基于ABAQUS的某大坝温度场模拟

王鹏



基于ABAQUS的某大坝温度场模拟

王鹏

（重庆交通大学 河海学院，重庆 400074）

坝体温度场分布规律是研究面板温度应力和探测渗漏等问题的基础，采用有限元分析软件ABAQUS，对大坝的温度场分布进行仿真模拟，得到坝体内部温度场随年周期的变化规律. 结果表明，坝体底部基础温度一般较低，气温等因素变化对该部位温度场影响不大，而上游坝体温度场分布主要受到库水温影响，沿深度呈现良好的递减趋势；坝体表面温度受气温影响明显，表面温度与环境温度之差不大，但变化稍有滞后. 总体来说，坝体温度场分布符合一般规律.

面板堆石坝；数值模拟；气温；温度场

随着施工技术水平的提高，由抛填堆石逐渐发展来的具有高压缩模量的碾压堆石坝正向着高坝发展，应用也越来越广泛[1-2]. 一般来说，此类坝型的坝坡稳定性能满足使用要求，但也存在着渗漏和变形量大等问题，特别是面板对整个大坝的使用与安全起着极其重要的作用，混凝土面板开裂等问题严重制约着混凝土面板堆石坝的推广应用. 张国新等[3]模拟了混凝土面板温度应力的变化过程，分析了软弱垫层对面板温度应力的影响后认为面板中部会产生较大的拉应力，可能造成开裂. 王瑞骏等[4]认为温度应力是面板产生贯穿性裂缝的主要原因，温度应力及干缩应力是面板产生表面裂缝的主要原因，进而建立了面板与垫层之间接触面的温度场及温度应力的有限元计算模型. 由此可见，除坝体本身的不均匀沉降因素外，大温差下温度应力作用是造成面板开裂的重要原因. 此外，利用渗流场和温度场之间明显的相关性，还可以通过温度场的分析来探测堤坝渗漏，是近年来兴起的一项新探测技术[5]. 研究面板温度应力和渗漏等问题应建立在合理分析坝体温度场分布的基础上，因此，合理精确地模拟堤坝等温度场分布情况很有必要.

面板堆石坝温度场分布和气温、地温、库水温等环境温度密切相关，大坝由于气温和水温交替变化，具有明显的周期性时空分布特征. 本文综合考虑影响大坝温度场的因素，建立有限元计算模型，以分析某大坝温度场分布.

1 工程概况

某水利枢纽工程为混凝土面板堆石坝，坝址区出露下三叠统嘉陵江（T1j）二段、三段、四段及五段下部地层，其上覆盖第四系冲洪积、崩坡积层. 坝址位于岩溶地区，主要有溶槽、岩溶裂隙、溶洞和岩溶泉，水文地质条件较为复杂，因此防渗尤为重要，面板砼采用C25，水灰比不得大于0.5，抗渗标号为W8，采用单层双向配筋，钢筋置于面板截面中部，水平配筋率为0.3%，竖向配筋率为0.4%. 设计堆石坝的坝顶高程，最大坝高，坝轴线长，坝顶宽，防浪墙顶高程，上游坝坡，下游坝坡，上游采用不等厚面板，顶部厚，底部厚，下游坝坡在高程和处分设两条马道，马道宽. 将坝体材料从面板以下依次分为垫层区、过渡区、主堆石区、次堆石区、特殊垫层区和下游堆石棱体，在面板上游高程以下设有粘土铺盖和土石渣盖重区.

2 有限元计算模型

2.1 网格

堆石坝模型大部分采用八节点六面体等参单元（DC3D8），局部不满足时采用四节点三面体等参单元（DC3D4），结点总数为，单元总数为（四节点三面体等参单元有159个），其中面板单元数为406. 有限元网格见图1. 建模时规定：轴为坝轴线方向，从左岸指向右岸为正；轴为水流方向，从上游指向下游为正；轴为竖直方向，高程向上方向为正.

图1 堆石坝计算网格

2.2 参数

面板堆石坝的坝体热学性能参数由于缺少相关资料和试验支持，所以参考相关工程和文献[6-7]，按经验选取，具体参数如表1所示.

表1 坝体热学性能参数

2.3 边界（水位）

实际影响坝体温度场分布的边界有3种：气温、库水温和地温. 大坝在实际的运行过程中，本身的温度场会随着环境温度而变化，最主要受到库区水温、大气温度和地下温度的影响. 一般来说，大气温度、库水温都具有明显的周期性，且库区水温滞后于大气温度；库水温具有时空分布特征：不仅随季节变化而变化，而且沿深度增加而降温直至水面以下才恒定；地下温度的影响范围和深度有限. 在Abaqus有限元软件中，以上影响因素可以通过设定温度边界条件和相互作用的形式来实现.

气温变化受太阳辐射影响，呈现良好的日周期和年周期性. 本文在统计工程所在地气象站的气象特征的基础上，决定以月为单位进行计算，采用表2中多年平均气温，探讨在年周期性温度变化下，该面板堆石坝的温度应力分布的变化. 气温随月份变化在Abaqus中可以通过幅值曲线的方式输入（tools-Amplitude-Tabular），然后通过时间增量步（step time）的方式进行控制，最后通过相互作用interaction中对接触表面进行设定环境温度的方式完成气温的施加.

