新疆冲乎尔碾压混凝土重力坝底孔温控仿真分析

李秀琳，夏世法，孙粤琳

（1.中国水利水电科学研究院 材料结构研究所，北京 100038； 2.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038）

新疆冲乎尔碾压混凝土重力坝底孔温控仿真分析

李秀琳1，2，夏世法1，2，孙粤琳1，2

（1.中国水利水电科学研究院 材料结构研究所，北京 100038； 2.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038）

地处高寒地区的冲乎尔碾压混凝土重力坝运行后多个部位出现渗水，坝体存在多处裂缝。本文以底孔坝段为例进行温控仿真分析，模拟碾压混凝土坝施工过程、混凝土分区、外界气温和温控措施等，得出大坝温度和应力的变化过程及规律。计算结果表明底孔坝段存在多处温度应力超标现象。

冲乎尔；碾压混凝土；重力坝；底孔；温控

1 研究背景

新疆冲乎尔碾压混凝土坝位于新疆阿勒泰地区，是一座以发电为主要任务，兼有灌溉、供水效益的中型水电枢纽工程。挡水建筑物为碾压混凝土重力坝，坝顶高程756.0 m，最大坝高75 m，顶宽8 m，大坝共分为29个坝段。左岸河床6#—9#坝段为发电引水坝段，每个坝段宽15.5 m，采用坝后式厂房，压力钢管为坝后背管；河床中部12#坝段为溢流表孔坝段，宽19.0 m；右岸阶地16#坝段为泄洪底孔坝段，宽23.0 m；其余均为碾压混凝土挡水坝段，各坝段宽度15.0～20.0 m。大坝正常蓄水位755.0 m，死水位738.0 m。水库总库容0.84×108m3。大坝地处我国西北高寒地区，多年平均气温仅为2.6℃，极端最高气温达36.6℃，最低气温达-45℃，春秋季短，冬夏季长，冬季多严寒，气温年较差悬殊，气候干燥，日较差明显。这种气候特征对碾压混凝土重力坝的温控防裂极为不利［1-5］。

2009年工程完工并投入运行后，在左岸坝肩、坝体下游面部分永久横缝、坝体竖向裂缝、坝体越冬水平面、大坝碾压水平层面和坝体上游基础廊道等多个部位出现渗水，坝体存在多处裂缝。该工程没有对混凝土温控防裂进行过专题研究，在设计阶段与温控相关参数均参照同地区的某碾压混凝土重力坝执行。因此，很有必要按照冲乎尔大坝的实际浇筑过程和采用温控措施进行有限元仿真分析，查找出现温度裂缝的成因，判断裂缝的位置和范围。

2 仿真模型及计算资料

2.1计算模型及边界条件本文以坝体宽度最大、结构最复杂的底孔坝段为例进行模拟计算，底孔坝段具有两孔泄洪出水口，根据对称性选取其中一半（一个底孔和一半中墙）建立模型，地基在水平方向和深度方向各取2倍坝高，按照实际浇筑进度划分网格，采用空间6面体8节点等参单元，共计13 296个单元，16 512个结点。

底孔剖面图见图1，底孔计算模型见图2。温度场计算时，地基底面、地基4个侧面、坝段横缝及坝段厚度中截面为绝热边界。坝体上、下游面在蓄水前按第三类边界（坝面与空气接触）处理。蓄水以后，在水面以上为第三类边界；水面以下如不贴保温板则按第一类边界处理，如贴保温板则按第三类边界处理。应力场计算时，地基底面按固定支座处理，地基上、下游及左、右侧自由面施加法向约束。坝段坝轴线方向中截面施加法向约束，其余为自由边界。

图1 底孔剖面（单位：m）

图2 底孔有限元模型

2.2基本计算资料仿真计算时尽量选取实测的日平均气温，仍然缺失的取当地月平均气温。坝基岩体参数为：天然密度为2 730 kg/m3，泊松比0.3，弹性模量40 GPa。混凝土热学参数见表1，绝热温升、弹性模量、允许拉应力计算公式见表2，混凝土自身体积变形参数见表3，徐变相关参数见表4。

