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某工程碾压混凝土溢流坝温控仿真计算分析 李世 太 ( 甘肃电投炳灵水电开发有限责任公司 甘肃 永靖 7 3 1 6 0 0 ) 摘 要 结合某工程碾压混凝土溢流坝段的实际情况， 采用浮动网格法对 4个不同方案的温度场和温度 徐变应力场进行 了三维有限元仿真计算分析。 计算中考虑了碾压混凝土的绝热温升、 弹性模量、 除变度以及 自生体积变形等随龄期的变化， 同时考虑了外界气温随时间的变化、 分期蓄水、 层问 间歇等因素的影响。计算成果给出了温度场、 温度徐变应力场的分布及典型点温度和应力随时 间的变化规律， 可为同类工程碾压混凝土溢流坝段的温度控制提供参考。 关键词 溢流坝段； 温度场； 温度徐变应力场； 浮动网格法 中图分类号： T V 6 4 2 ． 2 文献标识 码： B 碾 压混凝土 因大量 掺用粉煤 灰 ，水化 热 温 升速度减慢 ， 昆 凝 土达到最高 温度所需 的 时间较常态 昆 凝 土长 。虽然碾压 混凝土 的绝 热温升低， 但其施 丁速度较快 ， 且施T中层面 间歇时 间短 ， 热鞋散 发少 ， 因此 ， 碾压 混凝 土 坝的温度并 不低 ，同样存在 出现温度裂缝 的 风 ’ 1 本文采用i维有限元浮动 网格 法对 某 工程碾 压混 凝土溢流坝段 温度场和应 力场 进行了仿真计算，其成果为同类T程碾压混 凝土溢流坝段的温控设计和施T方案的确定 提供参 1 计算参数 r 程主要开发任务为发电，水库正常蓄 水位为 E L 1 8 3 ． 0 O re， 总装机容量 为 4 0 0 MW。 溢 流 坝 堰 顶 高 程 为 E L 1 6 6 ．5 0 r n ，设 计 泄 量 为 1 0 4 5 0 m l／ s ，坝体上游面为富浆二级配防渗碾 压混凝 土 ， 中部为二级 配碾压混凝土 ， 底部为 三级配碾压混凝土，溢流面附近采用常态混 凝土。温控仿真计算采J 千 { 的主要参数如下： ( 1 ) 气象资料 坝址处各月平均气温 表 1 ． ． ( 2 ) 混凝土的热力学参数 大坝混凝土的热力学试验参数 见表 2 。 2有限元计算模型 取横缝问的整个坝段为计算模型， 坝轴线 方向为 x 轴方向， 指向右岸为正， 水流方向为 v 轴方向， 指向下游为正，竖直方向为 z 轴方向， 向 上为正。地基范周取沿深度方向以及沿上下游 方向均为 1 0 0 m 。温度场计算时边 条件为： 地 基底面和4个侧面以及坝段横缝而为绝热边 界， 坝休上下游面在水位以上为同一气边界， 按 第三类边界条件处理；水位以下为同一水边 界， 按第一类边界条件处理。应力场计算时边 界条件为： 地基底面为固定支座， 地基在上下 游面按 Y向简支处理 ， 其余为 自巾边界。 溢流坝 段计算模型见陶 1 。溢流坝材料分区见图 2 。 3计算方案 溢 流坝段 的坝基 面高程 为 7 3 ．O m， 堰 顶高 程 为 1 6 6 ． 5 0 m， 坝 高 9 3 ． 5 m， 坝 段 长 度 为 1 9 ．O m， 坝底宽度为 8 2 ． 5 m。溢流坝段碾压混凝 土 自 2 0 1 0年 1月 1日至 2 0 1 0年 6月 4日浇 筑 7 3 ． 0 m高程至 l 1 7 ． 0 m高程 ，浇筑层厚均为 3 ． 0 m； 2 0 1 0年 6月 5日至 2 0 1 0年 6月 7日浇 筑 1 1 7 ． 0 m高程 至 1 1 9 ．O m高程 ，浇筑层厚 2 ． O m 。 溢流坝段 2 0 1 0年7 月 5日开始度汛， 历 时 2 8天。2 0 1 0年 1 1 月 2 5日恢复混凝土浇 筑，至 2 0 1 1 年5月5日 溢流坝浇筑至设计高 程 1 6 6 ． 5 0 m。坝 前 挡水 位 为 ： 2 0 1 0年 1月 1 H 一2 0 1 0年 7月 4日坝前 无水 ；溢 流 坝段 2 0 1 0年 7月 5 日开 始 度 汛 ，坝 前 水 位 为 1 3 0 ．