大体积混凝土坝施工期温度场仿真分析

赵文州

(新疆兵团勘测设计院(集团) 有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830002)

大体积混凝土施工过程中常常存在着温度裂缝的问题[1-3]，混凝土重力坝作为大体积混凝土的一种形式，其温度裂缝问题亦不容忽视。随着我国西部一批混凝土坝的陆续开工建设，大坝施工期温度场研究也已经成为坝工界研究的热点之一[4-5]。其中施工过程水泥水化热引起的温度场改变是坝体产生温度裂缝的关键原因。对温度场的研究主要分为解析方法和近似方法两种分析方法，解析方法主要基于固体热传导理论，根据模型边界条件的实际情况得到解的函数形式，然而实际工程中的边界条件大都较为复杂，给解析方法在工程界的推广运用增加了难度。随着计算机科学技术的快速发展，学者们在模拟大体积混凝土施工过程温度场的研究中，近似方法中的有限元法得到广泛应用[6-7]。文章以国内某混凝土坝工程为研究对象，建立了大坝三维仿真模型，并对其施工过程中温度场变化规律进行详细的分析研究，复核大坝施工设计中的温控措施，结合有限元分析结果对大坝温控及防裂措施提出改进建议，研究成果供混凝土重力坝温控设计提供参考。

1 计算理论与方法

在温度场计算区域R内应满足拉普拉斯方程：

(1)

(2)

(3)

其中：β，λ分别为表面散热系数和导热系数；Ta、Tb为边界温度。n为外法线方向。

对上式方程在R内用加权余量法可以得到：

(4)

对上式进行分部积分得：

(5)

(6)

代入边界条件求得稳定温度场的方程为：

(7)

2 混凝土坝施工期温度场仿真分析

2.1 工程概况

图1 大坝三维模型 图2 坝体材料分区

表1 材料热、力学性能参数

2.2 坝体混凝土的浇注温度

坝体混凝土浇筑温度按下式确定：

Tn=Tas+Tr+(Tb-Tas)E1+(Tp-Tas)E2

(8)

式中：E1为老混凝土浇筑块平均温度残留比；E2为新浇筑混凝土块向外界传热后的平均温度残留比；Tr为水化热传热后残留温升；Tb为老混凝土块或基岩材料平均温度；Tas为混凝土块的表面温度；Tp为混凝土浇筑温度。根据项目温控设计方案，本文分别选取自然浇筑和控温浇筑两种工况进行对比分析。

工况一：假定在坝体混凝土浇筑过程中不考虑相关温控措施，入仓温度为自然温度。工程经验表明，自然浇筑状态下混凝土入仓温度一般比当日外界气温高出2℃～4℃，在本文研究中取平均值3℃计算。

工况二：考虑项目采取的相关温控措施，对混凝土入仓温度进行控制，即满足混凝土入仓温度大于6℃小于18℃的温控标准。混凝土浇筑初始温度如表2所示。

表2 混凝土浇筑温度

2.3 坝体施工期温度场模拟

本文采用APDL语言实现对坝体施工期温度场的模拟，根据工程资料可知，坝体混凝土浇筑工期为300 d。坝体主要分为两段施工，坝体高程548.8～564.0 m部分(计划工期11月到次年1月)和坝体高程564.0～616.1.0 m部分(计划工期2月到次年8月)。坝体底部和顶部C20混凝土部分采用一次通仓浇筑，坝体其余部分采取薄层浇筑。坝体施工至110 d时，浇筑高度23 m。自然浇筑工况(工况一)下坝体温度场等值线图如图3(a)所示，经计算此时外界气温为3.1℃，坝体最低温度值为4.2℃，位于上下游表面位置。坝体最高温度值为21.4℃，位于高程555.0 m处附近，坝体内部最大温差为17.2℃。控温浇筑工况(工况二)下坝体温度场等值线图如图3(b)所示，与工况一类似，在考虑温控措施后，最低温度同样出现在上下游表面位置，其值为7.6℃，最高温度同样出现在高程555.0 m处附近，其值为25℃，坝体内部最大温差17.4℃。对比图3(a)和图3(b)不难发现，两种工况下，坝体混凝土最大温差接近，均满足本项目最大容许温差18℃。

图3 浇筑第110天坝体温度场等值线图

坝体施工至200天时，浇筑高度47 m。自然浇筑工况(工况一)下坝体温度场等值线图如图4(a)所示，经计算此时外界气温为22.2℃，坝体最低温度值为15.3℃，位于坝体底部位置。坝体最高温度值为32.1℃，位于高程580.0 m处附近，坝体内部最大温差为16.8℃。控温浇筑工况(工况二)下坝体温度场等值线图如图4(b)所示，与工况一类似，在考虑温控措施后，最低温度同样出现在坝体底部位置，其值为16.1℃，最高温度同样出现在高程580.0 m处附近，其值为30.8℃，坝体内部最大温差14.7℃。对比图4(a)和图4(b)不难发现，与工况一相比，采取控温措施后，坝体内部最大温差略有降低，两种工况下坝体温差均满足设计要求。

图4 浇筑第200天坝体温度场等值线图

坝体施工至300天，此时坝体浇筑完成。自然浇筑工况(工况一)下坝体温度场等值线图如图5(a)所示，经计算此时外界气温为22.2℃，坝体最高温度出现在高程592.0 m处附近，其值为42.6℃。最低温度为16℃，位于坝体底部位置，坝体自身温差值为26.6℃，超出设计容许温差值。控温浇筑工况(工况二)下坝体温度场等值线图如图5(b)所示，在考虑温控措施后，坝体最高温度同样位于高程592.0 m处附近，其值为33.0℃。最低温度17℃，同样位于坝体底部位置，坝体自身温差值16℃。对比图5(a)和图5(b)可以看出，在坝体浇筑完成时，自然浇筑工况下大坝内外温差和坝体自身温差均不满足设计要求，当采取相应温控措施后，坝体浇筑混凝土最高温度值均得到显著降低，温差值满足设计要求。

图5 浇筑第300天坝体温度场等值线图

3 结语

坝体施工期由水泥水化热和外界条件引起的温度场变化往往是导致坝体裂缝的直接原因。因此，为防止坝体裂缝的产生和发展，就有必要对坝体进行施工全过程的温度场仿真分析，研究其温度场分布规律。本文结合某混凝土坝具体工程，基于Ansys建立大坝三维模型，并对其施工全过程温度场进行分析模拟。研究结果表明，在考虑相应温控措施后，能够显著降低大坝内外和坝体自身温度差。值得注意的是在冬季施工时，受外界较低气温影响，坝体自身温差接近达到最大容许温差值，这里建议在冬季施工过程中除基本的温控措施外，还应适当采取其他温控措施，比如对已浇仓面覆盖保温材料等。