表1 混凝土材料热学参数

表2 绝热温升、弹性模量和允许拉应的计算公式

表3 混凝土自身体积变形参数

混凝土徐变度计算公式为［6］：

其中：A1、A2、B1、B2、r1、r2为参数，具体取值见表4。

表4 混凝土徐变度参数统计

2.3温控措施通过查阅施工期资料，计算采用温控措施为：（1）新浇混凝土的上、下游表面及浇筑间歇层面上覆盖2 cm厚的聚乙烯保温被（等效放热系数为98.58 kJ/（m2·d·℃））进行临时保温；（2）越冬时顶面采用3 cm厚聚氨酯+5 cm厚棉被+7 cm厚砂子（等效放热系数为32.37 kJ/（m2·d·℃））进行保温；（3）每年10月份之后在新浇混凝土的上、下游面采取5 cm聚氨酯（等效放热系数为40.63 kJ/（m2·d·℃））永久保温措施；（4）采用高硬度聚乙烯塑料管通水冷却，布置为2 m×2 m，通水温度16℃，水管冷却范围为高程698～732 m，一期通水开始时间为浇筑完毕当天，连续通水15 d，无二期通水；（5）每年6—8月用河水进行表面流水养护，流水温度6月份取18.0℃，7月和8月均取20.0℃；（6）对实际蓄水过程进行适当简化，第一次在2009年10月16日蓄到738 m高程，第二次在2010年8月12日蓄到755 m高程。

3 底孔仿真计算结果

底孔坝段自2007年6月开始浇筑至2009年8月结束，经历2次越冬，其中2007年浇筑24 m厚混凝土，2008年全年仅浇筑8 m厚混凝土，剩余部分在2009年完成。底孔上游留有检修闸门槽，靠近底板有输水孔，散热边界很复杂。显然，底孔的2个越冬层面、泄水孔之间的中间墙都是容易产生温度裂缝的部位。

3.1典型剖面应力场分析应力包络图是坝段典型横截面上所有计算节点的最大应力等值线图，可以反映出该截面任意位置最大应力数值及分布规律。图3和图4分别是底孔和中墙对称面的最大应力包络图。

从图3可以看出：（1）孔洞以上的下游立面720～740 m高程出现应力超标现象，底孔周边应力超标；（2）底板高程以下混凝土中间区域顺水流方向应力较大，局部超过混凝土允许拉应力；（3）检修闸门上游混凝土应力较小，原因在于此处混凝土偏薄，内外温度基本相同，温差小带来的温度应力也较小。检修闸门下游表面混凝土应力大，是因为坝面施工干扰没有进行永久保温所致。

从图4可以看出：（1）泄洪底孔高程以下区域，顺水流方向应力较大，多处超过混凝土允许拉应力，原因首先是坝体下游闸门操作室与坝体下游相连接，造成底部顺水流方向长达60 m，其次浇筑温度较高（20℃），最高温度达42℃所致；（2）孔洞周边区域受施工期外界气温影响应力较大，超过混凝土允许拉应力；（3）坝体下游与闸室相连接的混凝土平台，其外部表面尽管有永久保温在冬季仍然存在应力超标现象。下游立面冬季拉应力在4 MPa左右，很容易出现裂缝。

3.2典型点应力过程线分析根据最大应力包络图分布规律，分别在基础强约束区中间部位、坝体下游越冬层面选取1个典型点绘制应力过程线，分析其应力随时间变化的过程。图5为基础强约束区典型点温度应力过程线。从图5可见，从浇筑开始顺水流和垂直水流方向应力就逐渐增大，在2007年9月达到最大应力2.08 MPa，此后应力逐渐下降。从2009年3月开始随着混凝土温度的降低应力又逐渐增大，到2013年3月顺水流方向应力大于3 MPa，超过混凝土允许拉应力，存在开裂风险。图6为下游表面越冬层典型点温度应力过程线。由图6可见，温度应力与外界气温呈负相关，表面虽然有保温板但是保温作用不明显，冬季最低温度-5.5℃，此时混凝土拉应力可达7 MPa，超过混凝土允许拉应力。此后混凝土温度呈周期性变化，只是每个冬季都会出现应力超标现象。

