三河口碾压混凝土大坝浇筑温度有限元分析

任喜平

（陕西引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安710100）

碾压混凝土大坝浇筑的温控过程是比较受关注的问题，传统碾压混凝土中小型拱坝一般在温度低的季节浇筑，而在高温季节尽量不浇筑，没有温控措施或者采取一些简单的温控方法［1］。随着对碾压混凝土大坝的分析研究，发现碾压混凝土中添加粉煤灰能够使混凝土散热较慢，碾压混凝土大坝可全年施工，坝内很长一段时间处于高温状态，致使碾压混凝土坝体表面很长时间处于受拉状态，会引起大坝表面产生裂缝，对大坝施工安排和质量控制造成严重影响。因此，在碾压混凝土大坝浇筑过程中采取合理的浇筑温度有着特别重要的意义［2］。

1 工程概况

三河口水利枢纽位于陕西省汉中市佛坪县内距大河坝镇3.8 km的子午河大峡谷处，水库总库容为7.1亿m3，调节库容6.5亿m3，坝体高度141.5 m（居国内同类坝型第二），坝顶高程和宽度分别为646 m和9 m。在坝体高程588.0～646.0 m间设置三孔15 m×15 m溢流表孔，在坝体高程534.0～540.0 m间设置两孔4 m×5 m底孔。大坝、消力塘及导流洞封堵等大体积混凝土总量约109.8万m3，其中碾压混凝土约90.68万m3。该工程基础层碾压混凝土通仓浇筑面积大，混凝土基础容许温差约束应力与基础块混凝土尺寸成比例增加，碾压混凝土拱坝大体积混凝土施工过程温控难度大、要求高。

2 有限元计算方法

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，用有限元法求解有下面几个优点［3］:①容易适应不规则边界；②在温度梯度大的地方，可局部加密网格；③容易与计算应力的有限单元法程序配套，将温度场、应力场和变形在同一程序中计算。仿真应力计算中需考虑混凝土温度、徐变、水压、自重、自生体积变形和干缩变形等的作用。

笔者选用大型有限元软件ANSYS深层二次开发的“高坝结构施工期至运行期全过程温度场、温度应力场三维有限元仿真分析软件”，根据该工程的特点选择、增加、修改不同的功能模块，缩短仿真分析的周期，为施工期温度监测及反馈分析提供快捷的技术支持［4］。温度场仿真分析的核心技术是朱伯芳院士提出的通水冷却等效负热源系数法和冷却水管的精细模拟，它既能等效地考虑通水冷却的作用、减小模型规模、提高仿真分析的效率，又能考虑不同部位混凝土的冷却效果。应力场仿真分析模块能考虑混凝土力学性能参数随龄期的变化、混凝土徐变、混凝土的自生体积变形等因素的影响，有多种混凝土本构模型可供选用，如弹性模型、弹塑性模型、损伤模型、断裂力学模型等［5］。

对于不同施工方案和温控方案，通过改变相应参数，如不同混凝土胶凝材料水化热性能、浇筑层厚度、间歇天数、冷却水管间距、冷却时间、冷却水管的热学力学参数变化等来实现，同时实现计算过程中中间结果输出参数的可视化［6］，分析校核计算结果的合理性，实现高坝温度应力仿真分析这一复杂过程的自动化和智能化。

3 浇筑温度有限元分析

3.1 计算模型

选取三河口大坝河床坝段作为典型坝段，采用ANSYS软件建立三维有限元模型。坝基岩体模型以坝顶的两端作为起点，左右两侧、坝底向下和下游计算长度为坝高的1.5倍，上游为坝高的1倍。用空间8节点单元模拟坝体和坝基等实体单元，对大坝河床坝段的坝体划分37 654个网格单元。三河口碾压混凝土拱坝坝体三维有限元计算模型见图1。

图1 坝体三维有限元计算模型

3.2 参数取值

三河口水利枢纽大坝坝体碾压和常态混凝土物理特性参数见表1（其中t代表混凝土的龄期，d），坝体碾压混凝土容许最高温度见表2。

表1 坝体碾压和常态混凝土的物理特性参数

表2 坝体碾压混凝土容许最高温度 ℃

3.3 计算工况

三河口碾压混凝土大坝浇筑的总控制性节点计划如下:2016年9月30日浇筑高程504.5～504.8 m找平层；2016年11月2—23日浇筑高程504.8～515.0 m；2017年3月25日—12月31日浇筑高程515.0～551.0 m；2018年2月15日—12月31日浇筑高程551.0～610.0 m；2019年2月5日—6月30日大坝混凝土浇筑完成。

