蜀河水电站厂房坝段温控仿真分析

叶 焰 中

(深圳市北部水源工程管理处，广东 深圳 518000)



蜀河水电站厂房坝段温控仿真分析

叶 焰 中

(深圳市北部水源工程管理处，广东 深圳 518000)

根据蜀河水电站厂房坝段的基本资料、计算模型和施工计划等条件,对该厂房坝段的施工过程进行了仿真分析，介绍了厂房坝段的温度控制方案和在使用该控制方案后的计算结果,为该工程的温控防裂提供了理论基础。

水电站，厂房坝段，温度应力，温控措施

蜀河水电站为二等大(Ⅱ)型工程，工程的主要任务是发电，并兼顾航运等。总装机容量276 MW，年平均发电量9.53亿kW·h，年利用3 530 h。枢纽建筑物布置形式为左岸溢流式厂房方案，坝顶高程230.00 m，最大坝高为65 m。该地区多年平均气温15.3 ℃，最高年平均气温20.3 ℃，最低年平均气温为11.4 ℃；多年最高月平均气温为31.8 ℃(7月)，多年最低月平均气温为-0.2 ℃(1月)。本文针对蜀河水电站厂房坝段在高温季节不同入模温度对坝体内的温度和应力变化进行了重点研究。

1 气候条件

混凝土不同阶段的温度变化及温度差是引起混凝土裂缝的重要原因之一,根据工程所在地气象统计资料，蜀河水电站外界气温函数模型拟合如下[1-3]：

(1)

其中，τ为时间。

1.1 厂房坝段混凝土材料属性

根据厂房坝段的混凝土材料配合比、绝热温升图以及常态混凝土复合指数绝热温升公式，拟合得到了厂房坝段的绝热温升公式为：

θτ=26.0×(1-e-0.15τ0.69)

(2)

根据《大体积混凝土温度应力与温度控制》及类似工程经验选取厂房坝段材料徐变度为：

C(t,τ)=C1(3.0+70τ-0.50)[1-e-0.3(t-τ)]+

C2(1+4.0τ-0.5)[1-e-0.005(t-τ)]

(3)

由于施工单位未能提供厂房坝段混凝土的材料属性，根据文献[1]结合以往工程常态混凝土材料属性，拟定选用弹性模量为25.5 GPa,导热系数为10.17 kJ/(m·h·℃),导温系数为0.004 5 m2/h,泊松比为0.167，重度为24 kN/m3。

1.2 厂房坝段温度控制标准

表1 混凝土容许温差表

通过厂房坝段准稳定温度场的计算,厂房坝段在0L～0.2L(L≥40)区域,稳定温度最低为12 ℃～15 ℃；厂房坝段在0.2L～0.4L(L≥40)段的广大区域,准稳定温度维持在16 ℃。如果以常规混凝土浇筑厂房坝段在0L～0.2L(L≥40)区域的混凝土,从表1可知,在施工期间,只要控制厂房坝段0L～0.2L(L≥40)区域混凝土最高温度小于28 ℃(13+15=28),厂房坝段0.2L～0.4L(L≥40)区域混凝土最高温度小于31 ℃(16+15=31),混凝土的抗裂安全将是有保证的。具体各部位的温控标准见表1[4-6]。

2 厂房坝段温控仿真计算

蜀河电站厂房坝段计算时，将厂房坝段底部按绝热边界来选取，顶部采用与空气接触边界。仓面混凝土在浇筑过程中，边界条件是不断变化的，当旧混凝土被新浇筑混凝土覆盖时，旧混凝土与新混凝土边界条件按第一类边界条件，当浇筑混凝土与空气接触时，边界条件转变成第三类边界条件。根据实际工程施工图纸，综合考虑厂房坝段分缝情况及坝段结构布置、工作特性等因素建立其有限元分析模型，本模型采用8节点6面体单元离散结构，将模型划分成17 348个单元、23 310个节点，坝段层厚为2.5 m～3 m，如图1所示。

2.1 不同工况下温控方案的计算

对厂房坝段在仿真计算时，根据工程实际情况，共设计了5种不同的工况。根据施工单位提供的混凝土浇筑厚度和浇筑时间以及相邻浇筑块之间时间间隔、上下层混凝土浇筑时间间隔，初步拟定了仿真分析需要的浇筑块。本坝段从2012年8月1日开始浇筑到2013年4月30日结束，在仿真计算中，将计算时间延长了2个月到2013年6月1日。对厂房坝段的应力分析，我们选用浇筑完成后5 d(2009年4月5日)的应力场进行分析，由于在该时间最后一仓混凝土水化热高峰期刚好散完，其温度应力应为最不利时，所以选用该时间为最不利应力场时间。

