三河口大坝施工期浇筑层温控措施优化分析

王佐荣 李晓峰 岳立宇

(陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710024)

碾压混凝土坝是目前流行的坝型，其具有能够缩短工期、大幅度提升浇筑效率、加强施工质量等特点。但是施工浇筑过程中受气候条件和昼夜温差的影响较大，碾压混凝土坝面临着施工时内外温差较大容易产生裂缝的问题。之所以出现以上现象，主要有以下两个方面原因：ⓐ传统的现场施工条件、技术条件及配套设备、措施都相对落后，多以人工旁站或经验参考为主，对于近年来建设的大坝缺乏监控施工质量(温控、碾压、振捣等)的有效手段；ⓑ受原材料、骨料选定等客观条件限制，设计方在可研、初设阶段制定大坝温控标准与措施时所依托的相关科研成果，其计算假定边界条件或材料参数与现场实际边界条件和材料参数往往差异较大，难以全面反映现场施工时的真实情况和各种工况，大多数工程进入施工阶段后往往沿用早期成果，难以有效指导现场施工，使得现场的温控防裂工作缺乏有效的实时支撑。因此，施工期裂缝和渗漏问题的出现将导致施工经济和时间成本增加，以及无法正常蓄水发电等问题。已有许多学者针对温控措施优化问题进行了大量的研究，傅少君等[1]以小湾超高碾压混凝土拱坝为研究对象，以高拱坝温度特征和温控防裂等关键技术为出发点，提出了对小湾混凝土拱坝的冷却方案、浇筑方案、表面保护措施，构建了拱坝温控的动态跟踪与仿真反馈系统模型，计算出温度特征、温度应力特征参数，计算结果精确，为小湾碾压混凝土高拱坝施工提供了依据。马涛等[2]针对北方冬天寒冷，坝体内外温差较大的情况下，以新疆某碾压混凝土重力坝段为研究对象，采用ANSYS软件进行仿真计算分析，对坝体内部温度应力进行研究，结果表明：夏季施工需要对混凝土采取降温措施，秋季混凝土温度较低，不需要进行降温，冬天不建议进行混凝土浇筑，如果浇筑须做好防护措施。张晓飞等[3]以某碾压混凝土重力坝过程为例，采用三维有限元法，分析不同浇筑厚度对大坝混凝土温度场和应力场的影响。研究结果表明：坝体混凝土最高温度随着浇筑层厚度的增大而增加，且最高温度不仅受浇筑层厚度影响，也受浇筑的时间影响，碾压混凝土最大拉应力随着浇筑层厚度增加而增加。钱波等[4]以实际工程为例，对碾压混凝土的内外温差和浇筑层之间温差进行计算，以确定坝体的温控标准，找出影响温控措施的较大因素，优化温控措施。综上可知现有关于大坝温控措施的研究多针对单一因素展开，同时考虑浇筑层厚度和不同季节施工时坝体温度和应力变化过程的研究较为匮乏。

本文以三河口碾压混凝土拱坝为研究对象，基于温度场和应力场的理论，采用三维有限元[5]分析方法，从不同季节和不同浇筑层厚度两个角度开展三维仿真分析，研究其施工浇筑过程中的温度和应力变化过程，研究坝体混凝土最高温度和最大应力值，分析浇筑季节和浇筑层厚度对温度和应力的影响规律，提出温控优化措施，为三河口碾压混凝土拱坝施工期温控优化提供技术支撑。

1 工程概况

引汉济渭工程是陕西省内重大跨流域调水工程，其中三河口水利枢纽工程是引汉济渭工程的最重要的组成部分。其为大(1)型Ⅰ等工程。坝体采用碾压混凝土浇筑，坝高145m，总库容达7.1亿m3，调节库容6.62亿m3。主要任务是调蓄支流子午河来水和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。目前已顺利完成截流，下一步将开始大坝主体的全面建设，大坝建设过程中将会面临以下困难：相对于普通混凝土而言，碾压混凝土的抗裂能力存在不足，在浇筑时其分层结合面之间的质量控制过程存在较大困难，无法较好地控制其防渗和抗裂性能；三河口碾压混凝土拱坝坝址所在地多年平均温度12.3℃，其中1月多年平均温度0.8℃，7月多年平均温度23.3℃，气候干燥，年温差大，相对于同类已建工程，内外温度之差较为明显，防裂条件不足，出现裂缝的可能性、防裂难度都大于其他同类已建工程。