根据三河口水利枢纽大坝坝体施工组织设计和现场碾压混凝土浇筑试验成果，大坝混凝土施工过程中以浇筑3 m厚作为一个碾压浇筑层，坝体相邻两个浇筑层之间的间歇期一般为10 d左右。根据施工现场气候条件，当年11月—次年3月采用不通水的混凝土冷却措施，根据三河口大坝智能化管理平台对温度的监测结果，对于该地区4—10月高温时段大坝混凝土的浇筑施工，采用坝后“两台一备一用”的制冷设备制造10℃的冷却水对坝体混凝土进行通水冷却，坝体的垫层、坝顶等部位采用常态混凝土，上游防渗面、下游坝体表面先在碾压层混凝土形成沟槽，再注入水泥浆液振捣形成宽1 m的变态混凝土，坝体主体采用碾压混凝土，结合三河口水利枢纽坝址区气候资料，以及混凝土拌和过程和施工过程的预冷方案，模拟计算三河口水利枢纽4—10月高温季节浇筑温度为20、18、16℃工况，具体浇筑过程中坝体温控计算方案见表3。

表3 浇筑过程中坝体温控计算方案

3.4 温度场计算分析

基于三河口碾压混凝土大坝2016年9月30日—2017年12月31日浇筑进度计划，建立坝体河床坝段三维有限元模型进行温度应力有限元分析计算。浇筑温度为20、18、16℃工况下施工的坝体混凝土温度场分别见图2～图4。

图2 浇筑温度为20℃时坝体混凝土温度场（单位:℃）

图3 浇筑温度为18℃时坝体混凝土温度场（单位:℃）

图4 浇筑温度为16℃时坝体混凝土温度场（单位:℃）

4—10月浇筑温度采用20℃，冷却水管间距为1.5 m×1.5 m，4月开始浇筑的弱约束区混凝土二级配防渗层和下游三级配混凝土最高温度分别为35.01℃和32.58℃，5月浇筑的弱约束区混凝土二级配防渗层和下游三级配混凝土最高温度分别为35.34℃和32.79℃，均超过了弱约束区容许最高温度（28℃）。按照浇筑进度计划，6月以后浇筑脱离约束区混凝土，当浇筑温度采用20℃、冷却水管间距为1.5 m×1.5 m时，6月和7月浇筑的弱约束区上游二级配防渗层混凝土最高温度范围为35.69～35.75℃，超过容许最高温度（34℃）；下游三级配混凝土最高温度为32.91～33.01℃，满足容许最高温度要求。8月浇筑的脱离约束区混凝土二级配防渗层和下游三级配混凝土最高温度分别为33.33℃和30.89℃，均满足容许最高温度要求。9月浇筑的脱离约束区上游防渗层混凝土最高温度为34.47℃，超过容许最高温度，下游三级配混凝土最高温度满足要求。10月浇筑的脱离约束区混凝土二级配防渗层和下游三级配混凝土最高温度分别为33.82℃和31.29℃，均超过容许最高温度（30℃）。进入12月以后，混凝土浇筑温度进一步降低，最高温度均满足设计要求。

将4—10月浇筑温度改为18℃，冷却水管间距为1.5 m×1.5 m，4月浇筑的弱约束区混凝土二级配防渗层和下游三级配混凝土最高温度分别为33.55℃和31.11℃，5月浇筑的弱约束区混凝土二级配防渗层和下游三级配混凝土最高温度分别为32.21℃和29.83℃，均超过了弱约束区容许最高温度（28℃）。6月以后浇筑脱离约束区混凝土，6月和7月浇筑的弱约束区上游二级配防渗层混凝土最高温度为34.18～34.41℃，略微超过容许最高温度（34℃）；下游三级配混凝土最高温度范围为31.33～31.68℃，均满足容许最高温度要求。8月浇筑的脱离约束区混凝土二级配防渗层和下游三级配混凝土最高温度分别为32.14℃和29.70℃，均满足容许最高温度要求。9月浇筑的脱离约束区上游防渗层混凝土最高温度为32.94℃，超过容许最高温度，下游三级配混凝土最高温度满足要求。10月浇筑的脱离约束区混凝土二级配防渗层和下游三级配混凝土最高温度均为32.31℃，超过容许最高温度，下游三级配混凝土最高温度满足要求。进入12月以后，混凝土浇筑温度进一步降低，最高温度均满足设计要求。

