碾压混凝土重力坝稳定温度场数值仿真研究.pdf

:/.:/第 卷 增 人民珠江 年 月 收稿日期:作者简介:糜凯华()男硕士工程师主要从事水工混凝土温控设计方面的工作 :.碾压混凝土重力坝稳定温度场数值仿真研究糜凯华邓水明(中水珠江规划勘测设计有限公司广东 广州)摘要:为分析水库水温及碾压混凝土重力坝稳定温度场的分布规律基于描述水温的一维控制方程及稳定温度场的拉普拉斯方程运用非线性有限元软件数值计算水库水温随水深及时间的变化过程、碾压混凝土重力坝运行期稳定温度场的分布 数值仿真结果表明:水库水温 月份最低、月份最高且随水深的增加而降低碾压混凝土重力坝稳定温度场的分布符合一般规律 该数值分析方法对类似工程的温控分析具有参考意义关键词:碾压混凝土重力坝稳定温度场数值仿真中图分类号:.文献标志码:文章编号:()碾压混凝土筑坝技术在 世纪 年代开始迅速发展该筑坝技术可减少单位体积混凝土用水量及胶凝材料用量 水泥用量少高掺粉煤灰使得坝体内部混凝土水化热温升显著降低但水化热温升持续时间长需要相当长的时间才能达到稳定温度碾压混凝土抗拉、抗剪强度低温度裂缝的控制是确保大坝安全的关键所在 随着计算机技术的高速发展许多研究者对碾压混凝土重力坝的温控做了大量的仿真分析如曹智昶等采用三维有限元数值分析方法针对某碾压混凝土重力坝进行温度场和温度应力场的计算分析韩芳等针对碾压混凝土重力坝温度场进行实时仿真研究李守义等结合百色碾压混凝土坝的工程实际情况采用三维有限元浮动网格法进行温度场与温度徐变应力的仿真分析张怀芝等针对亚碧罗水电站碾压混凝土重力坝温度场进行仿真分析薛元琦等对碾压混凝土拱坝的温度场及应力场进行了仿真计算研究 但是研究坝体稳定温度场的相关文献不多本文首先介绍稳定温度场及水库水温计算的一般理论再结合非线性有限元软件数值计算水库水温及碾压混凝土重力坝运行期稳定温度场分布的规律该方法对类似工程的温控分析可提供参考借鉴 稳定温度场有限元计算按照热传导相关理论稳定温度场()在计算域内满足拉普拉斯方程见式():()第一类边界条件:第三类边界条件:()绝热边界条件:式中 表面放热系数 导热系数 外法线方向、边界温度对计算域采用 结点空间实体等参元离散后温度场()可按式()描述:()式中 形函数 结点温度对式()在计算域内应用加权余量法后可得式():()()假设权函数 等于形函数 对式()进行分部积分后得式():人民珠江 年增刊()()将、代入式()后可得式():()代入边界条件后对所有单元求和可得求解稳定温度场的方程见式():()式中:数值仿真模型碾压混凝土重力坝数值仿真模型包括坝基和坝体两部分坝基在深度方向和上下游方向分别取 沿坝轴线方向以两相邻横缝面为界坝体取两相邻横缝间的坝段 数值仿真模型中坝基的 个侧面、底面和两相邻横缝面为绝热边界数值仿真模型中坝体水位以上的部分为第三类边界坝体水位以下的部分为第一类边界 数值仿真模型中坝基底面约束方式为固支、上下游面约束方式为 轴向简支其余的约束方式为自由 非溢流坝和溢流坝三维数值仿真模型分别见图、计算参数见表、碾压混凝土重力坝混凝土线膨胀系数平均值为./图 非溢流坝数值仿真模型与坐标系图 溢流坝数值仿真模型与坐标系表 坝址平均气温单位:月份平均气温月份平均气温.注:坝址全年平均气温为.表 坝址平均水温单位:月份平均水温月份平均水温.注:坝址全年平均水温为.人民珠江 年增刊 水库水温计算水库水温的变化采用一维问题描述见图 图 水库水温计算)单位时间内在垂直方向由下面进入流量 带进热量 由上面流出流量 带走热量 ()净 带 进 热 量()单位时间内在水平方向入库带进热量出库带走热量 净剩热量:()短波辐射热 自下边离去辐射热()()自上面进入辐射热()()()留下净辐射热:()扩散作用 下边进入 ()上边流出 ()()净流入 ()水体升温吸热:式中 水的比热 水的密度 水的温度 入库水流单位 高 度 的 流 量 入库水流的温度 出库水流单位 高 度 流 量 入 库 水 流 的 密 度()高度 处的短波辐射热 辐射热的衰减系数()处的水库面积 水分子扩散系数 水的紊动扩散系数由热量平衡可知:则有:()()()()假设 ()().