O m高程 ， 度汛完成后 ， 坝前恢 复至无水状 况 ；水 库 自 2 0 1 1年 2月 1 5日开始 蓄水 ， 到 2 0 1 2年 2月 1 5 日蓄 至 正 常 蓄 水 位 高 程 1 8 3 ．0 m。计算方案见表 3 。 4温度场计算成果分析 四个方案坝体不同区域最高温度表见表4 。 从 表 4可以看 出： ( 1 ) 在基础强约束区： 方案 2最高温度较 方案 1 高 } } { 2 ． 4 ~ C，方案 4最高温度较 方案 3 高 2 ． 3 ~ C，主要原因是方案 2 、 4 基础弱约束 表 1 坝址处各月平均气温 单位： ℃ 项同 1 1 月 2 月 3 月 l 4 月 l 5 月 6 月 I 7 月 l 8 月 9 月 1 O 月 1 1 月 l 2 月 平均气温l 2 5 ． 9 2 8 3 2 9 ．7 l 2 9 ． 1 I 2 8 ． 2 2 6 ．9 j 2 5 ． 9 l 2 5 ． 7 2 6 ． 1 2 6 盘 2 7 ． 6 2 6 ． 1 表 2 大坝混凝土的热力学试验参数 配合比 容重 导温系数 导热系数 线膨胀系数 泊松比 比热 绝热温升T与龄期 t 编号 ( k g ／ m ) f I l l l 1 f k J ／ m ‘ h 。 ℃、 ( 1 0 ／ ~ C ) 拟合关系式 R I 2 4 2 8 O ． O O 4 O 3 3 9 ． 5 8 9 ． 5 5 0 ． 1 6 7 0 ． 9 5 4 6 I 2 1 ． 8 5 1／ f 1 ． 7 8 + t 1 RⅡ 2 4 3 3 0 ． 0 0 4 0 8 3 9 ． 5 1 9 ． 9 4 0 ． 1 6 7 0 ．9 7 T = 2 1 ． 6 6 1／ ( 1 ． 9 8 + t ) RⅢ 2 4 5 O 0 ． o o 4 3 1 0 ． 6 6 l 0 ． 1 O ． 1 6 7 0 ．9 7 7 3 T = 2 3 ． 5 8 1／ ( 2 ．0 5 + t ) R Ⅳ 2 4 2 8 0 ． 0 0 4 0 3 3 9 ． 5 8 9 ． 5 5 O ． 1 6 7 0 ．9 6 T = 2 3 ． 2 5 t／ ( 1 ． 7 5 + t ) RV 2 4 3 3 0 ． 0 O 4 O 8 3 9 ． 5 l 9 ． 9 4 0 ． 1 6 7 0 ．9 7 T = 2 3 ． 1 6 I／ ( 1 ． 9 1 + t ) RⅥ 2 4 5 0 0 ． ( ) O 4 3 1 0 ． 6 6 l 0 ． 1 0 ． 1 6 7 0 ． 9 7 7 3 T = 2 5 ． 1 6 t／ ( 2 ． 3 0 + t ) C I 2 4 4 4 0 ． 0 0 4 1 9 4 9 ． 9 0 5 1 0 ． 4 0 O ． 1 6 7 0 ．9 9 1 一2 3 ． 6 9 5 ( t ’ 一 0 ． 4 3 1 ) 一 3 ． 2 4 2 +t I 聃 8 图 1计算模型与坐标系 图2溢流坝段材料分区 区未通水冷却， 基础弱约束区温度较高， 影 响基础强约束区的最高温度；方案 3 最高 温度较方案 1 高出2 ． 5 ~ C ，方案 4最高温 度较方案 2 高出 2 ． 4 q C ，主要原因是方案 3 、 4比方案 1 、 2 在基础强约束区的浇筑温 度高 3 ℃。 ( 2 ) 在基础弱约束区： 方案 2 最高温度 较方案 1 高出5 ．5 ℃， 方案 4 最高温度较方 案 3高 出 6 ． 2 ℃， 主要 原因是方案 2 、 4基础 弱约束区未通水冷却。方案 3 最高温度较 方案 1 高出 1 ． 5 ℃， 方案 4最高温度较方案 2 高出2 ．2 ℃，主要原因是方案 3 、 4比方案 l 、 2 在基础弱约束区的浇筑温度高3 ℃。 ( 3 ) 长间歇面影响区碾压混凝土： 方案 3 、 4比方案 l 、 2 最高温度高出 1 ．6 ℃，主要 原因是方案 3 、 4比方案 1 、 2 在长间歇面影 响区碾压混凝土浇筑温度高 2 ℃。 ( 4 ) 非约束区常态混凝土 ： 方案 1 、 2 最 高 温 度 为 4 9 ． 