4—10月浇筑温度为16℃，冷却水管间距为1.5 m×1.5 m，4月浇筑的弱约束区混凝土二级配防渗层和下游三级配混凝土最高温度分别为32.13℃和29.68℃。5月浇筑的弱约束区混凝土二级配防渗层和下游三级配混凝土最高温度分别为32.51℃和30.00℃，虽然浇筑温度降至16℃、水管间距为1.5 m×1.5 m时最高温度均超过了弱约束区容许最高温度（28℃），但在冷却水管加密敷设（间距为1.0 m×1.5 m）后，混凝土的最高温度能够满足要求。6月以后开始浇筑脱离约束区混凝土，上游二级配防渗层和下游三级配混凝土最高温度均满足要求。

通过对比分析拟定相应的浇筑施工方案:①针对坝体的河床坝段，为了能够满足大坝混凝土最高容许温度的要求，对于坝体的基础强约束区域3月浇筑最高温度不超过11℃，4—10月浇筑最高温度不超过14℃；基础弱约束区域4月、5月、10月浇筑最高温度不超过15℃，6—9月浇筑最高温度不超过16℃；脱离约束区域4、10月浇筑的最高温度不超过18℃，5—9月浇筑最高温度不超过20℃。②在大坝实际施工过程中，坝体下游碾压混凝土三级配区域浇筑过程中冷却水管敷设间距为1.5 m×1.5 m时，混凝土的最高温度满足要求；坝体上游防渗层混凝土二级配区域浇筑过程中冷却水管敷设间距为1.5 m×1.5 m时，混凝土的最高温度略有超标现象，但在冷却水管加密敷设至间距1.0 m×1.5 m后，混凝土的最高温度能够满足要求。

3.5 拟定方案的温度场和温度应力分析

根据拟定的坝体混凝土浇筑施工方案，按照允许最高浇筑温度计算所得的坝体混凝土温度云图见图5，坝体混凝土顺、横河向应力分别见图6、图7。

图5 拟定方案施工的坝体混凝土温度云图（单位:℃）

图6 拟定方案施工的坝体混凝土顺河向应力（单位:MPa）

图7 拟定方案施工的坝体混凝土横河向应力（单位:MPa）

在大坝坝体碾压混凝土实际浇筑过程中，河床坝段找平层常态混凝土尖角处的最大应力为2.23 MPa，该部位出现了应力集中现象，同时在横河向区域产生了2.05 MPa的较大温度应力。在浇筑层的2～4层顺河向、横河向产生相对较大的温度应力，分别为1.95、1.89 MPa，这是坝体碾压混凝土强约束区在2016年11月完成浇筑后，冬季停工存在长间歇期，导致混凝土内部温度降幅较大引起的。

根据2017年的混凝土计划浇筑进度，通过坝体有限元温度场计算的温度应力可知:拟定浇筑方案施工的坝体混凝土顺河向温度应力总体低于横河向的。坝体基础约束区产生1.10～1.23 MPa的最大应力；其内部应力水平出现相对较低现象，脱离约束区产生1.10～1.63 MPa的最大应力，同时在临近底孔附近出现最大应力；在坝体基础约束区的横河向产生1.85～1.93 MPa的最大应力，其应力水平相对较高，主要出现在上下游表面附近，其内部应力水平相对较低。在脱离约束区横河向区域最大应力也是大部分出现在坝体上、下游面，坝体下游面产生2.03 MPa的最大应力。大坝底孔出口段的底板周边产生应力比较大的区域，出现2.12 MPa的最大应力。

4 结 语

（1）2017年3月25日前已完成浇筑的混凝土以及按2017年进度计划浇筑的混凝土按照拟定浇筑温度和通水冷却措施计算得到的最高温度和温度应力可满足设计要求。

（2）采取拟定的浇筑温度和相应冷却措施进行施工后，大坝坝体产生的横河向应力略高于顺河向应力，但坝体内部混凝土的温度应力水平总体不高，在大坝坝体的尖角处、上下游表面、孔口部位、长间歇部位出现了较大的温度应力。对这些部位在施工过程中制定专项温控施工方案，保证了大坝混凝土的施工质量。

（3）为防止坝体碾压混凝土在高温季节的浇筑温度因气温影响而产生升高现象，在高温季节浇筑的仓号建议采用喷雾机进行喷雾保湿降温；摊铺碾压完的混凝土表面及时铺设保温材料进行保护；温度比较高的月份，尽量选择低温时段浇筑，减小浇筑层的层厚，保证高温气候下坝体混凝土的浇筑温度满足要求。