碾压混凝土坝通水冷却措施仿真优化研究

彭松涛，张 磊

(1. 华电西藏能源有限公司大古水电分公司，西藏 山南 856000；2. 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

大坝混凝土温控防裂[1]贯穿大坝建设的各个阶段，设计阶段提出原材料选择要求和温控标准与措施及相应施工技术要求，指导工程现场施工。由于混凝土温度控制是涉及气象、水文、材料、施工、结构等跨专业的复杂问题，尽管在设计阶段已经进行了较多的研究工作，但是设计条件与实际条件仍然会存在较大差异；且进入施工阶段后，受施工条件、水平和管理水平影响，施工情况同设计情况也会不可避免的存在差异，这些差异可能增加混凝土开裂的风险。

有限元仿真分析方法在水利水电领域最初应用于温度应力仿真计算方面，朱伯芳、张国新研究团队一直致力于将仿真分析方法运用于温控施工、运行期的工作性态的研究，目前已经成功并广泛应用于混凝土高坝的建设中，实现了混凝土坝全过程仿真分析。

因此很有必要通过跟踪反馈仿真分析手段，利用监测资料反馈关键参数，按照实际进度仿真模拟每一个浇筑仓，按照实际温控措施进行仿真模拟，尽可能真实的仿真与预测，进行不同温控方案的敏感性分析[11]，以此来反馈优化设计，优化工程投资和施工进度。

一般情况下，大坝混凝土浇筑脱离了基础约束区后，现有温控标准和措施可能存在较大的优化空间。本文以某在建的高碾压混凝土重力坝为研究对象，本着保障工程质量的同时，进一步优化节省工期节约投资为目的，提出了混凝土坝全过程仿真分析方法，结合仿真分析平台SAPTIS[2-3]，运用更加真实的模拟分析手段，重点研究混凝土坝施工中后期，自由区混凝土简化通水冷却措施甚至取消温控措施的可行性。

1 混凝土坝全过程仿真分析方法

全坝全过程仿真分析方法是进行大坝真实工作性态研究的基本方法，这一方法的基本特点是三个，一是整坝，是对包括所有横缝、贴角、孔口、闸墩、复杂地质条件在内的整个大坝进行模拟；二是全过程，需要从大坝浇筑第一仓混凝土开始就对大坝施工期、初次蓄水期、运行期的工作性态进行模拟，三是仿真，就是需要从模型、边界条件、施工过程、计算参数等各方面尽可能真的接近真实状态[6-8]。在此领域，笔者研究团队取得了创新性研究成果，发展了混凝土坝全坝全过程仿真分析方法和大型工程仿真分析软件平台SAPTIS程序，为开展混凝土坝真实工作性态研究奠定了基础。该方法和程序已成功应用于国际、国内上百座工程，包括混凝土坝、渡槽、桥梁、隧洞等等。近期建成的锦屏一级[7,14]、小湾、溪洛渡、拉西瓦、大岗山等特高拱坝均应用SAPTIS进行了施工期、初次蓄水期的工作性态分析，二滩进行了蓄水运行期的工作性态分析。在建的乌东德、白鹤滩、黄登、丰满重建、大藤峡、三河口、杨房沟、DG等工程已全面应用SAPTIS进行跟踪仿真分析与服务[15-17]。据不完全统计，近20年建成的100 m以上的混凝土坝工程中有85%应用了SAPTIS。

2 研究对象和研究任务

本文采用混凝土坝全过程仿真分析方法以及SAPTIS平台，以某混凝土重力坝典型河床坝段为研究对象，采用设计浇筑进度，针对不同浇筑部位，分不同浇筑季节，重点研究取消通水冷却以及简化通水措施的温控方案是否可行，研究两种情况温度应力的一般规律，进一步对温控措施进行优化研究。主要对基本热力学参数和边界初始条件的整理分析，对大坝水库水温进行数值计算[10]，进一步进行无冷通水却措施温度应力仿真分析以及增大水管间距简化通水冷却措施优化分析等。

2.1 计算模型和计算方案

图1(a)～图1(b)为某大坝河床坝段计算模型。为了对设计温控技术要求中的通水冷却温控措施进行优化，选取有代表性的河床坝段。在坝体表面由于温度梯度较大，所以设置相对较薄的单元，由外向内网格逐渐变粗。同时，为了模拟分层浇筑过程，计算网格在高度方向上的单元厚度取为0.5 m。网格剖分时采用空间六面体等参单元；模型也准确的模拟了各个区域的材料分区和特性。

