堆石混凝土重力坝温度应力仿真分析及温控措施研究

张媛媛

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710004）

0 引言

大体积混凝土坝的防裂性能是影响大坝工程质量的三大关键问题之一[1]。虽然堆石混凝土具有水泥用量低,水化热低的特点,但是工程实践表明,由于堆石混凝土坝通常不分纵缝,仅仅靠自然散热,导致大坝内部高温持续时间较长,尤其是重力坝,坝体要降到稳定温度的过程十分漫长[2]。特别是在低温季节或遇到寒潮时,会因为较大的内外温差引起坝体表面裂缝。重要部位的裂缝,很可能会影响到大坝的使用功能,还有可能破坏大坝稳定,造成严重的安全事故。因此,有必要对堆石混凝土重力坝的温度应力进行分析,为控制温度裂缝提供依据[3]。

本文以满坪水库为研究对象,通过大型有限元分析软件,对堆石混凝土重力坝的温度场和应力场进行了有限元计算和仿真分析,提出了合理的温控措施,为类似工程提供了工程借鉴。

1 工程概况

满坪水库位于青海省民和县满坪镇前河沟上游小峡门沟口处,库区海拔高度在2500 m~2600 m之间,气候寒冷,人饮和灌溉是水库的主要功能,同时兼顾防洪和改善河道生态。

该水库总库容108.4×104m3,其中死库容4.79 万 m3,兴利库容98.2 万m3,防洪库容5.407 万 m3；相应死水位2489.68 m,校核洪水位2539.34 m,设计洪水位2539.06 m,正常蓄水位2538 m。该水库属Ⅳ等小（1）型工程,主要建筑物级别为4 级,次要和临时建筑物级别为5 级。水库大坝的防洪标准采用50 年一遇设计（洪峰流量50 m3/s）,200年一遇校核（洪峰流量68.3 m3/s）,临时建筑物防洪标准采用10年一遇（洪峰流量29.4 m3/s）。

本工程的主要建筑物由非溢流坝、溢流坝、放水管和导流底孔四大部分组成。其中,大坝为堆石混凝土重力坝,坝顶长度130 m,坝顶高程2540.8 m,坝顶宽度为6 m,最大坝高77 m。

2 计算理论

（1）温度应力

式中：[B]为应变与位移的转换矩阵；[D]为弹性矩阵。

（2）仿真应力

混凝土是弹性徐变体[4],在仿真计算中要考虑混凝土的徐变影响,否则计算出来的温度应力偏大,而且偏差可能比较严重。

混凝土的徐变柔度[4]为：

式中：{∆Pn}L为外荷载引起的结点荷载增量； {∆Pn}C为徐变引起的结点荷载增量；{∆Pn}T为温度引起的结点荷载增量；{∆Pn}0为自生体积变形引起的结点荷载增量； {∆Pn}S为干缩引起的结点荷载增量。

由式（4）求出各个结点的位移增量之后,由式（3）求得应力增量,累加以后得到各个单元τn时刻的应力。

3 坝体温度应力计算

本次计算运用混凝土结构温控防裂全过程仿真计算软件（WKFLRJB）和 SAPTIS程序。由于本篇对大坝施工期及运行期全过程进行应力分析,则可选择典型坝段进行单坝段仿真计算[5],即以泄流底孔坝段为典型坝段,为考虑不同坝段宽度的影响,将坝段宽度设置为22 m。如果22 m宽的泄流底孔坝段能满足抗裂要求,那么17 m宽的溢流坝段和22 m宽的挡水坝段均能满足要求。

3.1 泄流底孔坝段计算模型

混凝土是弹性徐变体[6],在计算温度应力时应考虑混凝土徐变,不计自生体积变形。计算模型见图1,计算网格共有26055 个单元,31474 个结点,361 个缝单元。计算过程中将各坝段的坐标原点设于0 高程水平面、坝纵+0.0 平面和坝横+44.85,定义顺河方向为X轴正方向,由右岸到左岸方向为Y轴正方向,建基面高程往上为Z轴正方向。

图1 坝体网格图

3.2 泄流底孔坝段计算工况

在混凝土坝施工中,影响坝体温度和温度应力的因素很多,温度变化过程十分复杂。影响温度应力的主要内因是温度变化,主要外因是结构约束。因此,温度控制主要应从内因和外因两方面进行把握。计算工况有两种,工况1采用了一系列温控措施,如控制浇筑温度,高温季节采用表面流水降温,冬季采用表面保温措施等。工况2 在采用温控措施的基础上,在上游防渗板增设伸缩缝。坝体每22 m设置一道横缝,上游面设有1.0 m~1.5 m防渗面板,防渗面板每11 m设置一道伸缩缝[7]。

3.3 温度场和应力场计算结果分析

3.3.1 工况1计算成果分析

本节研究采用简单温控措施的影响,上游防渗面板不设伸缩缝。对于中小型堆石混凝土坝,堆石混凝土的水化热温升较小,在低温季节浇筑考虑选择简单易行的温控措施。然而对于大体积高坝来说,特别是在高温时期连续施工,浇筑温度高导致最高温度较大,不采用温控措施难以保证质量。因此,采取温控措施应从减小内外温差的角度来解决。具体可控制浇筑温度,采用表面流水、表面保温等措施。