3.3裂缝成因及防范措施根据仿真计算结果看出，底孔坝段温度应力最大值主要出现在泄水孔周围，冬季温度应力大大超过混凝土允许拉应力，应力超标原因主要有：（1）泄水底孔无保温混凝土裸露于空气中，冬季气温严寒混凝土内外温差大，并且混凝土弹性模量已经很高，较大的内外温差必然带来较大的温度应力；（2）中墙两面临空混凝土温度随外界气温变化而剧烈改变，同时中墙受到顶部及底部坝体约束，为典型的薄层大尺寸强约束部位，极易产生温度应力超标；（3）坝体下游闸门操作室与坝体连接，造成底部顺水流方向浇筑块长达60 m，上下游尺寸过大；（4）基础强约束区浇筑温度偏高导致该区域应力超标。为了尽量减小基础强约束区以及泄水孔周边混凝土的温度应力，对以后寒冷地区建设类似工程起到借鉴作用，在设计上避免上下游尺寸过大，施工中严格控制混凝土入仓温度，在泄水口内表面喷涂聚氨酯等保温材料，厚度参照上下游永久保温，条件允许的情况下进入运行期之前对上下游泄水口密封，防止外界低温入侵［7-8］。

图3 底孔对称面最大主应力包络图

图4 中墙对称面最大主应力包络图

图5 基础强约束区典型点温度应力过程线

图6 下游表面越冬层典型点温度应力过程线

4 结论

从冲乎尔碾压混凝土重力坝底孔坝段施工期和运行期的温度应力计算结果看出，底孔坝段存在多处应力超标现象。泄洪底孔底高程以下顺水流方向应力较大，基础强约束区多处超过混凝土允许拉应力。施工期底孔周边以及中墙受外界气温影响大，在坝体中部出现应力超标。此外底孔坝段比其他坝段顺水流方向的长度增加近20多米，基础强约束区范围更大，不利于温控防裂。为了尽量泄水孔周边混凝土的温度应力，建议对泄水口内表面进行永久保温，防止外界低温侵袭，为以后寒冷地区建设类似工程起到借鉴作用。

综上所述，在严寒地区修建碾压混凝土重力坝，温控防裂必须引起业主、设计和监理等各参建方的足够重视，严格遵照温控防裂技术措施进行施工，尽量减少温度裂缝出现，确保工程质量提高工程运行效益。

［1］ 夏世法，李秀琳，鲁一晖，等.高寒地区碾压混凝土坝岸坡坝段保温方案研究［J］.中国水利水电科学研究院学报，2008，6（2）：93-99.

［2］ 刘有志，刘伟明，徐波，等.武都碾压混凝土坝施工期温控措防裂效果分析［J］.水力发电，2011（12）：27-30.

［3］ 任金珂，李守义.某碾压混凝土溢流坝段温控计算分析［J］.西安理工大学学报，2010，26（4）：444-446.

［4］ LIU Youzhi，ZHANG Guoxin，LIU Weiming.Simulation Analysis of Temperature Stress in RCC Gravity Dam Based on Feedback Infomr ation of On-site Construction［M］.New Progress on Roller Compacted Concrete Dams，2007.

［5］ 解凌飞，常晓林，周伟.小湾拱坝温度场及温度应力场全过程仿真分析［J］.水利水电技术，2006（1）：64-65.

［6］ 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．

［7］ 李劲飞.冲乎尔水电站碾压混凝土重力坝的设计［J］.小水电，2011（3）：39-41.

［8］ 马月俊，田忠勇，刘松林.新疆冲乎尔大坝工程聚氨酯保温保湿方案设计［J］.湖北水力发电，2011（增刊）：61-63.

Analysis on temperature control for the bottom outlet section of
Chonghuer RCC Gravity Dam

LI Xiulin1，2，XIA Shifa1，2，SUN Yuelin1，2
（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，Beijing 100038，China）

Concentrated seepage and cracks appear in many positions of the dam after the operation of Chonghuer RCC gravity dam，which is located in alpine region.Numerical simulation of the process of con⁃struction，concrete zoning，atmospheric temperature，temperature control measures is carried out for the bot⁃tom hole section.The varying process of temperature and temperature stress and their distribution law are obtained.Numerical results show that overweight temperature stress does exist in the bottom outlet section of Chonghuer RCC gravity dam.

Chonghuer；RCC；gravity dam；bottom dam section；temperature control

TV315

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.01.006

1672-3031（2017）01-0044-05

2016-01-19

国家自然科学基金项目（51409284）；清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室开放基金（SKLHSE-2015-C-02）；河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放基金（2014491311）

李秀琳（1982-），男，山东费县人，博士生，高级工程师，主要从事大体积混凝土温控防裂与混凝土无损检测研究。E-mail：lixl@iwhr.com