大坝混凝土温控防裂措施优化研究

于敬铎

(辽宁西北发电有限责任公司，辽宁 本溪 117200)

1 工程概况

石桥水电站是辽宁省东部重要河流爱河下游干流上的重要水利枢纽工程，对解决当地农村电力供应，控制环境污染具有十分重要的作用。根据工程设计，该水电站是一座以发电为主的综合性小型径流式水电站，设计库容3664万m3，装机容量9600 kW[1]。石桥水电站工程主要由拦河坝、溢洪道以及引水发电系统构成。其中，电站大坝坝型为混凝土重力坝，最大坝高为34.35 m，坝顶宽为7.00 m，坡比为1∶0.7。其中挡水坝段基建面高程为116.02 m，上游和下游设计水位分别为147.50 m和125.62 m，采用C30混凝土浇筑[2]。由于混凝土重力坝属于大体积混凝土结构，浇筑过程中混凝土产生的水化热不易散失，并产生较大的温度应力[3]。因此，研究不同温控措施对混凝土的温度应力的影响，并选择最为科学的温控防裂方案，对大坝的顺利建成和安全运行具有重要意义。

2 ANSYS有限元计算模型

2.1 计算模型的构建

ANSYS是美国ANSYS公司推出的一款工程仿真计算软件，具有复合材料设计、建立三维组件、扩展建模、动力学分析、流体力学分析、声场分析以及结构净力分析等诸多领域的分析功能，可以用于结构、流体、电力以及电磁和碰撞等方面问题的研究，在各个工程领域具有广泛应用[4]。同时，在ANSYS有限元模型建成之后，仅需要对相关参数进行调整，即可实现对不同工况下的有限元计算模型重建，具有多方案计算方面的便捷性[5]。基于此，本次选择ANSYS软件进行计算模型的构建。由于大坝混凝土浇筑施工采用分段浇筑的方式，各个坝段相互独立，因此对整个大坝进行建模计算没有具体的施工指导意义，还会大幅增加计算量[6]。因此，研究中选择大坝的6#坝段的部分浇筑块进行建模分析。该浇筑块的长宽均为19.0 m，高度为2.5 m，分为上下两层。其中，底层为厚度1.0 m的垫层混凝土，上部为厚度1.5 m的C30混凝土。为了保证计算结果的科学性和准确性，模型竖直向下取10.0 m，上下游方向取19.0 m。模型以水流方向为Y轴的正方向，以垂直于Y轴指向右岸的方向为X轴的正方向，以竖直向上的方向为Z轴的正方向。研究中选取邓肯模型作为模拟计算的本构模型，将坝体视为线弹性材料，利用SOLID70单元进行模型的网格单元划分，最终获得24 924个计算单元，26 567个 计算节点,有限元模型示意图如图1。

图1 有限元模型示意图

2.2 边界条件和计算参数

计算模型的温度边界条件为模型的表面部位为大气气温加2 ℃，以模拟辐射热的作用和影响；混凝土浇筑仓面的温度为气温加2 ℃[7]。模型地基的各个侧面设定为法向位移约束；模型的底面为全位移约束。大坝主体采用C30混凝土进行浇筑，其不同龄期的弹性模量以及热学参数如表1所示。

表1 混凝土材料的弹性模量与热学参数

2.3 计算方案

相关研究表明，大体积混凝土浇筑过程中的内部最高温度等于混凝土的入仓温度与温升之和。因此，过高的入仓温度不仅利于后期混凝土内部的温度控制，同时还会造成最大温度应力出现时间提前，进而增加温度裂缝产生的风险[8]。因此，当前的大体积混凝土浇筑主要采取低温入仓措施，并取得良好的温控效果。但是，一味降低混凝土入仓温度也有不利之处。由于上层混凝土的温度比下部混凝土的温度明显偏低，其入仓过程会产生对下层混凝土的“冷击”进而造成拉力的超标而产生裂缝。基于此，研究中设计不同的外界环境温度和入仓温度，设计出如表2所示的计算方案，通过数值模拟研究，获得最佳混凝土入仓温度。

表2 入仓温度计算方案 ℃

混凝土坝的温度裂缝主要以表面裂缝为主，且多形成于浇筑的初期。虽然大部分表面裂缝并不会对大坝的浇筑质量和安全造成显著影响，但是也有可能发展成为深层裂缝乃至贯通性裂缝。因此，采取切实有效的表面保温措施极为必要。但是，表面保温措施并不是越强越好，过度保温不仅会增大经济成本，还会造成混凝土结构散热能力下降，不利于后期的防裂控制。基于此，研究中采取不同材料、不同厚度的表面保温措施，设计出如表3所示的计算方案。

表3 保温措施计算工况设计 mm

3 计算结果与分析

3.1 入仓温度的计算结果与分析

利用上节构建的有限元计算模型，对不同入仓温度工况下的混凝土内部的温度和第一、第三主应力进行模拟计算，并提取出如表4所示的计算结果最大值。由表中的计算结果可知，第一主应力随着混凝土入仓温度和环境温度温差的增大而增大，第三主应力随着混凝土入仓温度和环境温度温差的增大而减小。从第一主应力的变化情况来看，当温差小于5 ℃时，随着温差的增大，第一主应力的增大幅度较为有限，当温差大于5 ℃时，增加的速率较为迅速。鉴于主拉应力是造成混凝土温度裂缝的主要因素，在混凝土浇筑施工过程中，应该时刻关注天气和环境温度的变化，将入仓温度和环境温度之差控制在5 ℃以内。这不仅可以有效降低后期混凝土的温升，也有利于控制施工成本和防止新入仓混凝土“冷击”现象的负面影响。

表4 不同工况下温度和应力最大值

3.2 表面保温措施的计算结果与分析

利用上节构建的有限元计算模型，对不同表面温控措施工况下的混凝土内部的温度和第一、第三主应力进行模拟计算，并提取出如表5所示的计算结果最大值。由表中的计算结果可知，随着混凝土表面保温措施的不断加强，混凝土中心部位所达到的最高温度呈现出不断增加的特征。究其原因，主要是保温措施的加强不利于混凝土本身向外部环境散热，进而导致中心部位温度的明显升高。从第三主应力的计算结果来看，其最大压应力的值在2.5 MPa左右，这一数值远远低于C30混凝土的抗压强度值。从第一主应力的最大值来看，BW1、BW2、BW3三种工况下的第一主应力最大值已经超过混凝土抗拉强度设计值，BW4、BW6、BW7的第一主应力最大值已经十分接近C30混凝土的抗拉强度设计值。由此可见，BW5的保温措施是最为适合的。也就是说，在大坝混凝土浇筑施工过程中，应该采用钢模板内部贴聚乙烯泡沫保温板的方式进行表面保温，厚度以2 cm 为宜。采用上述保温措施，不仅可以保证混凝土表面的拉应力不超过混凝土本身的抗拉强度设计值，保证混凝土表面不开裂，同时施工过程也比较简单，有利于控制施工成本。

表5 不同工况下温度和应力最大值

4 结 论

(1)当温差小于5 ℃时，随着温差的增大，第一主应力的增大幅度较为有限，当温差大于5 ℃时，增加的速率较为迅速，建议将入仓温度和环境温度之差控制在5 ℃以内。

(2)在大坝混凝土浇筑施工过程中，应该采用钢模板内部贴聚乙烯泡沫保温板的方式进行表面保温，厚度以2 cm为宜。