()因为()/假设入库水流按密度进入水库相同密度水层以及在 处的热辐射 ()()为水面吸收的太阳能 为小于.的系数假设 ()对式()进行整理后得式():()()()()()()()()()()()将式()进行简化可得式():()()().()()()式()即为水库水温计算的一维控制方程给定约束条件后即可求得水库水温的分布其计算成果见表 人民珠江 年增刊 表 碾压混凝土重力坝水库水温计算成果水深/月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月.以下.注:表中除水深外其余数据为水温单位为 从表 可知:碾压混凝土重力坝水库水温在同一月份随着水深的增加水温逐渐降低符合一般规律由于冬季坝址区气温最低水库水温在同一水深处 月份最低夏季坝址区气温最高水库水温在同一水深处 月份最高 稳定温度场计算分析坝体温度达到稳定温度后其表面温度随外界气温和水温而变化 外界气温 月最低 月最高因此碾压混凝土重力坝按最不利工况、月分析坝体稳定温度场.非溢流坝根据水库上下游正常水位及、月的水温分布、平均气温等资料对非溢流坝、月的稳定温度场进行分析得出稳定温度场的分布规律分别见图、从图、可看出强约束区中心部位的稳定温度为.弱约束区中心部位的稳定温度均为.非约束区中心部位的稳定温度均为.月外界气温最低多年平均温度为.坝体表面温度在水位以上与外界气温基本相同在水位以下随 月水温变化 从图 可看出稳定温度场计算结果符合一般规律 月外界气温最高多年平均温度为.坝体表面温度在水位以上与外界气温基本相同在水位以下随 月水温变化从图 可看出稳定温度场计算结果符合一般规律图 非溢流坝 月稳定温度场()图 非溢流坝 月稳定温度场()人民珠江 年增刊.溢流坝根据水库上下游正常水位及、月的水温分布、平均气温等资料对溢流坝、月的稳定温度场进行计算计算结果分别见图、图 溢流坝 月稳定温度场()图 溢流坝 月稳定温度场()从图、可看出:强约束区中心部位的稳定温度为.弱约束区中心部位的稳定温度均为.非约束区中心部位的稳定温度均为.月外界气温最低多年平均温度为.坝体表面温度在水位以上与外界气温基本相同在水位以下随 月水温变化 从图 可看出稳定温度场计算结果符合一般规律 月外界气温最高多年平均温度为.坝体表面温度在水位以上与外界气温基本相同在水位以下随 月水温变化从图 可看出稳定温度场计算结果符合一般规律 结语针对碾压混凝土重力坝的结构和布置特点基于描述水温及温度场变化的控制方程结合数值分析软件对水库水温及碾压混凝土重力坝运行期稳定温度场进行仿真计算 根据计算结果得出水温分布的一般规律及温度场分布的等值线图坝体上下游面在水位以下温度随多年平均水温而变化水位以上温度相当于年平均气温加辐射温升 数值分析结果可为碾压混凝土重力坝运行期的维护管理提供依据 该分析方法对类似工程的温控具有一定的参考价值参考文献:曹智昶张晓飞邵磊等.某碾压混凝土重力坝温度场及应力场仿真研究.电网与清洁能源():.韩芳朱以文蔡元奇.碾压混凝土重力坝温度场实时仿真技术研究.重庆建筑大学学报():.李守义赵基花.碾压混凝土重力坝温度场与温度徐变应力仿真分析.西安理工大学学报():.张怀芝段大琪吴朝月等.亚碧罗水电站碾压混凝土重力坝温度场仿真分析.云南水力发电():.薛元琦张晓飞白继中.碾压混凝土拱坝温度场和应力场仿真计算研究.人民黄河():.朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制.北京:中国电力出版社.():.(责任编辑:向 飞)