6 ，方案 3 、 4最 高温 度 为 5 1 ． 1 ℃，最高温度均出现在高程 1 6 3 ．5 m处 凝土浇筑时间为 2 0 1 1 年 4 月 2 7 E 1 ，外界 环境温度较高( 4月平均温度 2 9 ． 1 o C) ， 该区 域常态混凝土的最终绝热温升为 2 3 ．7 ℃。 且发热速度较快 ， 故而温度最高。方案 3 、 4 比方案 1 、 2最高温度高出 1 _ 5 ℃， 主要原因 是方案 3 、 4比方案 1 、 2 在非约束区常态混 凝土浇筑温度高 2 E。 5应力场仿真计算成果分析 四个方案坝体不同区域最大温度应力 见表 5 ， 除长间歇面外其余部位最大温度应 力均出现在运行期。 由表 5可以看出 ： ( 1 ) 在基础强约束区碾压混凝土中， 由 于方案 3 、 4 基础强约束区碾压混凝土浇筑 温度较高( 2 8 ． O ℃) ， 最大温度应力均超过 R Ⅲ 碾压混凝土的允许抗裂应力( 3 6 0 天龄期的 允许抗裂应力为 1 ． 3 5 M P a ) ，不满足混凝土 重力坝设计规范要求，方案 1 、 2 最大温度 的溢流面常态混凝土中部。该部位常态混 表 3 计算方案 方案 部位 浇筑开始 浇筑温 是否 水管间距 通水历 通水温度 序号 时间 度( ℃) 通水 时( d ) 基础强约束区( 7 3 ．0～ 9 6 ．0 ) 2 0 1 O ．O 1 ．O l 2 5 ． O 、 ／ 1 ． 5 1 ． 5 2 0 河水温度 方案 1 基础弱约束区( 9 6 ．0～ 1 1 1 ．0 ) 2 0 1 0 ． O 3 ． 1 5 2 5 ． O 、 ／ 1 ． 5 1 ． 5 2 0 河水温度 非约束区( 1 1 1 ．0 ～1 6 6 ． 5 ) 2 0 1 0 ． 0 5 ．0 5 2 8 ． 0 基础强约束区( 7 3 ．0 ～ 9 6 ． 0 ) 2 O l O ． O 1 ． O 1 2 5 ． 0 、 ／ 1 ． 5 1 ． 5 2 0 河水温度 方案 2 基础弱约束区( 9 6 ．0 ～1 1 1 ．0 ) 2 0 1 0 ． O 3 ． 1 5 2 5 ．0 非约束区( 1 1 1 ．0—1 6 6 ． 5 ) 2 0 1 0 ． 0 5 ． O 5 2 8 ． O 基础强约束区( 7 3 ．0 — 9 6 ．0 ) 2 0 1 0 ． O 1 ． 0 1 2 8 ．0 、 ／ 1 ．5 1 ．5 2 0 河水温度 方案 3 基础弱约束区( 9 6 ．0 ～1 1 1 ．0 ) 2 0 1 0 ． 0 3 ． 1 5 2 8 ． O 、 ／ 1 ．5 1 ． 5 2 0 河水温度 非约束 区( 1 1 1 ．0～1 6 6 ． 5 ) 2 0 1 0 ． O 5 ． 0 5 3 0 ．O 基础强约束区( 7 3 ．0 — 9 6 ．0 ) 2 0 1 0 ． O 1 ． O 1 2 8 ．0 、 ／ 1 ．5 1 ．5 2 0 河水温度 方案 4 基础弱约束区( 9 6 ．0 ～1 1 1 ． 0 ) 2 0 1 0 ． 0 3 ． 1 5 2 8 ．O 非约束区( 1 1 1 ．0～1 6 6 ．5 ) 2 0 1 0 ． O 5 ． 0 5 3 0 ．0 表 4 各方案不同区域最高温度 单位： ℃ ＼区域 基础强约 束区碾 压 基础弱约束区碾压 长间 歇面 影响区 碾 非约束区 常态混凝 ＼ 混 凝 土 ( 高 程 混 凝 土 (高 程 压 混 凝 土 ( 高 程 土 (高 程1 6 1 m 一 计 算 方 亲 ＼ 7 3 m 一 9 6 m 1 9 6 m ～ 1 1 1 m 1 1 1 l m ～ l 3 1 m 1 1 6 6 ．5 Ⅱ 方 案 1 3 9 ． 8 4 2 ． 2 4 7 ． 6 4 9 ． 6 方 案 2 4 2 ．2 4 7 ． 7 4 7 ．6 4 9 ． 6 方 案 3 4 2 3 4 3 ． 7 4 9 ． 2 5 1 ． 1 方 案 4 4 4 ． 6 4 9 ． 9 4 9 ． 2 5 1 ． 