6.2 温度应力场计算成果分析

坝段左右表面工况1、2和3在2017年12月26日顺河向(Y方向)温度应力云图见图4，最大应力统计见表7。从图4可以看出：

图4 2017年12月26日右导墙坝段顺河向(Y方向)温度应力等值线图

表7 各工况坝体左、右表面顺河向(Y向)最大温度应力值(2017年12月26日) MPa

(1)在左侧表面，工况1最大温度应力值为3.5 MPa，工况2为4.4 MPa，工况3为2.9 MPa。在右侧表面，工况1最大温度应力值为3.1 MPa，工况2为4.4 MPa，工况3为3.1 MPa。工况1和工况3最大应力均小于过流面抗冲耐磨混凝土C30W6F100容许应力3.61 MPa，工况2最大应力大于过流面抗冲耐磨混凝土C30W6F100容许应力3.61 MPa。

(2)寒潮期间，采取表面保温措施后，坝段最大应力大大减小，可见，保温板保温效果较好。

7 结 论

采用有限元软件 ANSYS，对右导墙坝段在无寒潮无保温、有寒潮无保温和有寒潮有保温3种工况进行了仿真计算分析，结果表明：

(1)寒潮发生时，外界气温迅速下降(降幅为15.1℃)，工况1坝体表面最低温度为4.0℃，工况2为-4.0℃，工况3为4.0℃；在右侧表面工况1最大温度应力值为3.1 MPa，工况2为4.4 MPa，工况3为3.1 MPa；在左侧表面工况1最大温度应力值为3.5 MPa，工况2为4.4 MPa，工况3为2.9 MPa。工况1和工况3最大应力均小于容许应力，工况2最大应力大于容许应力。

(2)寒潮过程历时相对较短，其影响只限定在坝段表层附近混凝土范围内，对坝段内部温度和温度应力几乎没有影响。

(3)在寒潮发生时，采用5 cm厚的泡沫塑料板进行表面保温，可以提高坝体的表面温度8℃左右，从而降低坝体表面拉应力，可有效避免寒潮引起的温度裂缝。