乌金峡水电站厂房混凝土施工期温度仿真计算与原型监测.pdf

一水 利 水电 施 工 2 0 1 0 第6 期 总 第1 2 3 期 乌金 峡水 电站厂房 混凝 土施 工期 温 度 仿真计算 与原型监测 李 磊 李 婷 唐 峰 陈光荣 ( 中国 水利水电第三工程局有限 公司) 相对于混凝土大坝而言，水 电站厂房结构复杂，其 温控计算工作量较大。目前水电站厂房 的温控计算方法 有二维有限元法 和三 维有 限元 法 。在 利用 三维 有 限元 法 计算时 ，由于厂房 结构 的 复杂性 ，三 维有 限元 温度 应力 仿真程序 R C T S模拟厂房结构及其施工过程存在一定的 困难，故采用 An s y s 软件与三维仿真程序相结合的方法 进行厂房温控计算。本文介绍了如何利用该方法对乌金 峡厂房混凝土温度进行仿真计算 ，并且将计算结果与部 分时段的实测温度进行 了对 比分析 。 1 工程概况 乌金峡水电站位于甘肃省白银市靖远县境内，黄河 干流乌金 峡 峡 谷 出 口段 ，坝 址 距 白银 市 3 0 k in。为黄 河 龙一青段规划的第 2 1 个梯级 电站 ，为黄河 甘肃兰 靖 ( 兰 州一 靖远)段 三级开发 的最 后一 个梯 级 。乌金 峡 水 电站 工程 以发 电为主 ，水 电站 为河 床 式 ，安装 四台贯 流式 水 轮发 电机 组 厂房 。枢 纽 主要 建 筑物 由左 岸 三孑 L 泄 洪 闸 、 左岸 挡水 坝段 工程 、河床 式 电站 厂房 、右 岸 挡水 坝段 工 程、开关站和中控楼等建筑物组成。工程规模属 等中 型工程，枢纽主要建筑物为 3级。 本文研究对 象为 2号 机组 坝 段 ，该 坝段顺 水 流方 向 长 7 1 4 m，垂直 水流 方 向长 2 5 8 m。机 组 坝段 基 底高 程 1 3 8 5 0 0 m，坝顶高 程 1 4 3 8 5 0 m。不 同强度 等级 的混凝 土 分 区 情 况 ： 高 程 1 3 8 5 0 1 3 9 1 0 m 为 C1 5 F 5 0 W4 ； 高程 1 3 9 1 O 1 4 3 8 5 m为 C 2 0 F 1 0 0 W4 ；宽缝、排沙 孔为 C 3 O F 2 O O W4 。 2 仿真计算基本 资料 进行混凝土仿真计算的基本资料包括：气温资料、蓄水 计划、水温资料、混凝土和基岩的热学参数、绝热温升。 2 1 气温资料 本工程气温 资料有 2 0 0 7年 1月 2 0 0 8年 1 2月旬平 均 气温 ，以及多年平均气温 ，见表 1 表 3 。 2 2 蓄水计划 乌金峡水电站工程蓄水计划见表 4 、表 5 。 表 1 2 0 0 7 年实 测 气 温 ( ) 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 全年 逐 月 一O 9 4 8 3 6 1 3 3 2 2 O 2 3 O 2 O 8 2 5 8 1 9 0 1 6 3 1 5 O 7 7 6 1 4 2 上旬 一O 7 5 7 9 7 2 1 8 2 2 O 2 3 6 2 8 2 2 5 8 2 3 4 1 O 4 1 3 6 4 6 1 5 7 中旬 一3 3 7 3 1 1 _ 3 1 4 0 2 4 O 2 3 9 2 5 4 2 3 9 2 2 9 1 8 8 1 5 3 5 3 1 5 7 下旬 一O 2 6 O 1 2 5 2 3 1 2 6 8 2 4 7 2 2 9 2 O 9 1 8 8 1 0 0 1 3 2 3 7 1 5 2 2 8 法算 剃删榄 割研 ； ， ) 行审 和 姒 