亚碧罗碾压混凝土重力坝温控方案初步设计.pdf

l 2 水利水 电工程 设计D WR H E 2 0 1 0年 第 2 9 卷 第1期 亚碧罗碾压混凝土重力坝温控方案初步设计 张怀芝 吴朝 月 段 大琪 文胜 良 摘要碾压混凝土重力坝温控设计的重点在于控制基础温差、内外温差和新老温差，控制混凝土最高温度，以此 达到防裂的目的。利用三维有限元法，对亚碧罗碾压混凝土重力坝温度场进行了多种温控方案的仿真计算，计算中 考虑了混凝土绝热温升随时间的变化、通水冷却、分层浇筑和气温环境的变化等因素，得出了亚碧罗碾压混凝土重 力坝合理的温控方案。 关键词碾压混凝土 重力坝 温度场 仿真分析 有限元法 亚碧罗水电站 中图分类号T V 6 9 8 ． 2 3 1 文献标识码B 文章编号1 0 0 7 ． 6 9 8 0 ( 2 0 1 0 J 0 1 — 0 0 1 2 0 5 1 工 程概 况 凝土约 2 0 0 71 0 4 r I l 3 。 亚碧罗水电站位于怒江中游河段，是怒江中下 游梯级规划的第 7个梯级 ，坝址距离昆明市约 6 1 6 k m，工程是 以发电为 主的水 电枢纽工程，电站装 机容量为 2 1 0 0 M W，水库正常蓄水位 1 0 7 9 m。拦 河坝为碾压混凝土重力坝 ，坝顶高程 1 0 8 2 ． O 0 i n ， 最大坝高 1 6 5 ． O 0 m，为高碾压混凝土坝；坝顶宽度 1 8 m，坝顶轴线长度 3 7 4 m，混凝土坝共 1 8个坝 段，最大横缝 间距为 2 5 n l ，最小横缝 间距 1 8 i n 。 坝体混凝土工程量 约 2 4 0 ． 51 0 4 m 3 ，其 中碾压混 2 基 本 资 料 及 计 算参 数 2 ． 1 气象、水温资料 根据福贡站、泸水气象站资料统计 ，亚碧罗坝 址多年平均气温 1 6 ． 9 o C，极端最高气 温 3 7 ． 5℃， 极端最低气温 ～2 ． 8℃，多年平均水温 1 4 ． 2 o C，多 年平均地温 1 8 ． 8℃，多年平均风速 1 ． 9 m ／ s 。年平 均降雨量 1 1 9 9 m l n，年平均相对湿度为 7 l ％，多 年平均风速为 1 ． 9 m ／ s 。 各月气温、水温具体见表 1 。 表 1 亚碧罗水电站坝址处气温及水温资料 ℃ 月份 气温 水温 9 1 0 1 1 1 2 年平均 9． 5 l 1 ． 2 1 3． 5 1 6． 2 1 9． 9 2 2． 6 2 3． 3 2 3． 2 2 1 ． 8 1 8． 3 1 3． 4 9． 9 1 6． 9 8 ． 3 1 0． 0 儿 ． 9 1 3． 4 1 5． 8 1 7 ． 1 l 8． 4 2 0． 3 l 8． 6 1 6． 0 1 2． 1 8． 8 1 4． 2 2 ． 2 混 凝土材料 及分 区 坝体上游面及下游水面以部位采用二级配富胶 凝碾压混凝土作为主要防渗体 ，中部及下游水面以 上部位采用三级配碾压混凝土。基础垫层采用 1 ． 5 m厚的常态混凝土。考虑到大坝碾压混凝土施工期 比较长 ，承受荷载晚的特点 ，混凝土强度设计龄期 ～ 采用 1 8 0 d 。 2 ． 3 混凝土及基岩物理参数 根据亚碧罗工程试验资料，温度场仿真计算采 用的物理参数试验值见表 2 。 表 2 亚碧罗温度场仿真计算参数 张怀芝等 亚碧 罗碾 压混 凝土 重力 坝温 控方 案初 步设 计‘ 2 ． 4 坝体施工进度安排 按第 3年 7 ～l 0月份顺序开始各坝段基础部位 混凝土浇筑 ，除结构需要或特殊情况外 ，碾压层厚 度采用每层 3 0 c m的通仓薄层连续铺碾 ，一般强约 束区连续升程为 1 ． 5 m，弱约束区和非约束区连续 升程为 3 ． 0 m，层间间歇为 5—7 d 。第 5年 1 1 月中 旬导流隧洞下闸封堵 。第 6年 1 月第 1台机组正式 投产发电。 3 稳定温 度场 3 ． 1 边界条件 裸露在大气中的坝体面受 日照影响，取 1 9 o C； 库前水温见表 3 ；下游水垫搪底部水温 1 4 ． 