堆石混凝土重力坝施工期温度场仿真与温控措施分析

甘 创，苏忖安

（长沙理工大学水利工程学院，湖南 长沙 410114）

引 言

堆石混凝土（Rock-filled concrete，简称RFC）是清华大学水利系于2003 年发明、具有自主知识产权的一种基于自密实混凝土（Self-compacting concrete，简称SCC）的新型大体积混凝土施工技术[1～2]。

堆石混凝土相比于普通混凝土（常态混凝土或碾压混凝土）有以下特点：使用大骨料，强度高、耐久性好，水化热温升低，施工速度快、造价低[3～4]。由于这些优点，近些年在国内外得到了广泛的应用。

堆石混凝土技术施工工艺简单，主要有仓面处理、模板施工、堆石的选取与入仓、自密实混凝土施工和堆石混凝土养护共5 道程序，在堆石入仓能力和混凝土生产能力有保证的情况下，可连续循环施工，大大提升混凝土的施工速度[5]。其工艺流程图和施工示意图见图1、图2。

图1 堆石混凝土施工工艺流程图

图2 堆石混凝土施工技术示意图

工程实践表明，由于堆石混凝土大坝施工中，通常不分纵缝、不采用水管冷却措施，仅依靠自然散热，坝内高温持续时间长（尤其是重力坝），坝体温度要降到稳定或准稳定温度场，需要较长的时间过程。在此期间，坝内由于持续高温，在低温季节或遇寒潮时，坝体发生裂缝的风险较大。因此有必要对堆石混凝土坝温度场进行仿真分析。本文综合考虑了外界气温、混凝土绝热温升、浇筑温度、浇筑层厚、间歇期等多种因素对大坝温度场的影响。

1 计算理论

1.1 热传导方程[6]

混凝土内部温度场计算的实质是热传导方程在特定边界条件和初始条件下的求解。三维瞬态温度场的热传导方程为:

式中 ρ——密度（kg/m3）；

c——比热（J/kg·℃）；

T——温度（℃）；

t——时间（s）；

α——导温系数，α=λ/ρc；

Q˙——单位时间单位体积发出的热量（W/m3）。

1.2 初始条件和边界条件

通过建立的热传导方程，赋予初始条件及边界条件，可以确定所需温度场。温度场一般为坐标和时间的函数初始条件下，温度场为：

多数情况，如在大体积混凝土的仿真过程中，初始温度T（x，y，z，0）一般设置为入仓温度，在仿真中，要注意到混凝土与基岩等接触部分，其温度是离散的，应予以考虑。对于温度边界条件，一般分为如下三类边界条件：1）在边界上给定温度T（τ），称为第一类边界条件，它是强制边界条件：

2）在边界上给定热流量q（τ），称为第二类边界条件；当q=0 时就是绝热边界条件：

3）在边界上给定对流热交换条件，称为第三类边界条件：

1.3 生热率HENG

在ANSYS 中，混凝土的绝热温升通过生热率HGEN来实现[7]。顾名思义，生热率就是单位时间内混凝土的生热率，即所产生的热量对时间的倒数，用表达式表示为：

式中 HGEN——混凝土生热率；

dQ——随时间变化的热量增量；

dt——时间增量。

在进行计算过程中，θ（t）、c、ρ 可计算或者通过实验测出，混凝土的生热率用式（7）表示：

2 计算模型

2.1 计算模型

以湖南省花垣县在建五龙冲堆石混凝土重力坝为例，坝顶高程725.00 m，坝顶7 m，最大坝64 m，左岸挡水坝长45 m，溢流坝段长30 m，右岸挡水坝段长62.2 m，坝顶长度137.2 m，共分为6 个坝段，其中3#坝段为溢流坝。挡水坝上游坝面在死水位688.00m 以上为铅直面，在688.00 m 高程以下坡比为1∶0.1，下游坡比1∶0.75。

本文取右岸非溢流挡水坝段为研究模型模拟施工期全过程的温度场变化，下游水位669.00 m，坝顶高程725.00 m。计算挡水坝段宽30 m。计算坝段模型利用ANSYS 三维建模，模型上下游、基岩深度均取100 m高，三维计算坝段模型如图3 所示。有限元单元在高度方向约为0.5 m，沿坝体厚度约为0.5 m。整体网格共24 400 个单元，30 930 个节点。

