基于温度应力仿真的三河口碾压混凝土拱坝分缝设计研究

2022-03-01王家明

广东水利水电 2022年2期

刘茜，张昕，王家明，严涛

(1.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，西安 710024；2.西安理工大学，西安 710048)

1 概述

碾压混凝土拱坝通仓薄层浇筑、全断面整体碾压、大面积连续上升，具有施工进度快、超载能力强、安全性能高等优点，是当前国内外高坝建设的一个重要发展方向[1]。其快速高效的施工特点，使得混凝土产生的水化热短时期内大量积蓄在坝体，不能及时消散，产生较大的内外和上下层温差。受周边基础和外部环境的双重约束作用，坝体更易产生温度裂缝[2-4]。因而，不论结构设计还是现场施工，都应高度重视碾压混凝土拱坝的温控防裂工作。

选择合理的坝体结构分缝方案，降低温度荷载产生的不利影响，控制温度收缩引起的无序裂缝，对碾压混凝土拱坝尤其关键。周伟等[5]通过全过程温度应力仿真计算，分析了万家口子碾压混凝土拱坝不同结构分缝方案的坝体工作性态；周燕红等[6]考虑桑郎碾压混凝土拱坝施工期瞬态温度荷载，对不同结构分缝的坝体应力和诱导缝开裂情况进行了分析比较；李海枫等[7]改进了碾压混凝土拱坝诱导缝数值计算模型，并提出基于全过程温控仿真分析的诱导缝防裂设计方法；李金凤[8]通过招徕河碾压混凝土拱坝的三维非线性结构计算，提出了分缝拱坝的温度荷载计算公式；陈媛等[9]依托沙牌碾压混凝土拱坝，通过结构模型破坏试验，系统研究了拱坝的分缝形式和坝体开裂、破坏机理。

目前，国内外碾压混凝土拱坝普遍采用“诱导缝”或“横缝+诱导缝”的分缝形式来改善坝体约束条件、释放坝体温度应力。研究表明以下两种情况的碾压混凝土拱坝必须设置横缝[10]：① 地处宽浅河谷且不能在低温季节完成坝体混凝土浇筑;② 地处高寒地区且稳定温度较低。因此，对碾压混凝土拱坝进行合理地分缝设计，使其在满足温控标准的同时又不影响结构的整体性、稳定性和安全性，具有重要的实际研究价值。本文采用有限元分析软件ANSYS，对考虑全过程瞬态温度荷载的三河口碾压混凝土拱坝进行温度应力仿真和分缝设计研究，并在初期蓄水阶段对坝体接缝实施变形监测分析。研究成果可为类似工程的温度控制和裂缝预防提供借鉴，具有较高的实际应用价值。

2 温度应力计算原理

坝体混凝土温度场的时空分布规律见式(1)，定解边值条件详见文献[10]。

(1)

式中:

α——导温系数，m2/h；

θ——绝热温升，℃。

坝体混凝土在某个时间段的应力-应变增量见式(2)，逐时段累加可得应力见式(3)。

(2)

(3)

式中：

[Dn]——弹性矩阵；

3 基本资料

3.1 工程概况

三河口碾压混凝土拱坝为抛物线双曲拱坝，最大坝高为141.5 m，坝顶拱圈上游弧长为472.15 m，坝顶厚为9.0 m、拱冠梁底厚为36.60 m，为中厚拱坝(坝体厚高比为0.26)。大坝泄洪建筑物正对下游主河床布置，由3个溢流表孔和2个排沙底孔组成。2016年11月开始浇筑坝体混凝土，2019年2月坝体混凝土浇筑至坝顶。该拱坝坝址区多年月平均气温见表1。

表1 三河口碾压混凝土拱坝坝址区月平均气温 ℃

3.2 混凝土材料参数

三河口碾压混凝土拱坝坝体各部位混凝土热力学参数见表2。

表2 坝体各部位混凝土热力学参数

3.3 坝体分缝方案及有限元计算模型

国内部分已建碾压混凝土拱坝工程实践表明，坝体分缝间距一般控制在30～90 m，如果分缝间距过大，即使采取温度控制措施也会使得坝段内混凝土温度分布不均，导致残余温度应力过大。三河口碾压混凝土拱坝坝体分缝方案1(4条诱导缝+4条横缝)和方案2(4条诱导缝+5条横缝)见图1和图2。采用生死单元技术模拟坝体混凝土的施工过程[11-13]，建立图3所示的三维有限元计算模型，利用ANSYS参数化设计语言(ANSYS Parametric Design Language)编制开发APDL命令流自动进行坝体温度场和温度应力场的仿真计算。

图1 坝体分缝方案1示意

图2 坝体分缝方案2示意

图3 三维有限元计算模型示意

3.4 温控标准

坝体混凝土允许温度应力按式(4)确定[14]，经计算三河口碾压混凝土拱坝坝体各部位混凝土允许拉应力见表3。

表3 坝体各部位混凝土允许拉应力

(4)

式中：

εp——极限拉伸标准值；

Ec——弹性模量标准值，GPa；

a 垫层(坝高0.3 m处)

