台山碾压混凝土重力坝温度场仿真研究

徐 衍 胡 靖葛 瑶 张晓飞

（1中国水利水电第四工程局有限公司 青海 西宁 810006；2陕西省人防建筑研究设计院 陕西 西安 710061；3陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西 西安 710001；4西安理工大学水利水电学院 陕西 西安 710048）

1 工程概况

台山核电厂淡水水源工程位于台山市赤溪镇曹冲溪上，工程靠南海海边，由拦河坝、输水隧洞及进场道路等组成。拦河坝为碾压混凝土重力坝，坝址位于赤溪镇新松村旁上游1km，距离南海海边直线距离约3km。碾压砼重力坝坝顶长度328m，坝顶高程53.6m，防浪墙高程54.8m，最大坝高54m，坝顶宽7.0m，坝体上游面垂直，下游边坡为1∶0.75。河床部位布置溢流坝段，共5孔，每孔净宽10m，为开敞式自由溢流堰，堰顶高程为正常蓄水位48.4m。溢流坝段上游面垂直，堰面为WES曲线，堰面曲线以下坡比为1∶0.75，采用阶梯式溢流面接消力池联合消能方式。

2 计算原理与方法

在计算域R内任一点，非稳定温度场需满足热传导方程【1】

式中：α——导温系数；

θ——混凝土的绝热温升。

混凝土在复杂应力状态下的应变增量包括弹性应变增量、徐变应变增量、温度应变增量、干缩应变增量和自生体积变形增量，因此有

式中：Δεne——弹性应变增量；

Δεnc——徐变应变增量；

ΔεnT——温度应变增量；

ΔεnS——干缩应变增量；

Δεn0——自生体积应变增量。应力场有限元计算方法见文献［2］。

3 计算参数

表1 坝址区多年月平均气温 单位：℃

表2 大坝混凝土热力学参数

表3 大坝混凝土施工进度安排

工程所在地多年月平均最高气温为28.2℃，最低气温为15.0℃，多年平均气温为22.5℃，坝址区多年月平均气温见表1。

大坝上游面采用二级配碾压混凝土，大坝内部采用三级配碾压混凝土，基础垫层采用三级配常态混凝土，混凝土热力学参数见表2。

从2009年11月21日开始浇筑底板1.5m厚常态混凝土，碾压混凝土的开浇时间为2009年12月20日，至2010年6月20日，坝体浇筑至设计高程45.80m。大坝混凝土施工进度安排见表3。

4 计算模型

大坝计算模型为坝体在坝轴线方向取横缝之间的整个坝段［3］。坝轴线指向右岸为x轴正向，下游方向为y轴正向，铅直向上为z轴正向。计算模型在坝基深度方向取60m，上游方向取60m，下游方向也取60m。整体有限元模型共有单元8958个，节点11312个，坝体单元7740个，节点9744个。温度场计算中边界条件的选取：地基底面和4个侧面以及坝段横缝面为绝热边界,坝体上下游面在水位以上为固～气边界，水位以下为固～水边界。固～气边界按第三类边界条件处理，固～水边界按第一类边界条件处理。大坝计算模型见图1。

图1 坝体计算模型图

图2 方案1施工期2010年5月21日温度云图

图3 方案2施工期2010年5月21日温度云图

图4 方案1施工期末2010年8月14日温度云图

图5 方案2施工期末2010年8月14日温度云图

表4 方案1和方案2不同部位最高温度、稳定温度、最大温差和规范容许温差

5 计算方案

方案1：该方案对11月份到次年4月浇筑的部位，采取自然入仓浇筑，浇筑温度为月平均气温+2℃；5月～8月浇筑的部位采取控制浇筑温度措施，浇筑温度小于等于28℃。大坝施工进度安排见表3。

方案2：该方案施工进度和浇筑温度与方案1相同。对整个区域（高程0.0m～54.0m）的混凝土通天然河水冷却［4,5］，通水时间为1天，浇筑完12小时通水。冷却水管间距为1.5m×1.5m，通水流量为1.0m3/h，冷却水管长度为250m。

6 温度场计算结果分析

坝体温度达到稳定温度之后，坝体表面的温度随着外界气温和水温的变化而变化。根据水库上、下游正常水位以及水温分布、年平均气温等资料，计算得出坝体稳定温度为20℃左右。

根据混凝土热力学参数和施工进度安排对该大坝温度场进行了仿真计算研究，方案和方案2施工期2010年5月21日温度云图见图2和图3，施工期末2010年8月14日温度云图见图4和图5，不同部位最高温度、稳定温度、最大温差和规范容许温差见表4。

从温度场计算成果可以看出：

（1）在强约束区（坝高0.0m～7.5m）碾压混凝土范围内，方案1最高温度为34.9℃，方案2为30.5℃，方案1基础温差大于碾压混凝土坝设计规范规定的容许温差12℃～14.5℃，方案2基础温差小于规范容许温差。

（2）在弱约束区（坝高 7.5m～15.0m）碾压混凝土范围内，方案1最高温度为37.1℃，方案2为32.8℃，方案1基础温差大于碾压混凝土坝设计规范规定的容许温差14.5℃～16.5℃方案2基础温差小于规范容许温差。

（3）在非约束区（坝高 15.0m～51.0m）碾压混凝土范围内，方案1最高温度为41.8℃，方案2为37.1℃，方案1最高温度比方案2小4.7℃。

（4）施工期对坝体埋设冷却水管，水管排间距1.5m×1.5m，浇筑完0.5天后立即通水通水历时15天，可将坝体最高温度降低2℃～5℃左右，可见采取冷却水管措施对降低坝体内部温度是有效的。

（5）坝体内部最高温度达到准稳定温度需要漫长过程，温度场计算结果表明：坝体的最高温度出现在施工期内。运行期，坝体与周围环境进行热交换，坝体内最高温度逐渐减小。运行10年左右，坝体内部温度基本趋于准稳定温度场。

（6）方案2为推荐方案。

7 结论

采用三维有限元法，模拟台山碾压混凝土重力坝的施工过程进行了温度场仿真研究，分析了不同方案温度场的分布规律。从计算成果可以看出：对11月份到次年4月浇筑的部位，采取自然入仓浇筑，5月～8月浇筑的部位采取控制浇筑温度措施，且对整个区域的混凝土通天然河水冷却，最高温度可满足碾压混凝土重力坝设计规范要求。研究成果为该碾压混凝土重力坝的设计和施工提供了重要依据。陕西水利

[1]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京:中国电力出版社,1999

[2]薛元琦,张晓飞,白继中.碾压混凝土拱坝温度场和应力场仿真计算研究［J］.人民黄河,2014（36）1：100～106

[3]林鹏,胡杭,郑东等.大体积混凝土真实温度场演化规律试验［J］.清华大学学报（自然科学版）,2015（50）1:27～32

[4]练迪,黄耀英,郑晓晖等.混凝土浇筑仓一期冷却通水措施优选初探［J］.中国农村水利水电,2014（11）90～92

[5]张石虎,傅少君,陈胜宏.基于复合单元法的含层面碾压混凝土坝温度场研究［J］.长江科学院院报,2013（30）12:101～106