新疆某混凝土重力坝运行期温度场和应力场反馈分析

林 锋，赵 妮，孙粤琳，李秀琳

（1.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000；3.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）

1 研究背景

碾压混凝土具有绝热温升低、发热慢等优点，同时，碾压混凝土坝的施工速度快，一般不设纵缝、通仓、薄层快速连续上升。因此，我国目前除200 m以上的特高拱坝和高寒地区的大坝外，大多数混凝土坝都采用碾压混凝土技术[1]。但是高寒地区的碾压混凝土坝稳定温度较低，基础温差不易控制；上下游面附近内外温差大，容易出现表面裂缝；大坝越冬间歇时间长达5个多月，更增加了温控的难度[2]。国内对东北和西北高寒地区混凝土坝展开了大量的温控防裂研究[3-7]。对于埋设有温度监测仪器的混凝土坝，以温度监测值为目标进行温度场反馈分析有助于把握仿真计算采用的材料参数以及边界条件，从而提高仿真精度[8-11]。

新疆某混凝土重力坝是引额供水工程的水源工程之一，坝址区气候干燥，春秋季短，冬季较长，气温年较差悬殊。多年平均蒸发量为1915.1 mm，而平均降雨量仅183.9 mm[12]。坝址处极端最低、最高气温分别为-49.8℃和40.1℃，年均气温仅2.7℃，最大冻土深175 cm[2]。大坝坝顶高程745.5 m，最大坝高121.5 m。为了满足温控防裂的要求，大坝按温控设计从施工期开始陆续在上游坝面贴上10 cm厚的苯板，自2008年水库第一次蓄水后，水位变动区保温板经常出现剥落，2010年12月718.5 m高程以上保温板也出现部分脱落，2011年1月开展了XPS板补贴工作，因此大坝蓄水后的实际温度边界条件与设计有较大变化。鉴于水库自蓄水后，进行了上游坝面、坝体内部连续的温度监测，监测资料完整[13]，本研究旨在结合现场的实测温度资料对大坝温度场进行三维有限元反馈仿真分析，校准仿真计算的边界条件和有关参数，使仿真计算结果与现场观测结果基本一致，以满足大坝温度场和应力场预测精度的要求，并重点分析温度边界条件发生变化区域的温度应力，评价大坝局部开裂的可能性。

2 仿真模型及计算参数

2.1 计算模型选取埋设仪器较多的35#坝段建立三维有限元计算模型，如图1所示，其中坝体共计12 324个单元，15 281个节点。坝段沿坝轴线方向取15 m，基础范围在坝踵上游、坝趾下游和坝基往下各取100 m。坐标原点在坝段坝踵处，x轴为顺水流方向，正向为上游指向下游；y轴为垂直水流方向，正向为右岸指向左岸；z轴正向为铅直向上。应力场计算地基底面按固定支座处理，地基在上下游方向按x向简支处理，地基沿坝轴线方向的两个边界按y向简支处理[14]。

2.2 计算参数坝基岩体参数中，天然密度为2730 kg/m3，泊松比0.3，弹性模量15 GPa。混凝土配合比热学参数见表1。

图1 35#坝段三维有限元模型

表1 混凝土材料热学参数统计

3 计算边界条件

计算考虑了35#坝段浇筑块的设计温控方案和实际施工及运行状况，并根据监测数据进行调整，相应的边界条件如下。

（1）地基温度。仿真计算开始时，地基温度采用浇注起始时间2007年7月份的实测地温。

（2）上游面保温情况。2007年越冬期（10月份）之前，采用2 cm厚聚氨酯泡沫被进行临时保温，2007年10月中旬浇筑到越冬面高程时，黏贴10 cm厚XPS板进行保温，其中回填坡积物到638.0 m高程，等效放热系数取20 kJ/（m2·d·℃）[15]；2008年9月21日之前，采用2 cm厚聚氨酯泡沫被进行临时保温，之后黏贴10 cm厚XPS板进行保温，水下部分的保温板由于出现浸水，保温效果大幅度损失，等效放热系数取300 kJ/（m2·d·℃）；2009年9月21日之前，采用2 cm厚聚氨酯泡沫被进行临时保温，之后粘贴10 cm厚XPS板保温，等效放热系数选取同2008年，其中，665.0～683.0 m高程范围内在2009年9月1日—2010年6月1日之间处于水位变动区，保温效果有损失，等效放热系数取60 kJ/（m2·d·℃）；2010年浇筑时间为6—7月，浇筑完成后采用2 cm厚聚氨酯泡沫被进行临时保温，从9月21日起黏贴10 cm厚XPS板保温；2010年12月28日718.5 m高程以上保温板部分脱落，等效放热系数取200 kJ/（m2·d·℃），2011年1月2日起补贴XPS板，等效放热系数取35 kJ/（m2·d·℃）。