褂 黻 黻 雌 射 硼 锻 栅 一 一 混凝土工程 表 2 2 0 0 8 年 实 测 气 温 ( ) 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 O 1 1 1 2 全 年 逐月 一5 2 1 0 1 9 6 4 0 2 3 2 1 9 1 2 3 4 2 0 0 1 7 8 1 4 O 1 4 1 4 5 1 1 2 上旬 5 2 1 O 2 9 O 3 9 2 3 O 1 8 9 2 3 2 1 9 8 1 6 5 1 4 4 1 4 0 1 6 1 0 7 中旬 一9 7 1 0 2 8 9 5 6 2 3 2 1 8 2 2 2 7 2 0 0 1 6 1 1 2 9 5 3 1 5 9 3 下旬 一5 O 一9 8 9 4 4 2 2 3 1 1 8 5 2 3 0 2 O 1 1 3 9 9 3 2 9 3 6 8 8 表 3 多 年 月 平 均 气 温 ( ) 月 份 l 1 I 2 l 3 I 4 I 5 l 6 7 I 8 l 9 1 0 I 1 1 l 1 2 温 度 f 5 3 I 1 0 5 4 f 1 2 2 l 7 f 2 0 4 f 2 2 4 f 2 1 2 f 1 6 3 9 8 f 2 5 f 9 表 4 乌金峡 水电站上游蓄水信息 蓄水水 顺序 时间 计算时间 位( m) 1 2 0 0 8 年 1 O月 2 7日 8： O 0 2 0 0 8 年 1 O月 2 7 E l 1 0： O 0 1 4 3 0 2 2 0 0 8 年 1 0月 2 7日 1 0： O 0 2 0 0 8年 1 O 月 2 7日 1 2： O 0 1 4 3 2 3 2 0 0 8年 1 O月 2 7日 1 2： O 0 2 0 0 8年 1 O月 2 9日 1 2：O 0 1 4 3 6 表 5 乌金峡水 电站下游蓄水信息 蓄水水 顺序 时间 计算时间 位( m) l 2 0 0 8年 l O月 2 4日 8：O 0 2 0 0 8年 l O月 2 9日 O 0： O 0 l 4 2 3 2 3 水温资料 本工程 2 0 0 8 年 1 O月 蓄水 ，至 2 0 0 9年 2月有 5个 月 的水温实测值见表 6 。 表 6 乌金峡水 电站水库水温 实测值 ( ) 月份 2 0 0 8正 2 0 0 8拒 2 0 0 8正 2 0 0 9矩 2 0 0 9拄 水 深 ( 1 0 月 1 1 月 1 2 月 1月 2月 1 0 0 2 1 7 5 1 2 1 5 6 4 5 3 3 5 4 7 5 2 O O 1 7 8 5 l 2 O 5 6 2 5 3 3 0 3 7 0 3 O O 2 O O 0 1 2 1 O 6 3 0 3 1 5 3 8 5 4 0 0 1 5 3 5 1 2 O 0 3 O 5 2 1 0 3 7 5 5 0 0 1 2 5 5 1 3 3 5 8 8 5 5 1 5 3 9 5 计算中 2 0 0 8年 1 O 月 至次 年 2月 的水温采 用实测值 ， 由于缺少 3 9 月间的实测水温资料，故采用水库坝前水 温公式拟合 ，拟合公式为 ： 丁w( ，r )一 1 6 1 6 7 。 。 。 + 1 2 8 0 0 e - 。 r月份 ； T w ( y ，f ) 水深 处在 r月份 的水 温 ， 。 2 4 混凝土热学参数 计 算采用的混凝 土热学参数见表 7 。 