日照强热辐射对西藏大古水电站碾压混凝土重力坝的影响分析

晏国顺 陕亮 李家正

摘要：大古水电站位于西藏高寒高海拔地区，坝址区日照辐射强烈，显著影响了环境温差的变化，加剧了施工期乃至运行期大坝结构温度场时空分布的不均匀性，增加开裂风险。选取大古水电站14号厂房坝段为研究对象，采用三维有限元法对大坝施工期温度场和温度应力进行数值模拟仿真计算，分析了日照强热辐射对大坝的影响。结果表明：日照强热辐射在坝体表面产生了约0.6 MPa的拉应力，拉应力区影响深度在0.6 m范围内;采取混凝土表面保温防护措施后，拉应力减少至约0.1 MPa，有效降低了混凝土开裂风险。

关键词：日照强辐射;碾压混凝土重力坝;温度裂缝;三维有限元;大古水电站;高寒高海拔地区;西藏

中图法分类号：TV315 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.009

文章编号：1006 - 0081（2021）10 - 0047 - 05

0 引 言

中国剩余水能资源开发主要分布在西部、西南部，集中于雅鲁藏布江、金沙江、澜沧江、怒江流域[1]，这些地区气候变化剧烈，极端天气频繁，水电站建设难度大。碾压混凝土筑坝技术具有浇筑面大、连续浇筑施工效率高、不设纵缝少设横缝的优点，因此碾压混凝土坝成为高寒高海拔地区复杂环境下最有利的坝型[2-4]。在自然环境中的混凝土结构由于热传导性能较差，气候条件对混凝土的质量影响极大，混凝土内外大温差是导致坝体发生表面裂缝的主要原因 [5-7]。大气的温度变化并不是直接来源于太阳的热量，而是来源于大地上空的空气。太阳辐射主要以短波为主，其中大气吸收16%，地表和海洋则吸收了51%，这51%的短波变成了热量，又被地表以长波的形式往外辐射，这些长波被大气吸收，影响了大气的温度。大古水电站坝址海拔为3 500 m，位于青藏高原高海拔地区，是中国太阳辐射最强的地区，空气稀薄，大气对太阳辐射的削弱作用弱，到达地面的太阳辐射强。因此，本文以大古水电站为研究对象，采用三维有限元法计算分析了日照强热辐射对大坝的影响，旨在为类似复杂环境下的工程提供参考。

1 工程概况

大古水电站位于西藏自治区山南地区桑日县境内，是雅鲁藏布江中游桑日县至加查县峡谷段的第2级电站，上游距规划的巴玉水电站约8 km，下游距规划的街需水电站和已建成的藏木水电站分别为7 km和18 km。电站坝址控制流域面积15.74万km2。拦河坝为碾压混凝土重力坝，坝高126 m，电站装机容量66万kW，采用坝后式厂房布置。厂房坝段结构复杂，材料分组多，本文以14号厂房坝段为典型坝段进行研究分析。

2 数值模拟

2.1 结构模型

14号坝段结构模型见图1，材料分区见图2。坐标轴X方向为顺水流方向，指向下游为正;坐标轴Y方向为坝轴线方向（横河向），指向左岸为正;坐标轴Z方向为垂直向，向上为正，与结构实际高程一致。

本文采用长江科学院自主研发的大型水工数值分析软件包（Ckysts1.0），进行结构温度场和温度应力三维有限元线弹性仿真计算，网格划分共计335 414个节点，309 790个单元。

2.2 计算条件

依据大古水电站相关建设单位技术报告[8-11]，结合混凝土浇筑进度，参考相关类似工程经验以及行业规程规范[12]确定计算条件。

2.2.1 环境温度

（1）年气温作用。年气温作用是指气温年变化对混凝土结构的影响，其变化相对缓慢。根据大古气象站气象要素月平均气温统计，采用下式拟合：

[Tc（t）=10.2+7.9sin2π365（t-100）]           （1）

式中：[Tc（t）]为随时间变化的气温;t为计算时刻至1月1日的时间。

（2）日照温度作用。日照温度变化主要是太阳辐射作用引起，大坝混凝土表面受到日照直射辐射、散射辐射的作用，表面温度要高于该时刻的大气温度。日照影响相当于气温增高值[ΔTα]，由下式计算：

[ΔTα=R/β]                               （2）

式中：R為物体表面吸收的热辐射，材料吸收系数取0.65;β为物体表面放热系数。太阳辐射统计和受日照影响的气温增高换算值列于大古气象站气象要素统计表1中。

由表1看出，大古水电站受日照影响相当于年平均气温增加10.5℃。5月份日照最强，相当于气温增高12.5℃;12月份日照最弱，相当于气温增高7.6℃;年变幅A=（12.5-7.6）/2=2.4℃。因此，在计算分析中按年平均气温提高10.5℃，气温年变幅增加2.4℃的情况进行大古水电站日照温度作用影响的敏感性分析，拟合式如下：