最大坝高剖面最高温度包络图见图2,混凝土的最高温度位于坝体内部,浇筑季节直接影响最高温度的数值高低,大坝顶部高温季节浇筑的混凝土最高温度为24℃左右,大坝中下部相对低温季节浇筑的混凝土最高温度为16℃左右。大坝上游面的混凝土温度在蓄水之前随气温周期性变化,在蓄水之后随库水温周期性变化,并且下游面的混凝土温度在蓄水之后随气温周期性变化。通过计算大坝最大坝高剖面的稳定温度场和准稳定温度场可知,下部高程的大坝稳定温度场为8℃左右,上部高程的大坝稳定温度场为10℃左右。

图2 最大坝高剖面最高温度包络图

利用低温时段浇筑混凝土,坝体拉应力较小,适当控制浇筑温度,可以降低最高温度与温差,从而降低坝体拉应力,可不采取分缝和温控措施。堆石混凝土根据试验和计算成果,在仿真分析时取最大温升值为15℃。当气温小于15℃时,浇筑温度等于气温,当气温高于15℃时,浇筑温度按15℃考虑。在蓄水前施工期低温季节（10月~3月）上游面、下游面与仓面都应采用表面保温措施[8],也就是采用2 cm厚聚苯乙烯泡沫板,并且应保证覆盖严密、搭接完好,实际施工时按保温板下部温度不低于1℃控制。

而对高温期浇筑的混凝土来说,应考虑采用表面流水或者避开高温时段浇筑的方式散热。

采用表面流水降温,蓄水前施工期气温高于15℃时,上下游面、仓面温度取15℃。

选取最能代表大坝温度应力的应力包络图,即为工况1大坝上游面最大横河向应力包络图（见图3）。满坪水库工程等别为Ⅳ等,主要建筑物为4级建筑物,抗裂安全系数取1.5,并以此确定各混凝土分区的抗拉强度和允许拉应力,见表1、表2。

图3 上游面最大横河向应力包络图

表1 混凝土抗拉强度 单位：MPa

表2 混凝土允许拉应力 单位：MPa

计算可得,内部最大横河向应力为0.6 MPa。长间歇面附近上游面横河向拉应力为1.4 MPa。2475 m~2480 m上游面横河向拉应力为1.4 MPa。长间歇面附近下游面横河向拉应力为1.4 MPa。2475 m~2480 m上游面横河向拉应力为0.8 MPa。上游面竖向拉应力为1.4 MPa。均满足防裂要求。

总之,上游防渗面板不设置伸缩缝时,只采取简单温控措施,上游防渗板和坝体顶部较薄且高温浇筑的堆石混凝土体的拉应力较大。

采取简单温控措施后,各月最高温度见表3。

表3 采取简单温控措施各月最高温度 单位：℃

3.3.2 工况2计算成果分析

青海属于高海拔地区,冬夏季节温差大,温度作用明显,坝体在温差作用下存在较大的拉裂风险[9]。不进行上游防渗面板的分缝,只采取简单的温控措施,坝体的拉应力削减作用有限,因此本节继续采用工况1的温控措施,研究采用防渗板分缝对温度应力的影响。

如图4~图5所示为最大坝高剖面最高温度包络图,上游面最大横河向应力包络图。与工况1相比,本工况针对上游防渗板的拉应力较大问题。对比两个工况的上游面横河向拉应力包络图可知,分缝后,约束条件降低,上游面拉应力有显著降低。长间歇面附近上游面横河向拉应力由1.8 MPa降低至1.0 MPa,2475 m~2480 m高程上游面拉应力由1.8 MPa降低至0.8 MPa。分缝后,上游面横河向拉应力均控制在1.0 MPa以内。均满足防裂要求。

图4 大坝最大坝高剖面最高温度包络图

图5 上游面最大横河向应力包络图

4 结论与建议

本文研究了满坪水库堆石混凝土坝的温度场和温度应力规律,研究了两种工况对坝体温度场和应力场的影响,结论如下：

（1）温度场分布规律：混凝土浇筑温度越高,混凝土内部达到的峰值温度就越高,并且最大拉应力与浇筑温度几乎呈正相关,表明混凝土的入模温度是影响温度应力的关键因素之一,因此施工时要严格控制浇筑时混凝土的初始温度。

（2）应力场分布规律：堆石混凝土坝采用简易温控措施之后,防渗板分缝的工况下的温度应力值可以控制在较小范围内,上游面拉应力有显著降低,优于不分缝的工况。由此可见,在堆石混凝土坝施工中,上下游面采用防渗板防渗时,设置伸缩缝十分必要,它对于温度控制具有十分重要的意义。

综上所述,堆石混凝土的温度控制应以仿真计算成果为依据,利用低温时段浇筑的优势施工,而在高温时段应利用上下游防渗板的分缝并采取简易可行的温控措施,既快速又高质地完成筑坝目标。