6 o C，表 面水温 1 7 ． 1 o C，中间取直线变化 ；坝体建基面温 度按上游坝踵和下游坝趾处水温 ，中间取直线变化 ( 见表3 ) 。 表 3 年平均库前水温 水深／ m 0 1 2 3 4 8 1 4 2 1 2 4 2 9 水 温／ ℃ 1 8 ． 4 3 1 8 ． 4 l l 8 ． 3 5 1 8 ． 2 8 l 8 ． 2 l 7 - 8 8 l 7 ． 3 3 1 6 _ 8 7 l 6 ． 7 2 1 6 ． 3 9 3 ． 2 稳定温度场 坝体稳定温度场计算成果如图 1 。 图 1 坝体 稳定 温度场 4 温 度控 制 标 准 4 ． 1 基础 温差 控制标 准 当碾压 混 凝 土 2 8 d龄期 极 限 拉伸 值 不 低 于 0 ． 7 0 1 0 时 ，其碾压混凝土坝基础允许温差见表 4 。当基础约束区常态混凝土 2 8 d龄期的极限拉伸值 不低于 0 ． 8 51 0 I 4 时，对 于施 工质量均匀、良好 、 基岩与混凝土的变形模量相近 ， 短期间歇均匀浇筑 上升的浇筑块 、基础允许温差见表 4 规定的数值 。 表 4 混凝土基础允许温差 ℃ 4 ． 2新老 混凝 土温 差 考虑到本工程的重要性 ，控制标准如下。 ( 1 )约束 区混凝 土原 则上不允许长 间歇 ，但 是 ，一旦 出现 问歇大于 2 8 d时 ，控制碾压混凝 土 新老温差不大于 1 3℃；垫层常态混凝土新老温差 不大 于 1 6 。 ( 2 )非约束区新老混凝土温差控制标准为 1 5℃。 4 ． 3内外 混凝 土温 差 碾压混凝土 的内外 温差控制不超过 l 7 ℃，常 态混凝土的内外温差控制不超过 2 1℃。 4 ． 4 最高温度控制标准 坝体混凝土允许最高温度取决于稳定温度 、基 础温差 、内外混凝土温差和新老混凝土温差等。目 前 ，在设计及施工中为了便于控制 ，一般均以坝体 最高温度作为控制参数。亚碧罗大坝不 同部位混凝 土允许最高温度控制标准见表 5 。 表 5 坝体混凝土允许最 高温度控 制标准 q C 5 不 稳定温 度场仿真计算与温控方案设计 5 ． 1 三维仿真计算 建基面高程以下基岩厚度取 1 ． 5倍坝高 ，上下 游方向取 1 ． 5 倍坝高。离散坝体及坝基岩体采用空 问 8 节点等参实体单元 ，坝段铅直 向单元层厚 0 ． 5 m，上下游方 向分 为 l 0层单元 ，上下游面 附近较 密 ，中心较 稀。整个 坝段模 型共 剖分单元 1 1 6 O O 个 ，节点 9 0 1 8个 ，其中大坝坝体剖分单元 1 0 9 4 0 个 ，基岩结构剖分单元 6 6 0个 。 施工期从下往上逐层浇筑混凝土时，上下游边 1 4 水 利水 电工程设 计D W R H E 2 0 1 0年 第2 9卷 第 1 期 界暴露于大气中，为第三类边界条件 ；蓄水后上游 面按库前不同高程水温取值 ，下游面与尾水接触部 分按尾水温取值 ，与水接触部分为第一类边 界条 件 ，否则仍为第三类边界条件。左右两侧的散热可 按绝热条件处理，属于第二类热学边界条件 。坝顶 暴露面随浇筑高度上升，问歇期间属第三类边界条 件。 5 ． 2 温控方案及计算成果分析 一 般而言，大坝的温控方案应尽可能满足简单 易行、经济合理以及安全可靠等要求。对于碾压混 凝土重力坝而言，温控设计的重点在于控制基础温 差、内外温差和新老温差，控制混凝土最高温度， 以此达到防裂的目的。在该思想的指导下，展开了 以下多种方案( 见表6 ) 的仿真计算研究 。 表 6 温控仿真计算方案 注：①垫层常态混凝土厚 1 ．5 m，考虑到垫层浇筑完成后进行基础固结灌浆，故取间歇期为3 0 d ②碾压混凝 土浇筑 1 2 h 后开始通水冷却 ，常 态混凝土浇筑完后立 即开始通 水冷却 。 参考同类工程 ，根据经验初拟温控方案 1 、2 ， 经仿真计算 ，其最大温度包络图见 图 2和图 3 ，各 部位最大温度值见表 6 ，具体分析如下。 