[Tc（t）=20.7+10.3sin2π365（t-100）]        （3）

2.2.2 材料力学和热学性能

（1）混凝土及基岩弹性模量。混凝土各龄期弹性模量用式（4）拟合，拟合参数见表2。

[E（t）=E0（1-e-AtB）]                          （4）

式中：[E0]为混凝土最终弹性模量，GPa;[t]为混凝土龄期，d;A，B为拟合参数。

基岩变形模量取值为13.5 GPa，泊松比取0.2，不计自重。混凝土密度：碾压混凝土C9015为2.42×103

kg/m3，其他常态混凝土取为2.37×103 kg/m3，泊松比0.167。

（2）混凝土徐变度。温度应力计算中，混凝土徐变度采用式（5）拟合：

[C（t， τ）=C1（τ）[1-e-k1（t-τ）]+C2（τ）[1-e-k2（t-τ）]] （5）

式中： C（t，τ）为混凝土徐变度，×10-6/MPa;t为混凝土龄期，d;τ为混凝土加荷龄期，d;[C1（τ）=A1B1τm] ，[C2（τ）=A2B2τn]，A1，A2，B1，B2，n，m，k1，k2为拟合系数，见表3。

（3）热学性能参数。混凝土、基岩热学性能参数见表4。混凝土绝热温升通过胶凝材料水化热值以及混凝土配合比的胶凝材料用量计算得出，采用[θ（t）=θ0tA+t]拟合，式中：[θ（t）]为混凝土绝热温升，℃;t为混凝土龄期，d;[θ0]为混凝土最终绝热温升，℃。

2.2.3 边界条件与初始条件

（1）边界条件。温度场计算中，基础各侧面、底面、坝段对称面取绝热边界，坝体暴露在空气中的面取气温边界。坝体与气温接触的边界，按第三类边界条件处理，放热系数β取10.73 W/（m2·℃），等效热交换系数为927 kJ/（m2·d·℃）。坝体廊道孔洞内取气温边界，考虑到空气流通不畅，孔洞内表面与大气接触， 放热系数β取5.0 W/（m2·℃），等效热交换系数为452 kJ/（m2·d·℃）。

应力计算中，基础左右两侧面、基础下游面取法向约束，基础底面取三向约束;基础上游面取为自由面。考虑到坝体侧面与相邻坝段之间有横缝，取为自由面。

（2）初始条件。基岩初温拟定为10.2℃，基岩上、下游表面在气温边界条件下计算20 a至混凝土开始浇筑时所得的温度场作为基岩的初始温度场。混凝土浇筑时的浇筑温度作为混凝土的初始温度。

2.2.4 浇筑温度与通水冷却

厂房坝段建基面呈多层台阶式，混凝土相应允许浇筑温度见表5。混凝土下料时即开始一期通水冷却，通水水温12℃，通水时长30 d;高温季節浇筑的混凝土入冬前进行必要的中期通水冷却降温，从当年9月初开始，通水时长60 d，通水水温12℃，冷却目标温度16℃。

2.2.5 混凝土表面保护

高寒地区碾压混凝土坝表面保温方案多样[13]，大古水电站14号厂房坝段混凝土表面分为保温、不保温2种情况计算分析，保温效果参数见表6。

3 结果分析

在自然环境中的混凝土结构，由于热传导性能较差，气候条件对混凝土的质量影响极大，日照热辐射等作用使混凝土表面温度迅速变化，而其结构内部温度仍处于原来状态，从而形成较大温度梯度，产生温度变形，这样的变形在受到结构内、外约束阻碍时，会产生相当大的温度应力，施工阶段由于混凝土水化热作用，更容易形成混凝土内外表面较大温度差，引起裂缝的产生。

3.1 温度场

坝体内部混凝土与坝体外表面混凝土最高温度见表7，日照影响的混凝土外表面温度历程见图3。温度场的仿真计算表明：混疑土外表面温度受太阳日照的影响较大，混凝土浇筑层内部区域受太阳日照的影响较小，在混凝结构中造成较大的温度梯度。与不考虑太阳日照影响相比，大坝混凝土表面保温条件下，考虑日照影响的外表面混凝土最高温度增加了10.61℃。结构内部碾压混凝土、排沙廊道常态混凝土、坝下0+74前常态混凝土最高温度分别增加了1.80℃，0.34℃，0.47℃;大坝混凝土表面不保温条件下，考虑日照影响的外表面混凝土最高温度增加了12.56℃，结构内部碾压混凝土、排沙廊道常态混凝土、坝下0+74前常态混凝土最高温度分别升高2.62℃，1.50℃，0.71℃。

