北方寒区混凝土重力坝温度及应力时空分布模拟

王继飞

（北票市农村饮水工程建设管理站，辽宁北票 122100）

混凝土大坝的温控防裂技术是一项难度大、技术性强、涉及面广的工程技术难题，一直是工程技术人员关注的问题［1］。因为混凝土坝温度应力而产生的裂缝，坝体整体的安全稳定性和耐久性特征会受到严重的影响，大坝安全使用寿命大大缩短。重力坝温度应力分布与防裂的相关研究意义重大，对水库坝体安全和耐久设计具有重要的数据支撑作用［2］。北方寒区大中型混凝土坝工程面临着诸如裂缝、变形、渗漏、绕坝渗流等诸多病害，严重影响大坝的整体性、抗渗性、耐久性、安全性和外观，使整个坝体的安全度下降，缩短了大坝使用寿命，因此，对大坝进行系统的安全监测很有必要［3］。目前，水库坝体安全监测在信息实时自动采集、数据通讯、模拟仿真、预警反馈机制方面还有所局限，尚未形成完整的闭环系统，环节缺失或技术落后，亟待完善和更新［4］。为对大坝智能监测提供数据支撑，以辽宁寒区某中型水库建设工程为实例，综合考虑实际初始条件和边界条件，计入混凝土的热学、物理力学性能、施工混凝土温度、温度保持上下限、建设蓄水过程、外部变化气温、静水压差、坝体自身重量和温度、外部荷载等作用，采用当前国内水利工程温控模拟的三维有限元仿真模型［5-15］，对大坝施工期及运用期的温度及应力情况进行三维有限元仿真计算。研究成果对于北方寒区大型混凝土重力坝温控模拟具有推广和应用价值。

1 工程概况

辽宁西部猴山水库工程控制面积3 029 km2，占全流域面积的70%。最高水位对应的水库库容为0.80×108m3，建设等级为3级，拦河坝为水库主要的过水建筑物，副坝建设等级为2级。水库主要为城市生活用水及农业灌溉进行供水，且具有防洪功效。常态混凝土重力坝为其水工建筑物的主要挡水型式，坝体高度最大值为40.4 m，左右岸挡水段、右岸输水、溢洪道组成坝体主要建筑物形式。全部坝体长281.0 m，基面高程最低点为86.6 m，建筑水工混凝土容量最大值为18.44万m3。坝址以上集水流域主要位于辽西山丘区，流域冬天主要气候类型为东北典型季风气候，温度较低，空气干燥；夏天雨量较为充沛，以东南季风为主要气候类型。气温多年均值为9.5℃，气温最高和最低值为39.8℃和-26.3℃。11月上旬为河流结冰时间，3月中旬为河流开河时间。年内气温变幅较高，温差在昼夜变化较为明显，多年气温统计数据见表1。坝区全年高温时段为6，7，8月，平均气温超过20.0℃，11月至次年3月为冬季寒冷月份，冬季寒冷月份较长，夏季高温月份较短，春秋昼夜温差大。水库建设工程所在区域为辽宁温度较低的区域，气温变化较为明显。

表1 坝区多年气温统计表

2 施工水工混凝土主要性能指标

各类型混凝土的弹性模量计算公式：

式中：E(t)为水工混凝土在时刻t的弹性模量，GPa；E0为水工混凝土的弹性模量最终值，GPa；a，b为拟合系数。不同混凝土等级下的初始弹性模量、拟合系数如表2所示。

表2 不同等级水工混凝土弹模公式拟合系数

在温度应力分析中采用徐变度计算公式：

式中：C( t，τ)为徐变度，10-6/MPa；τ为应力值，MPa。

该工程混凝土采用渤海牌水泥和浑河牌水泥。混凝土热学特征：导温系数a=0.003 6 m2/h，导热系数λ=8.44 kJ/（m·h·℃），比热c=0.93 kJ/（kg·℃），线膨胀系数α=8.6×10-6/℃。混凝土自生体积变形见表3。

3 工程保温材料

1）采用厚度为10.0 cm的GRC复合挤塑板对上游正常水位以上坝体进行保温措施，采用10.0 cm厚的挤塑板在正常水位以下坝体部分进行保温措施，混凝土表面采用锚栓进行固定。采用10.0 cm厚岩棉对下游坝体、溢流堰面及闸墩位置进行保温措施。工程完工后对保温材料进行拆除。挤塑板导热系数在10.0℃和25.0℃时的值要分别低于0.028 W/（m·℃）和0.030 W/（m·℃）。

表3 混凝土自生体积变形

2）采用10.0 cm厚聚苯乙烯泡沫塑料板对越冬水平面进行保温措施的处理，采用10.0 cm厚苯板对侧立面进行保温处理，采用后挂方式将保温板放置在模板内侧，刮除相邻等待浇筑的表层混凝土。