表 7 混凝土热 学参数值 混凝土强度等级 C 1 5 F 5 O W4 C 2 O F 1 0 0 W4 C 3 0 F 2 0 0 W4 导热系数 E k J ( m h ) 8 1 9 6 8 7 6 6 8 4 0 7 导温系数 ( mz h ) 0 0 0 3 8 0 9 0 0 0 3 9 6 8 0 0 0 3 8 5 5 比热 k J ( k g ) 0 9 2 2 2 0 9 3 0 2 0 9 1 2 8 放热系数 E k J ( m h ) 6 2 8 6 2 8 6 2 8 2 5 混凝土绝热温升 计算采用的混凝土绝热温升值参数见表 8 。 表 8 混凝土绝热温升值 ( ) 各龄期数值 混凝土等级 最终 l d 3 d 5 d 7 d 1 4 d 2 1 d 绝 热 温升 C1 5 F5 0 W4 ( 四级配 ) 1 5 6 1 1 6 3 1 4 4 7 1 5 8 7 1 7 3 6 1 8 01 1 8 5 1 C 2 0 F 1 0 0 W4 ( 三 级配 ) 2 3 4 1 2 3 O 1 5 1 6 1 6 9 6 1 9 6 7 2 0 5 4 2 O 7 3 C 3 0 F 2 0 0 W4 ( -级 配) 1 4 2 3 0 1 4 3 6 5 4 3 9 1 0 4 2 9 9 4 5 0 1 4 6 3 5 根据混凝土绝热温升试验值进行 了拟合，得出不同 混凝土强度等级的绝热温升表达式分别为： C1 5 F S O W4 ( 四 级 配 )：T( r ) = 1 8 5 1 r ( 1 3 +r ) C 2 0 F I O O W4( 三级配 ) ：T( r ) 一2 O 7 3 r ( 1 4 +r ) C3 0 F 2 0 0 W 4 ( 二 级 配 ) ：T( r ) - 4 6 3 5 r ( 1 3 5 + r ) X c o s 詈 ( r 一 7 0 3 一 o o o 8 ) 式 中广 混 凝 土 龄 期 。 式中y - 水深，m； 2 6 混凝 土 浇筑温 度( 见表 9 ) 表 9 混 凝 土 浇 筑 温 度 时间 浇筑温度 C C) 时间 浇筑温度 ( ) 时间 浇筑温度 ( ) 时间 浇筑温度 ( ) 2 0 0 7 7 1 5 2 1 O O 2 0 0 7 9 1 9 1 8 3 2 0 0 71 12 1 1 1 O 2 0 0 8 3- 6 1 2 O 2 0 0 772 O Z 3 0 0 2 0 0 71 O一6 1 7 5 2 0 0 71 1 一Z 6 1 2 0 2 0 0 831 7 1 Z 8 2 0 0 7 7 2 4 2 3 0 0 2 0 0 71 O一1 1 1 6 4 2 0 0 71 24 1 2 6 2 0 0 832 9 1 2 5 2 0 0 772 5 2 3 O O 2 0 0 7 1 0 1 8 l 6 5 2 0 0 7一l 21 6 1 2 8 2 0 0 833 0 1 3 5 2 0 0 781 1 6 7 O 2 0 0 71 o一2 2 1 4 7 2 0 0 7l 2 1 8 1 2 7 2 0 0 841 3 1 2 8 2 0 0 789 1 7 2 2 0 0 71 03 O 1 4 O 2 0 0 71 22 O 1 4 3 2 0 0 841 7 1 3 3 2 0 0 782 3 1 6 5 2 0 0 7 1 1 1 1 2 5 2 0 0 8 1 6 1 4 9 2 o o 842 5 1 4 O 2 0 0 792 1 4 8 2 0 0 7 1 1 4 1 2 1 2 0 0 81 1 4 1 4 5 2 0 0 851 O 1 5 O 2 0 0 798 1 3 8 