高海拔大温差地区不同掺合料碾压混凝土坝的温控防裂研究

(华电西藏能源有限公司，拉萨，856200)

1 工程气象条件

某水电站位于高原气候区，气温低、空气稀薄、大气干燥、太阳辐射强烈。多年平均气温9.3℃，极端最高、最低气温分别为32.5℃和-16.6℃，该区域昼夜温差较大，最大月平均日温差高达16.9℃，年平均日温差为13.5℃。多年平均降水量540.5mm，历年一日最大降水量51.3mm；多年平均相对湿度51%，历年最小相对湿度为0；多年平均风速为1.6m/s，多年最大风速为19m/s，相应风向SE；多年平均蒸发量为2075.2mm。

2 稳定温度场的计算

在混凝土坝仿真分析中，温度是基本作用荷载。坝体温度变化是一个热传递问题。仿真应力计算中考虑混凝土温度、徐变、水压、自重、自生体积变形和干缩变形等的作用。

采用数值分析方法进行计算，根据水库水文和当地气温等边界条件可以得到各典型坝段的准稳定温度场。典型坝段9#溢流坝段和5#挡水坝段稳定温度场等值线图见图1和图2。9#坝段强约束区准稳定温度在9℃～10℃之间；5#坝段强约束区的准稳定温度在8℃～10℃之间。各典型坝段坝体中心稳定温度大约在8℃～11℃左右，选取10℃作为基础区混凝土的平均稳定温度，作为温差计算的起点。

图1 9#坝段中剖面稳定温度场

图2 5#坝段中剖面稳定温度场

3 不同掺合料下温度场和应力场仿真分析

3.1 计算模型

9#溢流坝段整体计算模型见图3。整体网格节点数量在21万个左右，特征点位置如图4所示。强约束区垫层混凝土中特征点1距离基础1m；强约束区碾压混凝土中的特征点2和特征点3分别距离基础2m和3m。

(a)坝体单元 (b)整体单元

(沿高程方向从下往上依次为1～4号点)

5#岸坡坝段整体计算模型见图5。整体网格节点数量在25万个左右，特征断面位置如图6所示。特征点位置如图7所示。强约束区垫层混凝土中特征点1距离基础1m；强约束区碾压混凝土中的特征点2和特征点3分别距离基础2m和3m。

(a)计算网格(不含地基) (b)计算网格(含地基)

图6 5#坝段特征断面

图7 5#坝段特征点位置

3.2 计算工况

3.2.1 单掺粉煤灰情况

高温季节启浇(6月份启浇)，混凝土浇筑温度设定为月均气温+3℃，但不低于6℃，强约束不高于12℃、弱约束区不高于14℃、自由区不高于16℃。强约束区浇筑层厚度为1.5m，弱约束区和自由区浇筑层厚度为3m，浇筑间歇期为10d。考虑2℃太阳辐射热。强约束区水管间距1.5m×1.5m，垫层水管布置为1.0m×1.5m(斜坡上的垫层水管仍按1.5m×1.5m布置)，弱约束区和自由区水管间距2.0m×1.5m(水平×垂直)。混凝土下料浇筑即可开始一期通水冷却，冷却时间20d，水温12℃(流量1.5m3/h)。每24h改变一次通水方向。一期通水冷却后即开始中期通水冷却，中期进口水温为13℃，通水流量为0.6m3/h，通水时间40d。上下游表面混凝土采取表面保温措施，铺设5cm厚的聚苯乙烯板，仓面采用保温措施，表面放热系数的取值为β=250kJ/m2·d·℃(4cm潮湿保温被)。

3.2.2 复掺粉煤灰和石(凝灰岩)粉情况

与单掺粉煤灰情况相同。

3.2.3 单掺石(凝灰岩)粉情况

垫层水管间距为1m×1m，碾压混凝土强约束区水管间距1m×1.5m，降低进口水温到8℃。其它温控措施与单掺粉煤灰方案的相同。

3.3 计算结果

不同掺合料下温度场和应力场仿真分析计算结果见表1、表2。

典型温度和应力过程线见图8～图13。

表1 9#溢流坝段各特征点温度和顺河向应力峰值

特征点单掺粉煤灰复掺粉煤灰和凝灰岩粉单掺凝灰岩粉最高温度(℃)最大应力(MPa)最小安全系数最高温度(℃)最大应力(MPa)最小安全系数最高温度(℃)最大应力(MPa)最小安全系数T124.321.012.4824.421.222.324.940.843.1T221.110.912.7521.61.182.421.250.912.86T320.550.922.7220.661.152.4320.850.92.89T425.920.982.55//////