1 表 5 各方案最大温度应力 单位： MP a ＼ 区域 基础强约束区碾压 基础弱约束区碾压 长间歇面影响区碾 非约束区常态混凝 混凝土( 高程 7 3 m～ 混凝土 ( 高程 9 6 m～ 压混凝土( 高程 土( 高程 1 6 1 m一 9 6 m) 1 1 l m 1 l l l m～1 3 1 m1 1 6 6 ． 5Ⅱ n 方案＼ O " x o ” o z o x o z O" x 方案 1 0 ． 3 2 ． 1 ．2 6 O ． 6 1 0 ． 4 0 O ． 6 8 0 ． 3 8 0 ． 6 O 1 ．2 6 1 ． O l 0 ．5 6 0 ． 4 0 O ． 9 2 方案 2 0 _ 3 2 1 -2 6 O ． 8 O 0 _4 2 1 - 3 1 O ．8 7 0 ． 6 o 1 ． 3 l 0 ． 9 4 O ． 5 5 0 ．3 8 0 ．9 1 方案 3 0 ．4 4 1 ． 4 1 O ． 5 O 0 ． 4 2 0 ． 7 4 0 ． 4 9 0 ． 7 O 1 ．4 1 1 ． O 2 0 ．6 1 0 ． 4 1 O ． 9 8 方案 4 O ．4 4 1 ． 4 2 O ．6 6 0 ． 4 6 1 - 3 8 0 ． 9 7 0 ． 7 0 1 ． 4 4 O ． 9 6 O ．6 l 0 4 0 0 ． 9 9 应力均小于该部位碾压混凝土的允许抗裂 应力 。 ( 2 ) 在基础弱约束区碾压混凝土中， 由 于方案 2 , 4基础弱约束区碾压混凝土浇筑 时未通水冷却，最大温度应力均超过 RⅡ 碾压混凝土的允许抗裂应力( 3 6 0 天龄期的 允许抗裂应力为 1 ． 2 7 N P a ) ，不满足混凝土 重力坝设计规范要求，方案 l 、 3 最大温度 应力均小于该部位碾压混凝土的允许抗裂 应力。 ( 3 ) 非约束区碾压混凝土中， 各方案的 最大温度应力均小于该区域 R I 碾压混凝 土的允许抗裂应力( 3 6 0天龄期的允许抗裂 应力 为 1 ． 2 0 MP a ) 。 ( 4 ) 非约束区常态混凝土中， 各方案的 最大温度应力均小于该区域 c I 常态混凝 土的允许抗裂应力( 3 6 0 天龄期的允许抗裂 应力为 1 ． 8 0 MP a ) 。 ( 5 ) 坝段在 1 1 9 m高程度汛停止 昆 凝 土施工 ， 造成长间歇面 。 长间歇 面附近温度 应力较大，尤其是长间歇面度汛冷击产生 很大拉应力 ， 各方案度汛时最大温度应力 达到 1 ． 2 6 MP a～1 ．4 4 lP a 。 6结语 ( 1 ) 溢 流坝段方 案 1 基础 约束 区混凝 土浇筑温度为 2 5 ． O ，非约束区混凝土浇 筑温度为 2 8 ． O ~ C 。混凝土浇筑后通河水冷 却 ，通水时间为 2 O天。冷却水管间距为 1 ． 5 m1 ． 5 m， 通水流量为 1 ．O m 3 ／ h ， 冷却水管 长度为 2 5 0 m 。经计算分析 ， 溢流坝段采用 上述浇筑温度和温控措施 ，各部位温度应 力均在允许抗裂应力范围内，满足混凝土 重力坝设计规范要求，而其余各方案均不 满足混凝土重力坝设计规范要求，故溢流 坝段方案 l 为推荐方案。 ( 2 ) 非约束区碾压混凝土和常态混凝 土中，各方案的最大温度应力均小于该区 域混凝土的允许抗裂应力 ，为节省工程投 资，非约束区碾压混凝土和常态混凝土的 浇筑温度可采用 3 0 c C 。陕西水利 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 】 张国新 ．碾压混凝 土坝的温度控 制Ⅱ 】 ． 水利 水电技 术． 2 0 0 7 ． 3 8 ( 6 ) ： 4 1 ～4 6 ． f 3 J 李守义， 张金凯， 张晓飞．碾压混凝土坝 温度应力仿真计算研究[ M] ．北京： 中国 水利 水电 出版社 ． 2 0 1 0 ． 张晓飞， 李守义， 陈尧隆．碾压混凝土拱 坝 温度场计 算的浮动 网格 法Ⅱ 1 l土木 工程 学报， 2 0 0 6 ． 2 ： 1 2 6 ～1 2 9 ． ． ( 责任编辑 ： 黄灵芝 ) o ( 3 0 o