2 0 0 7 1 1 - 1 2 1 1 8 2 0 0 811 4 1 4 2 2 0 0 852 O 1 5 5 2 0 0 791 2 1 5 5 2 0 0 7 1 1 1 5 1 O 5 2 0 0 822 5 1 3 5 2 0 0 862 2 2 O O 2 9 鬻 水 利 水 电 施 工 2 0 1 0 第6 期 总 第1 2 3 期 3 计算方法和计算模型 3 1 计算方法 本文 采用 大 型通 用 有 限 元 软 件 An s y s 建 立 厂 房 坝 段的计算模型 ，通过控制单元节点信息模拟施工过程， 将单元节点信息导人大体积混凝土结构温度场与应力 场 的计算 程 序 R C T S的前 处 理 中 ，进行 温 度 场 的 仿 真 计算 。 由于在实际施工 过程 中 ，保温 材料 的覆盖 时 间和覆 盖位置没有具体详 细 的规定 ，所 以本 文计算 时 ，假 定两 种方案进行分析 ：方案 1 ，施工 期 内每 年 1 2月 次 年 2 月 ，对所 有外露 面覆盖 2 mm彩条布以及 2 c m 聚乙烯 ；方 案 2 ，不覆盖任何保温材料 。 3 2 计算模型 ( 1 ) 计算模 型在坝基深度方 向取 4 9 m，上 、下游方向 各取 5 0 m。整体坐标系的坐标原点在机组坝段底上游面 左岸处 。坝轴线指 向右岸 为 z轴 正向 ，下游方 向为 Y轴 正向，铅直 向上为 轴正向 。计算模 型见 图 1 。 图 1 2 号机组坝段 计算模 型 ( 2 )温度场计算中边界条件选取。地基底面和 4个 侧面 以及机组 的 横缝 面 为绝热边界 。坝段 在水位 以上为 固一气边 界 ，水位 以下为 固 水边 界 。固一气边 界按 第 三类 边 界 条 件 处 理 ，固水 边 界 按 第 一 类 边 界 条 件 处 珲 4 温度计算结果分析 4 1 监 测点与 计算 节点 选取 2号坝段 中埋设 的 7个 温度 监测 点为 对象 ，进 行计算分析 。为 了准确地 对 比实测值 与仿 真计算 值 ，需 要将实测点的位置 加 以明确 ，而某 些实 际观测 点并 不是 模型节点 ，为 了进 行 比较选取 了距 观测点 最近 的节点 进 行计算 。实际监测 点 的坐标 位置 、对应 模型 坐标 、计 算 节点编号见表 1 O 。 4 2 仿真计算成果与实测温度值 4 2 1 方案 1 仿 真计算成 果及分析 2 号机组段坝段仿真计算 时段从 2 0 0 7年 月 中旬 计 算至 2 0 0 8年 1 2月 中旬 ，按照该 方案进 行 的温度仿真计 算值 与实测温度值过程线如 图 2 图 8 所示 。 乌金峡大坝混 凝土 为常 态混凝 土 ，主要在低 温季 节 施工 ，采取分块浇 筑 的方式 施工 间歇 时间较 长 ，而 7个 计算节点分布于贯流式机组流道周围的混凝土内，距流 道表面距 离近，易受外界气 温的影响，由图 2 图 8 可知 ： ( 1 )多数测 点的仿真温度计算值与实测混凝土温度的 发展规律基本一 致 ，前期 温升 较快 ，一 般在 3 5 d温度 升至最高值，最高温度在 2 5 3 5 之间。 ( 2 )仿 真混凝 土温度计算 成果反 映 ，在 2 0 0 8年 2月 出现温度 的最低点 ，分 析 同期 气温 资料 ( 见 图 9 ) ，可 以 看出 2 0 0 8 年 2 月气温达到最低 值 ，整个 实测 气温过程 中 时常发生波动 ，与仿真计算成果有密切的关系。 