厂房坝段混凝土通过上述5种工况的温控仿真计算，工况1(无温控措施)不满足温度控制要求，其余4种工况方案均满足该部分温控要求。冷却通水是降低混凝土内部温度的有效方法，在有冷却水管的工况中，混凝土内部温度最高为26 ℃，出现在坝段与空气接触面上环境温度最高时。所以，应加强混凝土表面的保护。同时由于在计算过程中，部分参数为经验值，计算结果与实际情况会有出入，仿真计算结果可以作为施工过程温控的参考。完全满足实际施工中的跳仓浇筑情况，目前还不现实，但从理论上能够满足跳仓浇筑的要求，即满足相邻浇筑块之间间隔时间的要求；上下层浇筑块时间间隔的要求。从计算结果可以看出，当采用温控工况1的方案时厂房坝段混凝土最大应力约1.86 MPa，当采用温度控制措施工况2～工况5时，混凝土最大应力约为0.85 MPa，因此采用工况2～工况5温度控制措施可以降低混凝土最大应力，达到温度控制的要求。

厂房坝段温控仿真工况及其结果见表2。

表2 厂房坝段温控仿真工况及其结果

2.2 厂房坝段不同时间点纵向剖面温度场特性分析

通过对5种不同工况的分析，为便于施工工况的纵横向对比，本文选取工况4在不同时间点时所对应的同一位置的温度应力云图进行分析，仿真结果见图2～图5。根据图形分析结果如下：工作仓面在施工期间一直与空气直接接触，因此越接近坝顶，其混凝土随气温变化越显著；随着浇筑层的增高，坝体内温度最高区域的位置不断地升高；混凝土内部温度最高为24 ℃,主要出现在坝段与空气接触面上环境温度最高时，其产生的主要原因是由于环境对混凝土表面的影响，内外温差为14 ℃左右。

3 结语

1)通过对上述5种工况的仿真计算，温控方案一(无温控措施)

不满足温度控制要求，其余4种方案均满足该部分温控要求。

2)冷却通水是降低混凝土内部温度的有效方法，在有冷却水管的工况中，混凝土内部温度最高为27 ℃，出现在坝段与空气接触面上环境温度最高时。所以，应加强混凝土表面的保护。

3)由于在计算过程中，部分参数为经验值，计算结果与实际情况会有出入，仿真计算结果可以作为施工过程温控的参考。

4)完全满足实际施工中的跳仓浇筑情况，目前还不现实，但从理论上能够满足跳仓浇筑的要求，即满足相邻浇筑块之间间隔时间的要求；上下层浇筑块时间间隔的要求。本仿真分析严格按照委托单位提供的工况进行。

5)厂房坝段部分墩墙混凝土需做表面保护，建议在墩墙表面使用4 cm厚的高发泡聚乙烯卷材做永久保护。

[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] 三峡工程混凝土温控小组.三峡水利枢纽混凝土工程温度控制手册[Z].1999.

[3] 朱伯芳，许 平.碾压混凝土重力坝的温度应力与温度控制[J].水利水电技术，1996(4):18-25.

[4] 徐向东.永定桥碾压混凝土重力坝温控方案仿真分析[J].人民黄河，2009，31(9):104-106.

[5] 朱伯芳.混凝土坝施工期温度场计算[J].水利水电技术，2010，41(9):36-41.

[6] 张国新.碾压混凝土坝的温度应力与温度控制[J].中国水利，2007(21):4-6.

On temperature control simulation analysis at dam section of Shuhe Hydropower Station

Ye Yanzhong

(ShenzhenNorthWaterSourceEngineeringAdministrativeDepartment,Shenzhen518000,China)

According to some basic documents, calculation models and construction plans of the dam sections of Shuhe Hydropower Station workshops, the paper undertakes the simulation analysis in the construction craft of the workshop dams, and introduces the temperature control scheme of the section and the calculation results after the controlling scheme, so as to provide some theoretic foundation for the temperature control and crack resistance in the project.

hydropower station, workshop dam section, temperature stress, temperature control measure

1009-6825(2016)18-0219-02

2016-04-16

叶焰中(1984- ),男，硕士，工程师

TV731

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