4 计算模型及计算条件

4.1 计算模型

选取一个挡水坝段和一个溢流坝段进行温度应力模拟分析。坝体和地基以20个网格节点为单元进行剖分。上下游水面水温为模型计算边界条件，垂向绝热面为模型计算约束条件。

4.2 温度应力控制

大体积水工混凝土内部结构的温度应力安全系数按照SL 319-2005《混凝土重力坝设计规范》进行设定，设定值为1.5。

4.3 初拟温控措施

强约束区按照0.2 L（L为浇筑模块长边的尺寸）范围内对坝体建设基面进行控制，弱约束区按照0.2～0.4 L进行控制，非约束区按照其他范围进行控制。温度初拟措施：1）不同浇筑层之间间隔时长高于5 d，浇筑厚度范围为1.0～1.5 cm；2）浇筑时，强约束区温度控制在15.0℃以下，弱约束区温度控制在18.0℃以下，非约束区控制在20.0℃；3）对水管进行冷却；4）对坝体整体进行保温；5）河水表面有流速。

表4 挡水坝段温度和应力计算结果

5 仿真分析结果

5.1 准稳定温度场

大坝浇筑结束运行多年后，准稳定温度场为坝体温度变化周期为年尺度时的温度场，随着外界环境变化准稳定温度场将发生变化。准稳定温度场是温度应力计算的起点，对坝体温度应力的分析是必不可少的。

挡水坝段的准稳定温度场分为两种：一种是上游面保温、下游面不保温；另一种是上、下游面都保温。上游保温而下游不保温措施下，坝体中下区域温度保持常年稳定，坝面上下游和坝顶区域是温度变化主要区域。随着外界水温和气温变化，坝体区域温度也随之改变，坝内恒温区温度为11.0～12.0℃。对于坝体上下游都进行保温措施的情况，由于下游坝面采用保温措施，坝面附近最低温度由-5.0℃提高到了8.0℃。

5.2 温度和温度应力

首先按初拟的温控条件计算了坝体挡水段的温度应力变化，从计算结果可看出，坝体内部温度应力总体变化较低，因此，对温控措施分8个计算方案。

方案1：强约束区，混凝土浇筑温度不大于18.0℃；弱约束区，混凝土浇筑温度不大于20.0℃；非约束区，混凝土浇筑温度不大于22.0℃；基础混凝土水泥品种为渤海牌P.O42.5；上、下游面永久保温；5—10月浇筑的混凝土中铺设水管；6—9月浇筑的混凝土采取表面流水（采用河水，当河水温度超过20.0℃时，用20.0℃的制冷水）；4月1日开始浇筑混凝土；有自生体积变形。

方案2：基础混凝土水泥品种为浑河牌PM.H42.5，其他条件同方案1。

方案3：无水管冷却，无表面流水，其他条件同方案2。

方案4：无水管冷却，其他条件同方案2。

方案5：无表面流水，其他条件同方案2。

方案6：基础混凝土水泥品种为浑河牌PM.H42.5，9月1日开始浇筑混凝土，其他条件同方案1。

方案7：上下游保温层厚度8.0 cm，其他条件同方案2。

方案8：上下游保温层厚度6.0 cm，其他条件同方案2。

在计算中，当河水温度低于设定的水管冷却水温时，用河水冷却；当气温低于温控措施设定的浇筑温度时，采用自然入仓。挡水坝段温度和温度应力计算条件见表4。

对于方案1、方案2及方案6而言，当基础混凝土采用浑河牌水泥后，其坝体下游表面温度更低，更有利于坝体温度应力。对于方案7、方案8而言，坝体下游表面混凝土应力随着保温层厚度减小有所降低，当保温层的厚度减为8.0 cm时，下游面的应力平均降低0.2 MPa，当保温层的厚度减为6.0 cm时，下游面的应力平均降低0.5 MPa，因此，不应降低下游面保护层厚度。除方案3、方案4、方案5外，其他方案混凝土应力最大值出现在坝体顶部区域，坝体下游表面应力增加较为明显，局部应力主要集中在坝踵和坝趾处。相比于方案2、方案3、方案4，其他采用水管冷却及表面流水进行混凝土浇筑的方案，其温度应力可满足防裂指标要求。

6 结论

1）由于浑河牌水泥的绝热温升要低于渤海牌水泥，当基础混凝土采用浑河牌水泥后，坝体下游面的温度更低，对温度应力更有利。但是，由于基础混凝土的范围比较小，因此其影响范围有限。

2）当保温层厚度减小时，坝体表面附近混凝土的最高温度略有降低，坝体内部和上游面附近的最大应力变化很小，下游面的应力降低较多。当保温层的厚度减为8.0 cm时，下游面的应力平均减少0.2 MPa，当保温层的厚度减为6.0 cm时，下游面的应力平均减少0.5 MPa。考虑到有些计算用的混凝土材料性能参数是类比的，所以不建议减薄北方寒区水利工程保温层的厚度。

3）对于坝体挡水坝段，当下游表面长期保温时，坝体温度应力降低效果明显，而工程竣工后拆除下游面保温层，下游面混凝土的应力将不满足混凝土防裂要求。