3.2 温度应力

坝体内部与外表面混凝土横河向拉应力对比分别见表8和表9，坝体外表面混凝土横河向应力历程见图4。温度应力的仿真计算表明：日照强辐射作用对坝体内部混凝土应力基本无影响，而对外表面混凝土拉应力影响较大，增大了外表面混凝土的开裂风险。坝体内部混凝土，采取表面保温措施时，相对于不考虑太阳日照影响，混凝土横河向拉应力，碾压混凝土增加了0，排沙廊道常态混凝土减小0.03 MPa，坝下0+74前常态混凝土减小0.03 MPa;表面不保温情况下，内部碾压混凝土增加了0.04 MPa，排沙廊道常态混凝土减小0.23 MPa，坝下0+74前常态混凝土减小0.07 MPa。坝体表面混凝土采取表面保温措施时，相对于不考虑日照影响，混凝土横河向拉应力增加0.12 MPa，拉应力区影响深度在0.6 m以内;表面不保温情况下，横河向拉应力增加0.54 MPa，拉应力区影响深度在1.2 m以内。

4 结 语

（1）高寒高海拔地区气候环境复杂，太阳日照对直接接受太阳辐射热的外表面混凝土拉应力影响较大，增加了混凝土表面开裂风险。

（2）坝体混凝土表面采用保温防护措施十分必要，可有效降低工程在施工期面临的开裂风险。

（3）在较高温季节日照强烈时浇筑混凝土，有必要采取遮阳板、遮阳棚等温控措施，减小太阳辐射造成环境温度高于坝体温度情况而产生热量倒灌现象的影响。

参考文献：

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[2] 钮新强.  中国水电工程技术创新实践与新挑战[J].  人民长江， 2015， 46（19）：13-17.

[3] 李响， 彭松涛， 田德智，等.  相同设计强度下凝灰岩粉对水工混凝土性能的影响[J].  人民长江， 2019，50（增2）：216-219.

[4] 王松春.  中国碾压混凝土筑坝技术及其发展[J].  水利水电科技进展， 2001， 21（2）：16-18，22.

[5] 邱冬梅， 熊濤， 蔡畅，等.  DG水电站大坝工程碾压混凝土仓面设计[J].  水电与新能源， 2019（12）：12-16.

[6] 龚召雄. 水工混凝土的温控与防裂[M]. 北京：中国水利水电出版社，1999.

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[9] 华东勘测设计研究院有限公司. 西藏大古水电站大坝混凝土热力学性能试验检测报告[R]. 杭州：华东勘测设计研究院有限公司，2019.

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[11] 中国水利水电第九工程局有限公司. 西藏大古水电站大坝土建及金属结构安装工程施工总进度计划[R]. 贵阳：中国水利水电第九工程局有限公司，2018.

[12] NB/T 35092-2017 混凝土坝温度控制设计规范[S]

[13] 尚层.  高寒地区碾压混凝土坝上游面保温方案比选[J].  人民长江， 2016， 47（1）：79-82.

（编辑：江 文）

Influence of sunlight strong heat radiation on RCC gravity dam of

Dagu Hydropower Station in Tibet

YAN Guoshun1， SHAN Liang2，3， LI Jiazheng2，3

（1. Huadian Tibet Hydropower Development Co.， Ltd， Lasa 856200， China;   2. Material and Engineering Structure Department， Changjiang Scientific Research Institute， Wuhan 430010， China;   3. Research Center of Water Engineer Security and Disease Prevention Under Ministry of Water Resources， Changjiang Scientific Research Institute， Wuhan 430010， China）

Abstract： Dagu hydropower station is located in the high cold and high altitude area of Tibet. The sunshine radiation in the dam site area has a strong impact on the change of environmental temperature difference， which aggravates the uneven distribution of temperature field in the construction period and even operation period， and increases the risk of cracking. The No.14 plant dam section is selected as the research object. The three-dimensional finite element method is used to simulate the temperature field and temperature stress during the construction period of the dam， and the influence of the strong heat radiation of sunshine on the dam is analyzed. The results show that the tensile stress of the dam surface is about 0.6MPa， and the influence depth of the tensile stress area is within 0.6m. After taking the thermal insulation protection measures on the concrete surface， the tensile stress decreases to about 0.1 MPa， which effectively reduces the risk of concrete cracking.

Key words： strong sunlight radiation; compacted concrete gravity dam; temperature crack; 3D finite element; Dagu hydropower station; High altitude and cold area; Tibet