图3 右岸非溢流坝段模型

2.2 相关参数

五龙冲水库混凝土、基岩的热力学参数参照文献[8]。各类热力学参数见表1。

表1 各类混凝土热力学参数

自生体积变形取0。

参考朱伯芳院士著作《大体积混凝土温度应力与温度控制》，五龙冲坝址处年平均风速为1.2 m/s，相应裸露混凝土表面散热系数b 可取为38.852 kJ/（m2·h·℃），即932.45 kJ/（m2·d·℃）。

本文绝热温升表达式参照文献[8]。

2.3 施工规划和边界条件

根据时间节点，对大坝浇筑时间进行规划。大坝混凝土浇筑进度表见表2。

表2 大坝混凝土分层浇筑进度安排

温度场计算中，地基4 个侧面和底面为绝热面；地基表面为与大气接触的第三类散热面，坝体上下游面及顶面为散热面；大坝蓄水前，上、下游表面为第三类边界。其中：外界气温随时间变化曲线拟合如下：

2.4 计算工况

为进行堆石混凝土重力坝简易的温控措施研究，本文设计了4 种工况，工况1 为无温控措施，工况2、3、4 为简易温控措施工况。计算工况见表3。

表3 计算工况表

1）自然入仓：以该仓浇筑当月平均气温为入仓浇筑温度。

2）控制浇筑温度：按条件1），如当月平均气温高于25℃，则计算入仓浇筑温度取为25℃。

3）施工期夏季表面流水措施：夏季5—9 月期间，当气温超过25℃的时段时，混凝土表面流水，相当于坝体混凝土表面按环境温度25℃、散热系数取很大（相当于坝体散热面取25℃）考虑。

4）降低混凝土绝热温升：堆石混凝土最终绝热温升由15.7℃降低为13℃。

3 温度场结果分析

图4 和图5 为工况1 最高温度云图和施工结束温度云图，图6～图8 为工况2、3、4 最高温度云图。最高温度出现在第27 仓。根据结果分析得到以下结论：

图4 工况1 最高温度云图

图5 工况1 施工结束温度云图

图6 工况2 最高温度云图

图7 工况3 最高温度云图

图8 工况4 最高温度云图

1）施工期混凝土最高温度一般位于坝体内部，最高温度与浇筑季节密切相关，在没有任何温控措施的情况下，高温夏季浇筑块的最大温度可超过37℃，超过一般重力坝温度控制标准的值，对坝体结构可能产生影响。

2）施工结束后，坝体内部存在1 个高温区，最高温度为32℃。且高温区域存在于高温季节时的浇筑层，说明堆石混凝土内部的高温仅靠表面散热，下降的速度较慢，会较长时间存在坝体内部。

3）工况2 施工期最高温度比工况1 减小约1.5℃，高温期整体温度减小约1℃。工况3 施工期最高温度比工况1 减小约2℃，降温效果比工况2 显著一些。工况4施工期最高温度，整体温度比工况1 降低约0.8℃。总体而言，夏季表面流水的温控效果相对更显著。

4 结论及建议

4.1 结 论

1）堆石混凝土坝的温度场由混凝土绝热温升、浇筑温度、外界气温和混凝土表面散热系数等因素决定。施工期堆石混凝土的最高温度位于坝体内部，最高温度与浇筑季节密切相关；夏季浇筑块的温度可超过37℃，应采用相应的温控措施。

2）实施温控措施能使坝体的最高温度降至低于容许最高温度；夏季采用表面流水的温控措施比控制浇筑温度的效果更好，降低绝热温升的效果相对不明显。

4.2 建 议

根据计算结果，防止坝体内最高温度高于允许最高温度标准。建议如下：

1）在新老混凝土结合面处、坝踵处、坝址处、溢流坝反弧段处等多布置一些应力监测仪来实时监测数据是否满足要求，控制工程质量。

2）采取适当温控措施：高温季节（6—8 月）控制浇筑温度和表面流水以降低最高温度及高温期的整体温度。

3）由于混凝土的最高温度与浇筑季节密切相关，在能够满足工期的要求下，尽量避开高温时段。