表 1 0 监 测点位置及计算节点编号对应表 埋 设位 置 对 应模 型坐标 仪器设计编号 计算节点编号 左右桩号 上下桩号 高程 ( m) X y Z $ 3 0 2 一 C A一1 坝 右 O +0 8 3 0 0 坝下 O +0 1 4 0 0 1 4 1 0 0 0 i 4 0 1 3 O O 1 4 1 0 0 0 3 5 8 0 6 $ 3 0 3 C A 1 坝 右 O +0 9 0 6 0 坝下 0 +0 l 4 0 0 1 4 O 1 5 0 9 5 5 1 3 O O 1 4 0 1 5 O 2 9 4 0 2 $ 3 0 2 一C C一1 坝 右 O +0 8 3 0 0 坝下 0 +0 3 9 0 0 1 4 1 O O O 1 4 0 4 0 5 0 1 4 1 O 0 0 3 7 5 5 1 $ 3 0 4一 C C一1 坝右 0 +0 9 8 2 0 坝下 0 +0 3 9 0 0 1 4 1 0 0 0 1 8 1 O 4 0 5 0 1 4 1 O O O 3 7 5 6 5 $ 3 0 2 C D 1 坝右 0 +0 8 3 0 0 坝下 0 +0 6 5 0 0 1 4 1 0 0 0 1 4 0 6 5 3 O 1 4 1 0 0 0 3 6 6 5 4 $ 3 0 3 一C D一1 坝右 0 +0 9 0 6 0 坝下 0 4 - 0 6 5 0 0 1 4 O 1 5 0 9 5 5 6 5 3 0 1 4 0 1 5 0 3 1 4 3 4 $ 3 0 4 一C D一1 坝右 O +0 9 8 2 0 坝下 O +0 6 5 0 0 1 4 1 O O 0 1 8 1 O 6 5 3 O 1 4 1 O O O 3 6 6 1 0 3 0 A = _ 秘 v- 时间( 年一 月一日) 图 2 2 9 4 0 2 测点 温度仿真计算值及 实测值过程线 A _ _ 立 涮 I 一 甏 一一。 _ 崤 嚼 离 豳 囊 舞 l _ 二 瞻 鞫 奄 - 一 ： 一 ， r 时间( 年一 月一 日) 图 3 3 1 4 3 4测点温度仿 真计 算值及 实测值过程 线 32 8 3 28 墨 一 ： l V 20 0 卜 8 6 2 007 一l 1 1 4 2 008 -2 -22 2 008 -6 一l 20 08 -9-9 2 008 -1 2 1 8 2 009 -3 -2 8 时间( 年一 月一日) 图 4 3 5 8 0 6 测点温度仿真计算值及 实测值 过程线 A ： !il 1 i 一 鬈 一 2 0 0 7 - 8 6 2 0 0 7 - 1 1 1 4 2 0 0 8 2 2 2 2 0 0 8 6 1 2 0 0 8 - 9- 9 2 0 0 8 1 2 1 8 2 0 0 9 3 2 8 时间( 年一 月一 日) 图 5 3 6 6 1 0测 点温度仿真计算值与 实测值过程线 混凝 土工程 一 一 如 加 m 5 0 一 u 0 赠 如 加 O 一 u 。 赡 水利水 电施 工2 0 1 0 第 6期总第 1 2 3期 3 2 3 0 2 5 2 O 2 醚 l 5 赠 l O 5 0 B I 一 _ ILllL 厂 I I = ： = 、 V 2 O O 7 8 6 2 0 0 7 1 1 1 4 2 0 0 8 2 2 2 2 0 0 8 6 _1 2 0 0 8 一 9 2 0 0 8 1 2 1 8 2 0 0 3 - 2 8 时间( 年 月一日 ) 图 6 3 6 6 5 4测点温度仿真计算值 与实测值过程线 A I l 、 一 q ： l_、 20 07 8 6 2 00 7 -1 1 1 4 30 25 20 1 5 l 0 5 0 