表2 5#岸坡坝段各特征点温度和顺河向应力峰值

特征点单掺粉煤灰复掺粉煤灰和凝灰岩粉单掺凝灰岩粉最高温度(℃)最大应力(MPa)最小安全系数最高温度(℃)最大应力(MPa)最小安全系数最高温度(℃)最大应力(MPa)最小安全系数T124.261.311.9124.381.581.7724.881.351.93T221.071.182.1221.521.531.8321.231.341.94T320.541.152.1720.661.431.9620.841.282.03T4//////21.290.543.96T5//////20.870.533.81T6//////18.980.54.6

注：T1～T3为岸坡坝段强约束区特征点，T4～T6弱约束区特征点。

(a)温度过程线 (b)应力过程线

(a)温度过程线 (b)应力过程线

(a)温度过程线 (b)应力过程线

(a)温度过程线 (b)应力过程线

(a)温度过程线 (b)应力过程线

(a)温度过程线 (b)应力过程线

3.4 结果分析

3.4.1 单掺粉煤灰情况

在推荐温控设计方案条件下：

(1)9#坝体强约束区常态混凝土和碾压混凝土最高温度分别为24.32℃和21.11℃，小于允许最高温度25℃和22℃，满足规范要求。应力方面，各特征点的最小安全系数均达到2.48以上，大于规范允许的1.65，满足规范要求；

(2)5#坝段强约束区常态混凝土和碾压混凝土的最高温度分别为24.26℃和21.07℃，小于允许最高温度25℃和22℃，满足规范要求。应力方面，各特征点的最小安全系数均达到1.91以上，大于规范允许的1.65，满足规范要求。

3.4.2 复掺粉煤灰和凝灰岩粉情况

在推荐温控设计方案条件下：

(1)9#溢流坝段坝体强约束区常态混凝土和碾压混凝土最高温度分别为24.42℃和21.60℃，满足规范要求。应力方面，各特征点的最小安全系数均达到2.30以上，大于规范允许的1.65，满足规范要求；

(2)5#岸坡坝段坝体强约束区常态混凝土和碾压混凝土最高温度分别为24.38℃和21.52℃，满足规范要求。应力方面，各特征点的最小安全系数均达到1.77以上，大于规范允许的1.65，满足规范要求。

3.4.3 单掺凝灰岩粉情况

在推荐温控设计方案条件下：

(1)9#溢流坝段坝体强约束区常态混凝土和碾压混凝土最高温度分别为24.94℃和21.25℃，均低于容许最高温度，满足规范要求。应力方面，强约束区常态混凝土和碾压混凝土温度应力的最小安全系数分别为3.10和2.86，超过规范允许的1.65，满足规范要求；

(2)5#岸坡坝段坝体常态混凝土和碾压混凝土最高温度分别为24.88℃和21.23℃，均小于容许最高温度，满足规范要求。应力方面，强约束区常态混凝土和碾压混凝土温度应力的最小安全系数分别为1.93和1.94，大于规范允许的1.65，满足规范要求。

3.4.4 三种不同掺和料情况

三种不同掺合料情况下，不同坝段强约束区碾压混凝土内特征点的温度过程线及应力过程线基本一致。

4 结论

(1)三种不同掺合料情况下，夏季浇筑层内埋设冷却水管，明显降低混凝土最高温升；

(2)同样的温控措施下，单掺粉煤灰情况与复掺凝灰岩和粉煤灰情况的温度应力峰值差异较小，但复掺凝灰岩和粉煤灰情况基础强约束区最高温度高于单掺粉煤灰情况，复掺凝灰岩和粉煤灰情况基础强约束区温度应力最小安全系数较小，两情况的基础强约束区最高温度和温度应力最小安全系数均满足规范要求；

(3)在采取适当温控措施的条件下，采用单掺凝灰岩粉情况时，大坝基础强约束区常态垫层混凝土和碾压混凝土最高温度均可低于允许最高温度，混凝土温度应力最小安全系数也可大于1.65。但此时，单掺凝灰岩粉情况的强约束区水管间距仅1m×1.5m，且高温季节通水冷却进口水温为8℃，温控措施已接近现有技术水平极限。因此，尽管该情况温度应力满足规范要求，但从温控措施可行性方面不建议采用单掺凝灰岩粉方案。