图1 计算模型图

2.2 计算方案和计算条件

计算方案和计算条件如表1所示。对于约束区混凝土采用12℃浇筑温度，自由区混凝土浇筑温度按照16℃控制；约束区混凝土采取通水冷却措施，水管间距1.0 m×1.5 m，一期冷却水温12℃、流量1.2 m3/h，对自由区混凝土分别计算无冷却措施和增大水管间距的简化冷却措施两种情况。计算模型约束边界为基础底面和侧面均为法相约束，基础初始温度采用实测结合仿真计算确定。水库水温通过数值模拟手段，采用中国水利水电科学研究院享有独立著作权的《水库水温数值分析软件》(NAPRWT)，根据掌握的该水库相关资料，对运行期的上游和下游库水温时空分布进行预测分析。

表1 计算工况表

2.3 无通水冷却措施计算结果

从坝体温度云图和温度过程线看，无通水措施下，坝体内部自由区RII混凝土区域最高温度可达35℃，RⅢ混凝土区域最高温度可达33℃；顶部RⅡ区域受较高浇筑温度影响，最高温度可达39℃，均出现在夏季浇筑区域，结果如图2所示。总体来讲，无通水冷却温控措施，坝体内部温度均超设计要求。无通水冷却措施下的RⅡ和RⅢ区域混凝土内部应力安全系数大于2.0，在1 501 m高程有冷却和无冷却过渡区受上下层温差影响，安全余度略有不足，如图3所示；表面应力安全系数在1 585.5 m高程，仅有1.6，如图4所示，不满足设计要求。

图2 典型坝段中面温度包络图 图3 典型坝段中面第一主应力包络图

图4 典型坝段上游面典型高程轴向应力过程线图

2.4 简化通水冷却措施计算结果

本工况为在严格控制浇筑温度前提下，针对不同浇筑部位，分不同浇筑季节，研究将水管间距由原来的1.5 m一层增加到3 m布置一层冷却水管条件下的温控措施可行性。由计算结果可知，水管间距增加后，坝体内部RⅡ和RⅢ混凝土区域，在第三和第四温控分区，夏季最高温度能够控制在31℃以内，冬季最高温度基本能够控制在28℃以内；上游1 503～1 540 m高程碾压防渗层RⅣ混凝土最高温度可达33℃；靠近顶部碾压防渗层RV混凝土最高温度达到35℃；增加水管间距措施，基本能够控制住内部主体碾压混凝土的设计允许最高温度值。对于碾压防渗层混凝土，由于没有单独温控分区，需加强浇筑温度控制、提高通水流量等措施，才可以将上游碾压防渗层最高温度控制在设计允许范围内。从应力上看，RⅡ和RⅢ碾压区混凝土内部应力和表面应力安全系数均大于2.0，总体来讲，对于非约束区混凝土，增大冷却水管间距方案坝体应力满足规范要求，该方案可行(见图5～图7)。

图5 大坝12号坝段中面温度包络图 图6 大坝12号坝段中面第一主应图

图7 大坝12号坝段上游面典点轴向应力过程线图

3 结 语

本文基于混凝土坝全过程仿真分析方法和SAPTIS平台，重点对脱离基础约束区的RⅡ和RⅢ碾压混凝土区域的通水冷却温控措施进行优化，针对不同浇筑部位，分不同浇筑季节，在严格控制浇筑温度前提下，以尽量增大水管间距为原则，研究增大水管间距或取消通水冷却的可行性。仿真计算以典型河床坝段为研究对象，研究温度应力的一般规律，进一步对温控措施进行优化研究。总体来讲，无通水冷却措施坝体内部最高温度超过设计要求，内部和表面应力局部不满足设计要求；将通水冷却水管水平间距由1.5 m变成3 m后，最高温度基本满足设计要求，内部和表面应力满足规范要求，因此该方案可行；但对于碾压防渗层混凝土，由于没有单独温控分区，需加强浇筑温度控制、提高通水流量等措施，才可以将上游碾压防渗层最高温度控制在设计允许范围内，对于该区域混凝土应该加强温控措施，水管间距可不调整。此外，建议做好表面保护、养护工作，且针对降雨、寒潮等做好预报预警工作，做好表面的保温和防护，最大程度削减单点暴雨、寒潮等影响；还应保证坝段连续浇筑，防止因长间歇造成的上下层温差过大造成开裂风险问题，如遇不可避的长间歇问题，应再做专门分析和论证。