白莲崖大坝浇筑过程温度演变有限元模拟

闫俊

摘 要：混凝土内部的温度差会引起混凝土内部形成温度应力，严重时温度应力会造成混凝土结构的开裂现象。由于水泥水化热的存在，在混凝土浇筑时尤其大混凝土浇筑，常常发生混凝土结构开裂现象，因此对混凝土施工过程进行热分析具有重要意义。本文采用有限元法对白莲崖水库大坝施工期的热特性进行了分析。详细介绍了热分析的方法，并对不同的作用进行了模拟。

关键词：白莲崖大坝;大体积混凝土;浇筑温度演变;有限元模拟

0 引言

混凝土水化是一种放热反应，在浇筑过程中会产生大量的热量，特别是在混凝土浇筑后的最初几天或几周内。在大体积混凝土中，由于混凝土的隔热作用，这种热量产生会在混凝土的核心部位产生高温，当表面温度下降时，大体积混凝土内部散热较慢，形成温度梯度。这种温度梯度可能会产生不良的热应力，从而导致混凝土出现裂缝[1]。想要减少大体积混凝土坝的裂缝首先要对混凝土的水化过程和温度演变过程进行预测，从而能够进一步采取适当的措施减少温度的变化量和变化速度，使大体积混凝土在浇筑过程中由温度引起的损伤程度降到最低。本文旨在模拟拱坝混凝土的水化过程和温度演变过程。

1 研究区概况

白莲崖水库位于安徽省六安市霍山县境内东淠河佛子岭水库上游西支漫水河上。水库以防洪为主，兼顾灌溉、供水和发电，为大（2）型水利工程。白莲崖水库的正常蓄水位208 m，总库容4.60亿m3，调洪库容2.81亿m3，兴利调节库容1.42亿m3。100年一遇设计洪水位209.24 m，5 000年一遇校核洪水位234.5 m。

2 大坝结构组成

2.1 大坝浇筑时间

大坝浇筑大致可以分为四个时期，（1）基础浇筑（1个月）：2006年4月6日，坝基垫层混凝土部分开始浇捣，于2006年5月7日浇筑完成。（2）浇筑一期（8个月）：2006年10月10日，白莲崖碾压混凝土拱坝工程第一仓碾压混凝土开始碾压，2007年6月6日，完成大坝EL170高程碾压混凝土浇筑，“一枯”碾压混凝土浇筑结束。（3）浇筑二期（8个月）：2007年9月30日，大坝“二枯”碾压混凝土开仓浇筑，2008年6月19日（9个月），大坝“二枯”碾压混凝土浇筑完毕，大坝浇筑至EL212.0。（4）浇筑三期（5个月）：2008年9月3日，“三枯”碾压混凝土开始进行浇筑，2009年1月18日，碾压混凝土浇筑EL212至设计高程EL234.6，大坝碾压混凝土浇筑完毕，至此白莲崖水库工程碾压混凝土全部施工完毕。

2.2 大坝几何结构

拦河坝为碾压混凝土抛物线双曲拱坝，坝高104.6 m。坝顶宽8.0 m，拱冠处坝底厚30.064 m，厚高比为0.287;坝顶弧长421.860 m，弧高比为4.033;弦长366.994 m，弦高比为3.509。

2.3 大坝监测系统布置

白莲崖大坝的监测系统包括环境量监测、变形监测、渗漏监测、应力应变及温度监测。在施工过程中，用埋在混凝土中的仪器测量坝体内的温度。随着时间的推移，使用便携式测量仪器对冷却系统散热混凝土的效果進行了评估，仪器插入44根垂直金属管中，长度为16 m，可从检查廊道的地板进入，在混凝土浇筑过程中专门放置。这些金属管装满水，以便测量混凝土温度[2]。