表2 多年平均气温分布

鉴于库水温具有复杂的时空分布特征，在此将其简化，忽略其年周期性，以水面往下线性递减至水下后达到的恒温. 在Abaqus中对于呈现线性分布的量值，可以在解析场（tools- analytical-field）中定义以坝体高度为自变量的函数. 库水温的作用通过温度边界条件施加：水面至水下的分布按解析场添加；水下以下考虑为恒温. 实际中地温变化幅度不大，对温度场的影响范围和深度有限，遂将其考虑为恒温. 地温的作用也通过温度边界条件施加.

3 计算结果与分析

图2 1月坝体温度场分布

图3 8月坝体温度场分布

面板； 覆盖层；主堆石； 次堆石； 块石护坡

对比图3、4中大坝温度场分布，各月份的温度场分布最主要受到气温的影响. 1月气温最低，坝体内部存在约的温度集中区域；随着天气回暖，1～7月坝体表面温度受气温影响而升温，8月温度极值最高达到，且温度梯度明显增大，但其分布规律大体上保持一致；9～12月降温过程又呈现相反趋势，温度极值和温度梯度都减小. 坝基覆盖层温度基本保持低温，特别是靠近上游部分常年处于低温库水的作用下，这说明在运行期内气温和库水温对地基范围内的温度并不敏感. 库区水位以下，上游坝体温度场分布沿深度呈现良好的递减趋势.

图4显示，气温对块石护坡的影响最大；主堆石和次堆石温度变化相似，但次堆石稍微高于主堆石，这是由于次堆石更接近块石护坡，受气温影响更大，而主堆石受到库水温影响；面板也受到库水温的调节，温度波动范围不大；坝体基础底部温度一般维持在较低水平，常年保持在左右.

4 结语

针对混凝土面板堆石坝的温度应力和渗漏等问题所需的坝体温度场分布，综合考虑了气温、库水温和地温的影响，对某堆石坝进行了温度场仿真模拟，其计算结果表明：坝体基础底部温度一般较低，气温等因素对该部位温度场变化影响不大，常年保持在低温；坝体下游面温度场受气温和太阳辐射影响较大，呈现年周期性变化；上游坝体温度场分布主要受到库水温影响，沿深度呈现良好的递减趋势. 坝体表面温度随气温波动较大，表面温度与环境温度之差不大，但变化稍有滞后.

总的来说，温度场计算结果符合一般规律，靠近外表面温度梯度较大，内部温度梯度较小. 在合理的分析坝体温度场分布的基础上，为研究面板温度应力和渗漏等问题提供了可能.

[1] 郦能惠，杨泽艳. 中国混凝土面板堆石坝的技术进步[J]. 岩土工程学报，2012, 34(8): 1361-1368.

[2] 徐泽平，邓刚. 高面板堆石坝的技术进展及超高面板堆石坝关键技术问题探讨[J]. 水利学报，2008, 39(10): 1226-1234.

[3] 张国新，张丙印，王光纶. 混凝土面板堆石坝温度应力研究[J]. 水利水电技术，2001, 32(7): 1-5.

[4] 王瑞骏，李章浩，王党在，等. 面板与垫层之间接触面的温度应力计算模型研究[J]. 水力发电学报，2006, (3): 58-61.

[5] 苌坡，陈建生，王霜，等. 温度场反分析法确定大坝渗漏通道位置[J]. 人民黄河，2014, 36(11): 131-134.

[6] 袁自立，马福恒，焦延涛. 石漫滩碾压混凝土重力坝温度效应分析[J]. 南水北调与水利科技，2013, 11(5): 61-64.

[7] 吴礼国，周定科，邓方明，等. 大体积混凝土浇筑温度场的仿真分析[J]. 水运工程，2011, (7): 36-40.

[8] 王党在，王瑞骏. 日最大降温时堆石坝混凝土面板温度应力研究[J]. 西北水力发电，2004, 20(3): 5-8.

[9] 刘光廷，胡昱，王恩志，等. 石门子碾压混凝土拱坝温度场实测与仿真计算[J]. 清华大学学报（自然科学版），2002, 42(4): 539-542.

[责任编辑：韦 韬]

ABAQUS-based Dam Temperature Field Simulation

WANGPeng

(Hehai College, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Dam body temperature field distribution is the basis of the study of slab thermal stress and leakage detection. Using the finite element analysis software ABAQUS to simulate the dam temperature field distribution, the annual change pattern of the dam body’s inside temperature is obtained. Results show that the dam bottom temperature is generally low and the impact of temperature change on it is insignificant. Upstream, the dam body temperature field distribution is mainly affected by the reservoir water temperature, showing a decline trend with increasing depth. The dam surface temperature is significantly affected by the air temperature, with insignificant difference between surface temperature and the ambient temperature, and the change is slightly lagging behind in time. In general, the dam temperature field conforms to the general rule.

concrete faced rockfill dams; numerical simulation; air temperature; temperature fields

1006-7302（2016）02-0070-04

TV3

A

2016-03-03

王鹏（1992—），男，重庆人，在读硕士生，研究方向为岩土工程.