（3）下游面保温情况。2007年越冬期（10月份）之前，采用2cm厚聚氨酯泡沫被进行临时保温，2007年10月中旬浇筑到越冬面高程时，粘贴10 cm厚XPS板进行保温；2008年9月21日之前，采用2 cm厚聚氨酯泡沫被进行临时保温，之后粘贴10 cm厚XPS板进行保温，水下部分的保温板由于出现浸水，保温效果大幅度损失，等效放热系数取300 kJ/（m2·d·℃），其中679.0～681.0 m采用1 cm聚氨酯保温；2009年9月21日之前，采用2 cm厚聚氨酯泡沫被进行临时保温，之后粘贴10 cm厚XPS板保温；2010年浇筑时间为6—7月，浇筑完成后采用2 cm厚聚氨酯泡沫被进行临时保温，从9月21日起粘贴10cm厚XPS板保温。

（4）仓面保温情况。间歇层采用2 cm厚聚氨酯泡沫被进行临时保温，在6—9月份采取“喷淋”方式养护。2007年第一个越冬顶面在10月31日之前，纵0+23 m上游越冬面采用4 cm棉被（聚氨酯被）保温，纵0+23 m下游越冬面完全暴露在空气中，从11月1日起全部采用24 cm厚棉被进行保温，到2008年春季保温被从3月8日开始至4月5日逐层揭开；2008年第二越冬面在11月14日之前采用1 cm聚氨酯被保温，11月15日用24 cm厚棉被进行保温，考虑到被子在2007年已经用过，等效放热系数折减为20 kJ/（m2·d·℃），2009年春季保温被从3月26日开始至4月5号逐层揭去；2009年第三越冬面在10月6日开始用24 cm厚棉被进行保温，等效放热系数折减为18.41 kJ/（m2·d·℃）。

（5）通水冷却。水管冷却范围为高程687～735 m，水管布置间距为1.5 m×1.5 m，通水温度15℃，一期通水开始时间为浇筑当天，通水结束时间为浇筑以后第16天，无二期通水。

（6）蓄水情况。第一次蓄水时间为2008年9月20日，上下游水位分别为668.0 m和645.0 m；第二次蓄水时间为2010年6月2日，上下游水位分别为718.5 m和651.7 m。

（7）气温选取。从2007年7月12日浇筑开始至2012年11月2日外界气温采用当地实测气温，2012年11月3日至2013年12月31日外界气温采用2011年11月3日至2012年12月31日同期实测气温，2014年和2015年采用多年平均旬平均气温。

4 温度场反馈分析

图2 35#坝段温度计埋设位置示意图

将根据上述参数和计算边界条件计算得到的温度场仿真计算结果与现场实测温度进行比较，以评价计算结果的客观性。监测温度计埋设位置见图2，在上下游面共选取5个典型监测点进行温度场反馈分析。

4.1 上游面监测点选取监测点TW3-3、TW3-7和监测点TW3-9进行温度场反馈分析，其中监测点TW3-3位于死水位以下，所在上游面保温板浸水未脱落；监测点TW3-7位于死水位和正常蓄水位之间，所在上游面保温板未发生过脱落；监测点TW3-9位于正常蓄水位以上，所在上游面保温板发生过脱落并进行了补贴。3个监测点的温度过程线见图3—图5。

从温度计的实际监测值和埋设位置临近的结点温度计算值比较可以看出，TW3-3监测点在2010年6月以前，计算值与实测值比较接近，之后的最高温度计算值较实测值偏低，这说明计算时通过《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）中规定的方法计算得出的库水温度跟实际的水温有一定的差别，造成计算值与实测值有一定的出入。TW3-7监测点的计算值与实测值的变化规律完全一致：在混凝土浇筑完毕的3～5 d内混凝土达到最高温度32℃；后面几天由于水管冷却、表面散热等原因，混凝土温度有所下降；在上层混凝土浇筑以后，由于热量回灌混凝土温度又有所回升；以后混凝土的温度随外界环境温度的变化呈周期性波动，在每年2月温度降到最低，在3℃左右。TW3-9监测点在2010年12月28日保温板脱落之前的温度计算值与实测值非常接近，保温板脱落后，混凝土坝面直接裸露于空气中，在气温的作用下最低温度均降至0℃以下，2011年1月补贴保温板之后，实测的温度值明显高于计算值，尤其是2011年的8月份，实测温度值接近甚至超过了外界气温，说明现场补贴保温板的措施没有达到预期效果。