Kf——安全系数，取为1.65。

4 温控仿真计算工况

分别对两种坝体分缝方案进行温度场和温度应力场仿真计算，计算工况见表4。

表4 温控仿真计算工况

工况1：不采取通水冷却措施，控制5—9月混凝土浇筑温度18.0℃、10月—次年4月混凝土浇筑温度为月平均气温加2℃的太阳辐射温升。

工况2：在工况1的基础上采取通水冷却措施。为降低坝体混凝土的最高温度，在大层混凝土浇筑完即刻进行初期通水冷却；此外，为了满足坝体接缝灌浆的要求，在接缝灌浆前进行中、后期通水冷却。冷却水管水平和垂直间距为1.5 m×1.5 m，通水流量为1.0 m3/h，单根长度为250 m。

5 计算成果分析

5.1 温度场计算成果分析

对两种坝体分缝方案分别进行温度场仿真计算，由于两种分缝方案下的坝体温度场分布规律基本一致，此处仅给出方案2(满足温控标准的坝体分缝方案)的温度场计算结果。工况2基础约束区(强、弱约束区)碾压混凝土最高温度云图见图4，各工况不同区域(强、弱、非约束区)碾压混凝土最高温度、稳定温度和最大温差见表5。

a)强约束区

表5 各工况不同区域碾压混凝土最高温度、稳定温度和最大温差 ℃

温度场计算结果分析表明：

1)不同的分缝布置方案温度场分布规律基本一致，在拱冠梁剖面增加1条横缝(坝体采用“5条横缝+4条诱导缝”的分缝布置形式)，可适当减小坝体约束区范围，提高约束区基础容许温差，对坝体温控防裂是有利的。

2)强约束区碾压混凝土在低温季节浇筑，未采取通水冷却措施，因此工况1和工况2的温度场分布规律基本一致，方案1最大温差超过规范容许温差，方案2最大温差未超过规范容许温差；弱约束区碾压混凝土范围内，方案1和方案2只控制浇筑温度(工况1)的最大温差均超过规范容许温差，既控制浇筑温度又通水冷却(工况2)的最大温差均未超过规范容许温差。综上所述：三河口碾压混凝土拱坝采用方案2的分缝形式和采取工况2的温控措施，即可满足坝体温度控制标准要求。

3)在施工期，对高温和次高温季节浇筑的坝体混凝土，采取控制浇筑温度和通水冷却的双重温控措施，可将混凝土最高温度降低7℃～8℃。

4)三河口碾压混凝土拱坝坝体温度场的时空分布规律符合一般客观规律。坝体最高温度出现在施工期内，最高温度降到稳定温度需要经过一个漫长的过程。拱坝运行期坝体混凝土与外部环境进行热交换，坝体内部最高温度逐渐降低并趋于稳定温度13.5℃。

5.2 应力场计算成果分析

工况2满足碾压混凝土坝温度控制标准要求，因此针对工况2对两种坝体分缝方案分别进行应力场仿真计算。方案1坝体中间坝段第一主应力S1包络图见图5，方案2坝体不同部位混凝土最大温度应力见表6，方案2拱冠梁剖面不同高程典型点第一主应力S1历时曲线见图6。

图5 方案1坝体中间坝段第一主应力S1包络示意(单位：MPa)

表6 方案2坝体不同部位混凝土最大温度应力 MPa

温度场应力场计算结果分析表明：

1)坝体应力与温度的时空分布规律基本吻合，即高温和次高温季节浇筑的混凝土，温度较高、应力相对较大；低温季节浇筑的混凝土，温度较低、应力相对较小。拱坝结构比较单薄，坝体内部和表面的温度应力随外部环境温度以年为周期呈简谐变化。

2)方案1中间坝段混凝土温度应力偏大，不满足混凝土拱坝应力控制标准要求，因此，需在拱冠梁附近再加设1条横缝，以改善坝体约束条件，削弱基础温降引起的拱向温度应力，减小坝体开裂风险。

3)方案2满足混凝土拱坝应力控制标准要求，垫层常态混凝土C2825W6F150最大温度应力为1.86 MPa，溢流面常态混凝土C2840W8F200最大温度应力为2.13 MPa；迎水面二级配碾压混凝土C9025W8F150和坝体内部三级配碾压混凝土C9025W6F100最大温度应力均出现在低温季节坝体表面，主要是由于较高的浇筑温度和水化热温升，使得坝体内部温度升高，入冬后内外温差梯度增大，受周边基础和外界环境的双重约束，从而产生较大的温度应力。

6 横缝及诱导缝变形监测分析

三河口水利枢纽作为引汉济渭工程两个水源地之一，其主要任务是调蓄支流子午河来水及一部分抽入水库的汉江干流来水，向关中地区供水，兼顾发电。拦河坝为碾压混凝土双曲拱坝，无论结构设计还是现场施工均取得很大突破，因而在建设和初次蓄水过程中的工作性态备受关注。因此，为全面深入了解三河口碾压混凝土拱坝蓄水至550 m高程各收缩缝的安全状态，采用单向测缝计对坝体接缝变形进行安全监测，测缝计垂直于缝面沿高程呈梅花形布置。蓄水阶段坝体接缝测缝计特征值统计见表7。

表7 蓄水阶段坝体接缝测缝计特征值统计 mm

坝体接缝变形监测结果分析表明：蓄水期间，横缝和诱导缝开合度整体变化较小，变幅在0.3 mm以内，未出现异常突变迹象，说明本次蓄水对已灌浆的接缝开合度基本无影响，同时也印证了三河口碾压混凝土拱坝采用的分缝方案和采取的温控措施是合理可行的。坝体接缝变形安全监测评价，不仅是监察施工质量、反馈设计成果的有效手段，也是及时准确地掌握大坝工作性态，为蓄水决策提供技术支撑的重要手段。