基于ADINA的碾压混凝土拱坝温度仿真分析

袁开强，辛全才

(西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100)

1 工程概况

林荫水库位于贵州省都匀市，正常蓄水位为964 m，水库总库容855万m3，工程等别为Ⅳ等，工程规模为小(1)型。工程总体布置为碾压混凝土双曲拱坝+坝顶溢洪道+坝身式放空底孔及取水管+输水管道。

大坝为C20碾压混凝土抛物线变厚双曲拱坝，坝顶弧长261.95 m，大坝设有6条诱导缝，诱导缝间距20～45 m。拱坝坝顶高程966.0 m，河床建基面高程904.5 m，最大坝高61.5 m(含1.5 m垫层)。拱冠梁处顶厚6.0 m，底厚16.0 m，拱坝厚高比0.26。大坝混凝土性能参数见表1。

表1 混凝土性能参数表

本工程施工主要控制节点工期如下：

(1)2017年1—4月完成大坝922.0 m高程以下部分坝体浇筑施工并达到第一个汛期度汛要求；2017年1月中下旬，垫层浇筑完成后即进行坝基固结灌浆，灌浆期间暂停坝体浇筑。

(2)2017年5月开始浇筑922.0 m以上部分坝体，考虑到汛期施工及夏季高温的影响，在第二年12月底完成大坝浇筑至坝顶高程。

2 计算原理与方法

2.1 稳定温度场的计算

混凝土完全冷却后的运行期，初始温度和水化热的影响完全消失，温度场不再随时间变化，而只是坐标的函数[1]。由热传导理论，稳定温度场T(x,y,z)在区域R内应满足拉普拉斯方程为：

(1)

式中：T为温度，℃。

2.2 非稳定温度场的计算

瞬态温度场的求解就是在T=T0(x,y,z)初始条件下，求得满足瞬态热传导方程及边界条件的温度场函数T(x,y,z,τ)。根据最小位能原理，热传导问题等价于泛函求极值问题：温度T(x,y,z,τ)在τ=0时给定初始温度T0(x,y,z)，在边界上取给定边界温度，并使泛函取极小值。

2.3 有限元计算模型

整个有限元模型建立在笛卡尔坐标系下，X轴为横河方向，指向右岸为正；Y轴为顺河方向，指向下游为正；Z轴为铅直方向，向上为正。

有限元模型的范围：大坝上游、下游、左右岸拱端及底部地基取1.5倍坝高。在整个计算域内，对铅直基础边界施加垂直于表面的位移约束，底部水平基础边界施加全部位移约束。

按照坝体的实际体型进行建模，并大致考虑了溢流堰的开口型式，但不考虑具体的溢流堰形状，采用8节点6面体等参单元对坝体及基础进行有限元离散。三维有限元整体网格及坝体细部模型如图1所示。坝体单元总数总计41 992，节点总数共计50 852。

图1 三维模型全视图

3 温度仿真分析

3.1 大坝温度场分析

拱坝施工期坝体最高温度沿高程存在两个高温区，分布对应高温季节浇筑碾压混凝土部位以及绝热温升较高的溢流堰常态混凝土部位。如图2所示，高温区一为921～948 m高程附近，该部位施工时间为4—5月及9—10月上旬，各浇筑层混凝土最高温度均超过33 ℃，最高达到40.5 ℃。夏季高温停工面936 m高程附近新老混凝土上下层温差为14 ℃；高温区二为948 m高程以上溢流堰常态混凝土部位。该部位施工时间为10—11月，浇筑温度在14.7～18.7 ℃之间，由于常态混凝土绝热温升高，超过33 ℃，各浇筑层最高温度均超过40 ℃，最高达到44.5 ℃。

图2 大坝拱冠梁剖面最高温度包络图(单位：℃)

3.2 大坝应力场分析

根据规范，本文将坝体主拉应力作为控制应力。影响坝体主拉应力分布规律的因素主要有坝体结构、施工工艺与边界条件[2]。同时考虑施工期以及运行期温度应力与结构应力，力求反映坝体真实的应力状况。坝体蓄水前，结构应力主要为自重应力，坝体蓄水后，结构应力主要为自重应力加静水压力加扬压力。大坝各典型高程水平截面主拉应力见表2。

由表2可知，大坝主拉应力能够满足应力控制标准的要求[3]。

4 温度控制标准及措施

4.1 温度控制标准

考虑本工程结构条件，在拱坝温度和温度应力仿真分析成果的基础上，参考规范规定和国内部分相关工程经验，制定出本工程温度控制标准见表3。

表2 大坝典型高程水平截面主拉应力数值表 MPa

表3 坝体混凝土温度控制标准

4.2 温控措施

根据温度场和温度应力仿真分析成果，参考国内部分相关工程经验，推荐温控措施如下：

(1)坝体区域4—5月、9—10月上旬高温时段浇筑碾压混凝土(921～948 m高程)，采取一期通水冷却措施，坝内埋设高密聚乙烯塑料管，水平间距×铅直间距为1.5 m×1.5 m，通水流量为1.5 m3/h，通天然河水一期冷却20 d。

(2)坝体区域10—11月浇筑的溢流堰常态混凝土(948 m高程以上)，采取一期通水冷却措施，坝内埋设高密聚乙烯塑料管，水平间距×铅直间距为1.5 m×1.5 m，通水流量为1.5 m3/h，通天然河水一期冷却20 d。

5 结 论

本文采用ADINA三维有限元分析方法，模拟混凝土拱坝实际浇筑施工过程，仿真分析拱坝在施工期的温度场动态变化规律，同时以坝体主拉应力作为控制应力，分析施工期及运行期坝体温度应力场的分布情况。准确分析拱坝在各个时期的温度应力，为碾压混凝土拱坝在施工期采取相应的温度控制标准和措施提供参考和依据。

在碾压混凝土拱坝温度应力仿真分析成果基础上，提出了可供施工方参考的温度控制标准和合理的温控措施。对碾压混凝土拱坝温控设计具有一定的指导和借鉴意义。

[1] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M]. 北京：中国水利水电出版社，2012.

[2] 中华人民共和国水利部.碾压混凝土坝设计规范：SL 314—2004[S]. 北京：中国水利水电出版社，2005.

[3] 曾昭扬, 马黔. 高碾压混凝土拱坝中的构造缝问题研究[J]. 水力发电, 1998(2):30-33.

[4] 黄达海, 宋玉普. 碾压混凝土拱坝诱导缝的等效强度研究[J]. 工程力学, 2000, 17(3):16-22.