方案 1 ：7月初开始浇筑，则垫层混凝 土浇筑 时气温高，计算表明最高温升达到 3 3 ． 1℃，超过 了最高温度控制标准要求。强约束区浇筑时为 8 ～ l 0 月， 最高温升为3 2 ． 5℃，远超过该部位 2 7℃的 控制标准。弱约束区最高温升达到 3 0 ． 2℃，超过 该部位允许最高温度标准。非约束区混凝土最高温 度达 3 4 ． 9℃，仍高于最高温度控制标准。 方案 2 ：1 0月初开始浇筑，则垫层混凝土浇筑 时气温仍比较高，计算表 明最高温升达到 3 1 ． 3℃， 超过最高温度控制标准要求。强约束区混凝土浇筑 时则遇到低温季节 ，最高温温升为 2 7 ． 6℃，稍高于 最高温度控标准。弱约束区浇筑时间为 2 —5月份， 最高温升达到 3 2 ． 0 o C，超过该部位 2 9 ． 0℃允许最高 温度标准。非约束区坝体混凝土浇筑则遇高温季节， 如图3 计算结果显示，坝体中上部大面积的区域最 高温升均超过 3 4℃允许最高温度控制标准。 通过对方案 1 、2的仿真计算及分析，可知： 高温及次高温季节浇筑时混凝土温升超标严重 ，需 针对性地加强该时段的温控措施；另外 ，垫层也需 进一步严格温控措施。因此 ，针对性地设计了温控 方案 3 、4 ( 见表6 中所示 ) 。其仿真计算结果见图 4 和图 5 ，各部位最大温度值见表 6 。 方案 3 ：如图4最大温度包络图所示 ，强约束 张怀芝等 亚 碧罗碾 压 混凝 土重 力坝 温控 方案 初步 设 区大部分区域为 2 7 ． 7℃，最大值达 2 8 ． 1℃，超过 了允许最高温度 2 7 的控制标准。由于该部位混 凝土浇筑时间为 8—1 0月份 ，因此需进一步加强高 温季节约束区温控措施 。其余部位基本满足最高允 许温度控制标准。 方案 4 ：如图 5最大温度包络 图所示 ，弱约束 区大部分区域为 2 8 ． 5～3 1℃，最 大值 达 3 2 ． 1℃， 超过了允许最高温度 2 9 的控制标 准。由于该部 位混凝土浇筑 时间为 1 2～翌 年 3月份 ，因此需进 一 步加强低温季节约束区温控措施 。其余部位基本 满足最高允许温度控制标准 。 通过对方案 3 、4的仿真分析 ，可知 ：对 于高 图2方 案1 最 大温度 包络 图 (单 位： ℃) 温及低温季节施工的约束 区混凝土需进一步严格温 控措施 ，因此针对性地设计 了温控方案 5 、6 ( 见表 6 0 7 所示) 。其仿真计算结果见 图 6和图 7 ，各部位 最大温度值见表 6 。 方案 5 ：如图 6最大温度包络图所示 。垫层最 大温度为 2 7 ． 1℃，强约束区最大为 2 7 ． 1℃，弱约 束区为2 4 ． 0 ～ 2 5 ． 9℃，非约束区为 2 5 ． 9 ～ 3 3 ． 8℃， 均满足表 5中的各部位允许最高温度控制标准。 方案 6 ：如图 7最大温度包络图所示 ，垫层最 大温度为 2 6 ． 3 c c，强约束区最大为 2 3 ． 5℃，弱约 束区为 2 3 ． 5 ～2 8 ． 0℃，非约束区为 2 8 ． 0 ～3 3 ． 1℃， 均满足表 5中的各部位允许最高温度控制标准。 图3方案2 最大 温度包 络 图( 单位 ： ℃) 图4方 案3 最大温 度包络 图 ( 单位： ℃) 图5方 案4 最 大温度 包络 图( 单 位： ) 图6 方案5 最 大温 度包 络图 ( 单位： ) 图7方案6 最大温 度包络 图 ( 单位： ) 5～ 、 兰 、 ． 。 、 ． 6结 语 通 过 以 上 对 亚 碧 罗 碾 压 混 凝 土 重 力 坝 各 温 控 方 ⋯ ⋯ 案的设计及其仿真分析可知 ，方案 5 、6为合理的 碾压混凝土重力坝温控设计的重点在于控制基 温控方案 ，因此 ，确定出了亚碧罗大坝混凝土温控 础温差 、内外温差和新老温差 ，但在设计及施工中 合理的方案 ，详见表 7 。 