3 温度场计算原理

水泥的水化是放热反应，但放出的热量不是恒定的。水泥的水化至少表现出两个甚至三个产热周期，由于铝酸三钙（C3A）的水化作用，水泥与水混合后立即产生第一个循环，在大约5分钟的时间内，热量的产生率达到最大值，然后迅速下降。第一个循环之后是一个1～6小时的放热期，这里的热生成率逐渐升高。第二个循环是由于硅酸三钙（C3S）的水化作用产生，在这一循环中，峰值产热在6到10小时之间观察到，在这一峰之后产生的热量逐渐减少。因此混凝土内部温度是变化的，可以认为混凝土浇筑过程中内部存在放热不恒定的热源。其次热源在进行热传导的过程中也会导致温度发生变化。

4 数值模拟

4.1 有限元模型

通过ANSYS有限元模拟软件对大体积混凝土拱坝浇筑过程的温度场进行模拟。首先进行网格划分，该模型有18 857个网格，其中7 529个属于地基基础，11 328个单元网格为混凝土大坝如图1所示。

4.2 材料属性

在数值分析中使用的岩体基础和混凝土特性如表1所示。

4.3 有限元模型的初始和边界温度条件

在施工之前，只考虑地基进行热分析。在得到循环响应后，计算结果作为初始温度应用于网格基础节点，当气温在5℃到35℃时，浇筑时采用空气温度作为初始混凝土温度[3]。只有当混凝土温度在上述温度范围内时，才允许大体积混凝土浇筑。在实践中，采取实际措施来控制大体积混凝土的温度，从而满足上述施工要求。

白莲崖拱坝的大体积混凝土温度控制大体可以分为以下三个区域：

1区：为强约束区，区域范围是指距基岩0.2L以内的混凝土，L为浇筑块的长边。

2区：一般约束区，是指距基岩0.2L～0.4L范围内的混凝土。

3区：非约束区，是指除1区、2区以外的混凝土。

对于白莲崖拱坝而言，对于内外温差产生的应力，可采取以下三种措施：①通水冷却，降低内部混凝土温度;②过冬时上下游面保温;③上游面蓄水保温。对于运行期温度荷载产生的应力，可采取全年表面保温措施。

4.4 结果分析与记录数据比较

在大坝浇筑的四个阶段选取六个时间点进行大坝的热分析，结果如图2所示。六个时间点分别在1、3、4、5、9和10月，从图中可以看出在不同月份，大坝温度分布有着明显的区分，在1月和3月时，坝基温度要明显高于坝体温度，在5月9月和10月时坝体的温度明显高于坝基的温度，说明大坝温度随季节变化波动明显，随着大坝进行浇筑，坝体内部不断释放热量，在夏季大坝最容易出现最高温度，形成较大的温度差，从而引起大坝损坏，因此在夏季进行浇筑时冷却措施以及浇筑时间间隔一定要严格把控，将温度控制在标准温度要求规范以内。

有限元模拟大坝温度变化结果与现场实测温度结果如表3所示。

通过表3可知模拟温度场变化范围基本都在实测月温度变化范围以内，因此可以运用有限元模拟预测混凝土坝浇筑过程的温度变化，从而可以提前预判施工过程中的大体积混凝土温度范围，当预测温度范围超出标准范围时，采取有效措施确保大体积混凝土浇筑的最大温度限定在大坝施工期间保证的标准限值范围内。

5 结论

大坝的浇筑过程伴随着水泥的水化放热过程，而大体积混凝土坝浇筑时间周期长，任务量大，因此提前模拟混凝土浇筑过程的温度场变化意义重大，提前做好预防措施，在温度过高时使用冷却水管降温，温度过低时采用蓄水保温措施等。本文采用ANSYS有限元模拟，对白莲水崖水库大坝浇筑过程的温度变化进行模拟，结果表明，模拟温度场变化范围基本都在实测月温度变化范围以内，因此可以用有限元模拟对大坝浇筑过程温度变化进行预判，从而采用最有效和最经济的混凝土施工工艺。

参考文献：

[1]曹万林，刘文超，叶天翔，等.循环水控制厚大基础混凝土温度裂缝试验研究[J].自然灾害学报，2016，25（1）：97-102.

[2]大体积混凝土施工规范：GB50496—2009[S].北京：中国计划出版社，2009.

[3]陈应波，李秀波，张雄.大体积混凝土浇筑温度场的仿真分析[J].华中科技大学学报，2004（2）：37-39.