2 计算理论

2.1 温度场计算理论

在混凝土坝仿真分析中，温度荷载是基本作用荷载。坝体温度变化是一个热传递问题。利用仿真计算分析[6-7]，对坝体中的温度荷载进行计算[8]。温度场计算见图1。

图1 温度场计算示意图

热传导的微分方程[9]:

式(1)的使用前提是固体温度场能够具备平均性、各向同性：

(1)

边界条件为

(2)

(3)

(4)

热量平衡方程式(1)中从左到右的三项依次代表：由x，y，z方向进入单元热量；本身热源热量；微元体升温需要的热量。

C2为边界上确定不变的热流量q(τ)，当q=0时为绝热边界条件；

C3为边界上确定对流热交换条件。

只要能够满足C1边界上的温度条件，在求解的过程中，自然能够满足C2、C3为自然边界条件的要求。

2.2 应力场计算理论

(5)

式中：B为位移与应变的转换矩阵；D为弹性矩阵。可以将等效结点荷载Pε0与其他荷载相加，计算出包含温度应力的总应力。

计算应力的应力-应变关系中包括初应变项：

σ=D(ε-ε0)

(6)

3 施工期浇筑层温控措施优化分析

3.1 计算模型构建

本章选取三河口大坝5号河床坝段的典型剖面进行建模。

图2所示为河床5号坝段的计算模型与网格。坝段底高程501.0m，顶高程646.0m。共剖分单元总数71122个，结点总数82767个。图中Y代表横流方向，X代表顺流方向，Z代表竖直向上。顺河向中心剖面见图3。

图2 计算模型与网格

图3 顺河向中心剖面示意图

温度场的计算边界条件：绝热边界为顶部和底部，其余均可以实现热量交换。应力计算边界将基础面三个方向设置为约束。

3.2 材料性能参数

a.混凝土材料热力学性能参数见表1。

表1 混凝土热力学性能参数

b.混凝土弹模参数见表2。

表2 混凝土弹模参数

c.混凝土极限拉伸值见表3。

表3 混凝土极限拉伸值

d.混凝土虚拟抗拉强度参数见表4。

表4 混凝土虚拟抗拉强度(极限拉伸×弹性模量)参数

3.3 施工期浇筑层温控措施优化分析

3.3.1 计算工况

计算工况见表5。

表5 计算工况

3.3.2 计算结果

表6～表7为坝体碾压混凝土在不同浇筑层厚工况的最高温度比较。图4～图13为不同季节下的不同浇筑层厚工况中间剖面温度和应力包络图。图14～图17为夏季高温季节不同浇筑层厚工况的典型高程温度及应力过程线比较。

图4 gk1浇筑层厚3.0m方案中间剖面温度包络图 (单位：℃)

图5 gk1浇筑层厚3.0m方案中间剖面应力包络图 (单位：0.01MPa)

图6 gk2浇筑层厚1.5m方案中间剖面温度包络图 (单位：℃)

图7 gk2浇筑层厚1.5m方案中间剖面应力包络图 (单位：0.01MPa)

图8 gk3浇筑层厚4.5m方案中间剖面温度包络图 (单位：℃)

图9 gk3浇筑层厚4.5m方案中间剖面应力包络图 (单位：0.01MPa)

图10 gk4浇筑层厚1.5m方案中间剖面温度包络图 (单位：℃)

图11 gk4浇筑层厚1.5m方案中间剖面应力包络图 (单位：0.01MPa)

图12 gk5浇筑层厚3.0m方案中间剖面温度包络图 (单位：℃)