为了便于把握 ，一般将其化为坝体最高温度作为控 l 6 水利 水 电工程设 计D WR H E 2 0 1 0年 第2 9 卷 第 1 期 注：碾压混凝土浇筑 1 2 h 后 开始通水冷却，常态混凝土浇筑完后 立即开始通水冷却。 制参数 ，以达到温控防裂的目的。本文利用三维有 限元法，对亚碧罗碾压混凝土重力坝温度场进行了 多种温控方案的仿真计算分析，以坝体混凝土允许 最高温度为控 制标准 ，最 终确定 了合理 的温控方 案。 参考文献 1 朱伯芳 ． 大体积混凝 土温度应力与温度控制[ M] ．北京 ：中国电 力出版社 ，1 9 9 9 ． 2 朱伯芳 ． 有限单元法原理与应用 ( 第2 版 ) [ M] ．北京 ：中国水利 水 电出版社 ，1 9 9 8 ． 3 王立成 ， 马妹英 ． 戈兰滩碾压混凝土重力坝温控设计[ J ] ． 水利水 电工程设计 ， 2 O O 8 ， 2 7 ( 3 ) ：l 一3 ． 4 王志国， 包 日新 ． 玄庙观碾压混凝土拱坝温度控制设计 [ J ] ． 水利 水电工程设计 ， 2 O O 8 ， 2 7 ( 1 ) ： 2 o一2 2 ． 5 张怀芝 ， 何蕴龙 ， 彭云枫 ． 桑郎碾压混凝 土拱坝温度场仿真分 析 书 讯 [ J ] ． 水利水运工程学报 ， 2 0 0 7 ( 1 2 ) ： 4 3 —4 8 ． 6 孙恭尧 ， 王三一 ， 冯树荣 ．高碾压混凝 土重力 [ M] ． 北 京： 中国电 力出版社 ， 2 O O 4 ． 7 张宗明， 王卫华 ． 玄庙观碾压混凝土拱坝施工温度控制措施[ J ] ． 水利水 电工程设计 ， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 1 ) ： 5 5 —5 8 ． 作者简介 张怀芝 男 工程师 中国水电顾问集团北京勘测设计研 究院北京1 0 0 0 2 4 吴朝月 男 教授级高级工程师 中国水电顾 问集团北京 勘测设计研究院 北京 1 0 ( K P_ 4 段大琪 男 高级工程师 中国水电顾问集团北京勘测设 计研 究院北京1 0 ( K P_ 4 文胜良 男 工程师 中国水电顾问集团北京勘测设计研 究院北京1 0 0 0 2 4 ( 收稿 日期2 0 0 9 —1 2 一l o ) 一+ 一 +“ +- +” +- +” +一 +一 +* + 欢迎订阅《 水机磨蚀》 为庆祝全国水机磨蚀试验研究中心成立 2 O 周年， 特编辑 了《 水机磨蚀》 一书( 精装本 ) ， 由中国水利水电 出版社出版 ， 6 0 6 千字， 定价 1 2 0 元。 本书收集了全国水机磨蚀试验研究 中心 2 0年 回顾和我国在水机磨蚀试验研究与实践方面的最新文章。 内容述及水力机械空化、 空蚀、 泥沙磨损及磨蚀机理研究与分析， 数值模拟计算 ， 水轮机选型水力设计及结构 优化， 泥沙磨损预估 ， 水轮机( 水泵 ) 技术改造 ， 金属( 焊条 ) 与非金属材料( 涂层) 试验与应用 ， 水轮机泥沙磨损 导则与保证， 叶形测绘、 修形与抗磨措施， 新型热喷涂技术与应用， 水电设备状态监测技术以及部分水电设备 生产企业产品等。 本书专业性 、 实用性强 ， 可供从事水利水 电工程科研、 设计、 设备制造 、 安装运行、 检修维护和管理部门的 工程技术人员和管理人员参考 ， 尤其适宜水利水电、 水能动力、 水力机械以及相关专业的同等院校师生参考。 欲购书的单位和个人 ， 可与全国水机磨蚀试验研究 中心秘书处联 系， 地址 ： 天津市河西区洞庭路 6 0号， 邮编： 3 0 0 2 2 2 ， 电话( 传真) ： o 2 2 —2 8 7 0 2 4 0 2 。 ， +’ ’ + +。 +’ ‘ +” +。 +‘ ‘ + + +‘ ‘ +’ + { 欢 迎 投 稿 + +。 + + +。 + +． ． + + +． ． + + 欢 迎 订 阅 一一 + +。 +． ． + + + + +． ． +． ． + + +。 +． +． ． + + +． +． +． +。 +