20 08 -2 -22 20 08 -6 -1 2 00 8 -99 20 08 -l 2 1 8 2 0 09 -3 - 28 时间( 年一 月一 日) 图 7 3 7 5 5 1测点温度仿真计算值 与实测值过程线 A ， jI 、 I： l 薹 一 2 0 0 7 -8 6 2 0 0 7 - 1 1 -1 4 3 5 3 O 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 5 1 0 2 0 0 8 - 2 - 2 2 2 0 0 8 - 1 2 0 0 8 - 9 _ 9 2 0 0 8 - 1 2 -1 8 2 0 0 3 2 8 时间( 年一 月日 ) 图 8 3 7 5 6 5测点温度仿真计算值与 实测值过程 线 一 f 一 】 弋 l 、 厂 I U 2 0 0 7 3 9 2 o 0 7 8 6 2 0 0 8 1 3 2 0 0 8 6 l 2 0 0 8 1 O 一 2 9 2 0 0 9 3 2 8 2 0 0 9 _ 8 2 5 2 0 1 O 一 1 2 2 2 0 1 6 2 1 时间( 年一 月一 日) 图 9 乌金峡水 电站 实测气温 加 m O 一 蹲 一 g 瘸 一 巡赠 ( 3 )混凝土的水化热温升直接影响混凝土温度的峰 值 。节点 3 7 5 5 1 、3 7 5 6 5 、3 1 4 3 4的最 高 温度 的 计算 峰 值 小 于实测峰值 ，初步 分析 是 由于施工 中出现 了混凝 土分 区偏差所引起 。 4 2 2 方 案 2仿真计算成果分析 在方案 1 的计算 成果 基础 上通 过分 析发 现 ，处 于流 道周 围的部分点 ( i n 2 9 4 0 2 、3 1 4 3 4 点 )在 2 0 0 8 年 2月 区 段的混凝土温度计算值大于实测值 ，初 步分 析原因是 由 5结论 混凝土工程 于计 算中所采用 的保 温设 计 与实 际情况 不符 ，计 算 中考 虑所有边界都覆盖保温材料，而实际情况 出现差异，对 节点 2 9 4 0 2 、3 1 4 3 4 按照方案 2没有覆 盖保 温材料 的情 况 进行计算，得出的温度仿真计算值 与实测值过程线见 图 1 O和图 1 1 。 通过比较分析可以看出，节点 2 9 4 0 2 、3 1 4 3 4 在不覆盖 保温材料情况下，仿真计算值与实测值吻合良好，而其余 节点在覆盖保温材料情况下，计算值与实测值吻合良好。 一 1 一 赠 图 l O 2 9 4 0 2 测点 温度仿真计算值与 实测值过程线 A I i 一 一一 一 、_ 一 _ - - = = = 。 图 1 1 3 1 4 3 4测点温度仿真计算值 与 实测值过程线 应用有限元软件 An s y a 和三维有限元温控仿真程序 R C T S相结合的方法，对乌金峡厂房 2号机组坝段混凝土 温度进行 了温度仿真计算并与实测进行了比较 。 ( 1 ) 测点 的仿真温度计算值与实测混凝土温度的 发展 规 律 基 本 一致 ，前 期 温升 较 快 ，一 般 在 3 5 d 温度升至最 高值 ，符 合常态混凝 土温度变化 的一般 2 8 规律 。 ( 2 )通过对计算结果和条件的分析，进一步确定仿真 条件 ，使理论计算值与实测值吻合 良好 ，较为准确地描 述混凝土的温度变化过程，为厂房的设计、施工提供了 可靠的理论依据。 ( 3 )大坝混凝土温度的仿真计算是工程实践 中发展起 来的一项技术，在应用这项技术时准确地掌握各项施工 技术措施在仿真计算中的作用，对于应用好这项技术是 至关重要 的。 3 3