图3 监测点TW3-3温度过程线

图4 监测点TW3-7温度过程线

图5 监测点TW3-9温度过程线

由此可见，根据现有资料得出的大坝温度场计算的边界条件选取基本合适，包括外界环境温度变化、保温措施热学参数和施工蓄水过程等；由于蓄水过程中的库水温度变化比较复杂，而规范中的规定方法更适用于运行期的稳定库水温计算，造成以这种方法计算出的库水温作为边界条件得到的上游面温度的计算值与监测值存在一定的差异；另外，保温板脱落这种突发事件的不确定性也造成计算边界条件与实际会有一定的出入，同时，保温板脱落后再进行黏贴的补救措施可能在施工工艺或者黏接性能上与原设计有较大差异，造成现场补贴保温板的措施达不到预期的保温效果。

4.2 下游面监测点选取监测点T03-3和监测点T03-8进行温度场反馈分析，两个监测点的温度过程线见图6和图7。从图中可以看出，T03-3和T03-8监测点的温度实测值与计算值吻合得较好，由于下游面保温状况良好，每年的温差在10℃左右。

图6 监测点T03-3温度过程线

图7 监测点T03-8温度过程线

4.3 内部监测点选取监测点T3-8和监测点T3-23进行温度场反馈分析，两个监测点的温度过程线见图8和图9。从图中可以看出，大坝内部三级配区域的两个监测点T3-8和T3-23的温度计算值过程线与实测值过程线基本一致，说明大坝混凝土采用的计算参数可以反映其真实的热力学性能。

图8 监测点T3-8温度过程线

图9 监测点T3-23温度过程线

5 应力场分析

上游面监测点TW3-3、TW3-7和监测点TW3-9的应力过程线见图10—图12。其中监测点TW3-3在2010年1月温度降到最低，此时的应力最大达到2.3 MPa。监测点TW3-7在2010年蓄水后的每年冬季温度降到最低的时候产生的拉应力较大，其中最大值为2.3 MPa。监测点TW3-9的温度在2010年12月28日保温板脱落后，受外界气温直接作用下降低到0℃以下，产生的最大拉应力达5.7 MPa。

由此可见，上游面水位以下监测点的最大拉应力不超过混凝土的允许拉应力（2.3 MPa），能满足混凝土的抗裂要求；大坝位于库水位以上的监测点的最大拉应力发生在保温板脱落显著高于混凝土的允许拉应力，不能满足混凝土的抗裂要求，很有可能造成混凝土开裂，但是后续保温板补贴后混凝土的拉应力很快降到允许值以下。因此大坝后续运行过程中需要对保温板脱落区域进行及时的补贴。

图10 监测点TW3-3应力过程线

图11 监测点TW3-7应力过程线

图12 监测点TW3-9应力过程线

下游面监测点T03-3和监测点T03-8两个监测点的应力过程线见图13和图14。两个监测点在浇筑后的第一个冬季和第二个冬季拉应力达到最大，最大拉应力分别为2.0 MPa和2.45 MPa，可见下游面局部区域最大拉应力略高于混凝土的允许拉应力（2.3 MPa），不能满足混凝土的抗裂要求，但超出幅度较小，应不会出现明显的开裂现象。

图13 监测点T03-3应力过程线

图14 监测点T03-8应力过程线

6 结论

通过对新疆某混凝土重力坝运行期温度场的反馈分析和应力计算，可以得出以下结论：

（1）将大坝上下游面及内部混凝土中埋设的温度计的实测值和该处的温度计算值进行比较可以看出，下游表面混凝土和内部三级配混凝土拟合精度较高，上游表面混凝土在浇筑后的前期拟合效果也很好，说明仿真计算结果采用的方法是正确的，计算参数及边界条件也基本符合大坝的实际情况，可以满足大坝后期温度场及应力场预测的要求。但是受到外界环境、保温效果、施工情况、库水位变化及计算中库水温的取值方法等因素的影响，上游表面混凝土在后期的拟合精度较低。

（2）在大坝运行阶段受环境因素等的影响，大坝局部区域施加的温控措施的效果有所减弱，导致这些区域出现应力超标的现象。其中，大坝上游面中部高程和大坝下游面的大部分区域混凝土的拉应力值略高于混凝土的允许拉应力，不能满足混凝土的抗裂要求，但超出幅度较小，应不会出现明显的开裂现象；大坝位于库水位以上的区域受到保温板脱落的影响，其最大拉应力（5.0 MPa左右）显著高于混凝土的允许拉应力（2.3 MPa），不能满足混凝土的抗裂要求，很有可能出现开裂现象，建议对运行过程中保温板脱落区域进行及时的补贴。