图13 gk6浇筑层厚4.5m方案中间剖面应力包络图 (单位：0.01MPa)

图14 1.5m、3.5m、4.5m厚度浇筑层的大坝中部温度变化过程(秋冬季节、505.5m高程)

图15 1.5m、3.5m、4.5m厚度浇筑层的大坝中部横河向应力变化过程(秋冬季节、505.5m高程)

图16 1.5m、3.5m、4.5m厚度浇筑层的大坝中部温度变化过程(春夏季节、505.5m高程)

图17 1.5m、3.5m、4.5m厚度浇筑层的大坝中部横河向应力变化过程(春夏季节、505.5m高程)

a.对于秋冬季浇筑的大坝碾压混凝土，由于外界气温相对较低，仓面中部1.5m/层方案、3.0m/层方案、4.5m/层方案的最高温度分别为25.53℃、27.13℃、27.58℃。1.5m层厚比3.0m层厚仓内最高温度低大约1.6℃，3.0m层厚比4.5m层厚仓内最高温度低大约0.45℃。仓面中部1.5m/层方案、3.0m/层方案、4.5m/层方案的最大应力分别为1.83MPa、2.17MPa、2.19MPa。安全系数分别为1.99、1.68、1.66，见表6。

表6 秋冬季不同浇筑层厚度计算结果

b.对于夏季浇筑的碾压混凝土，由于外部温度相对较高，中部仓面1.5m/层方案、3.0m/层方案、4.5m/层方案下的碾压混凝土最高温度分别为30.10℃、30.58℃、30.58℃，1.5m层最高温度比3.0m层最高温度低大约0.48℃，3.0m层厚度与4.5m层厚度最高温度无变化，仓面中部1.5m/层方案、3.0m/层方案、4.5m/层方案最大应力分别为2.42MPa、2.73MPa、2.78MPa。安全系数分别为1.57、1.39、1.37，见表7。

表7 夏季不同浇筑层厚度计算结果

c.无论是薄层还是厚层浇筑，其最高温度都与浇筑季节有较大的相关性。浇筑季节对浇筑最高温度的影响较大。若在秋冬季节浇筑，覆盖层较薄时，最高温度较低，降温速度比较快。只要做好保温，其应力低于厚浇筑层。若在夏季节浇筑，混凝土浇筑的最高温度明显大于秋冬季，不同浇筑厚度最高温度变化不明显，应当做好对最高温度的控制，缩短层间浇筑的间隔时间，在运输、碾压和摊铺各环节采取措施，减少混凝土温度回升和水分蒸发；在满足混凝土设计标准的情况下，宜采用中低热水泥，缓凝高效减水剂，可采用预冷骨料，加冷水拌和等措施，降低混凝土的出机温度。

4 结 论

本文以三河口水利枢纽碾压混凝土坝为研究对象，运用三维有限元方法对拱坝5号河床典型坝段混凝土进行仿真计算，通过计算分析不同季节、不同浇筑层厚度下拱坝碾压混凝土的温度和应力变化可以发现：

a.无论是夏季、秋冬季，大坝混凝土温度和最大应力值都随着浇筑层厚度的增加而依次递增，安全系数随着浇筑层厚度的增加而递减。

b.对于基础强约束区的碾压混凝土，由于受到外界气温较低的影响，秋冬季浇筑时1.5m浇筑层厚的降温速率会大于3m、4.5m层厚浇筑，高温季节浇筑时，由于外界温度高于混凝土内部温度，温度倒灌现象高于3.0m、4.5m层厚浇筑。

c.考虑三河口高温季节月均气温，夏季3m和4.5m层厚最高温度和应力相差不大；3m层厚和4.5m层厚差异较1.5m和3m层厚差异小，最高温度相差0.5℃以内，应力相差0.5MPa以内；考虑薄层浇筑碾压混凝土的强约束更为明显，以及冬季三河口气温较低的情况，参考已经计算出的结果，对于基础强约束区的碾压混凝土而言，拟采用3.0m厚层浇筑，以达到最佳的温度控制裂缝效果。