混凝土重力坝施工期温控仿真分析.pdf

孔骏等 ： 混凝 土重力坝施工期温控仿真分析 4 5 D OI ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 5 0 2 0 1 9 混凝土重力坝施工期温控仿 真分析 孑 L 骏 ， 闫雪 ， 丁海玲 ( 河 海大学力学与材料学院 。 南京21 0 0 9 8) 【 摘要】 温度荷载是重力坝施工期的主要荷载之一， 温度变化对重力坝应力状态的影响十分明显。为防 止裂缝， 控制混凝土温差是关键。文中采用有限元软件 A B A Q U S对该坝体施工期的温度场和应力场进行仿真分 析。通过对 3种通水冷却措施方案的仿真计算研究和对比， 得到了该工程的温控保护最优方案。如何模拟大坝的 实际浇筑过程 ， 通过仿真计算研究施工期大坝的温度场， 采取合适的温控措施， 对坝体的施工和安全监测有着重 要的意义。 【 关键词】 温控； 重力坝； 水管冷却 ； 仿真分析 【 中图分类号】 T U 7 5 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 0 4 5 0 3 温度荷载是重 力坝施 工期 的主要荷 载之 一 ， 温 度 变化对重力坝应力状态的影响十分明显。为防止裂 缝 ， 控制混凝土温差是关键。如何模拟大坝的实际浇 筑过程， 通过仿真计算研究施工期大坝的温度场和应 力场 ， 采取 合适 的温控 措施 对坝 体 的施工 和安 全 监 测有着重 要 的意 义。文 中通 过 有 限元 软 件 A B A Q U S 结合工程实际对东北地区某混凝土重力坝施工期的 温度场进行仿真计算， 通过模拟不同通水冷却方案对 坝体温度场进行仿真分析， 给出该坝体施工期的温控 措施 建议 。 1 大体 积混凝土温度场计算原理 由于水泥水化热的作用 ， 混凝土坝在浇筑过程 中 坝体内部温度随着时间不断变化 ， 属于典型的具有 内 部热源的热传导 问题 ， 即非稳定 温度场 问题 。根据 热 传导理 论 ， 特定 区域 R内的三维非稳定温度场 r ( x ， Y ， z ， 7 - ) 应 满 足 以下 控 制 方程 ( 1 )及初 始 边 值 条 件 ( 2 ) ： ， 、 ， 、 ( + + )+一O r ( 1 ) 初始条件和边界条件为： f=0 F =F1 + ( T a ) =； F=F 2 ( 2 ) 在边界 厂。 上满足第一类边界条件 ， 在边界 上 满足第 三类边界条件 。 2 计算模型和施工条件 文中采用三维有限元法进行仿真分析， 选取混凝 土重力 坝挡 水单 坝 段 作为研 究 对象 。模 型 由地基 和 坝体两部分组成。分析 中采用六面体八节点单元 ， 单 元总数 9 9 3 6个 ， 节点总数 1 2 0 2 4个。坝体按 1 0层浇 筑， 每层浇筑块划分 3层网格， 如图 1 所示。 图1 典型坝段带地基图 温度场计算 中， 边界条件为坝体两侧按绝热处 理， 上下游面与空气接触 ， 为第三类边界条件； 地基表 面裸露部分与空气接触， 其余各面按绝热处理。应力 场计算边界条件为： 地基按地面完全 固定处理， 地基 上下游 面设置 方 向约束 ， 左右两侧 面设 置 z方 向约 束 ， 其余为自由边界。 本模型坝体部分高 3 8 7 m， 长 3 4 m， 宽 1 6 m。坝体 浇筑 总时间为 1 0 0 d 。此 重力坝采用整 层浇筑 ， 每层厚 3 m或 4 5 m， 混凝 土浇 筑 温度 为 1 0 ， 一期 冷却 1 5 d ， 冷却水温 1 O 。 3温度场结果分析 计算方案如表 1 所示 ， 典型节点位置见表 2 。 表 1 温度场方案 3 1 方案 1 计算条件： 坝体上下游与空气接触， 两侧面绝热， 地基表面未覆盖部分与空气接触。 缈 + 型 孔 骏等 ： 混凝土重力坝施工期温控仿真分析 4 7 调整为 1 5 d后 ， 混凝 土高温 区域 随 浇筑层 的上 升 而上 升 ， 受水管冷却的作用 ， 高温部分温度迅速降低， 最终 温度达到 2 1 ， 满足要求； 靠近坝基部位的混凝土温 度较低 ， 因其受地基温度影响， 同时靠近坝体下游表 面的混凝土温度随外界气温而波动， 当混凝土内部温 度高于外界气温时， 与空气传热 ， 降低 温度 ， 反之， 发 生气温倒灌 ， 混凝土温度随之升高。 图8 顺水流剖面温度 云图 ( 6 月2 日) 图9 顺水流剖面温度 云图 ( 7 月2 7日) 选取不同位置点， 观察其温度历时变化情况。 3 0 2 0 赠l 0 0 ， f 一 = ： 一 f f 时间， d 一 上表面点1 5 0 2 一中间点4 9 4 0 一下表面点l 1 5 9 图】 0 不同高程节点的温度历 时曲线 从图 l 0可以看出： 混凝土在浇筑初期， 水化热 作用远大于水管冷却作用， 故温度迅速升高， 之后水 管冷却降温幅度大于水化热升温幅度， 混凝土温度开 始下降； 节点 1 1 5 9温度曲线在第 4 0 d出现拐点， 由 于受新浇混凝土影响， 温度升高， 同时受到水管冷却 的作 用 ， 最 终 稳 定 在 1 8 ； 节 点 1 5 0 2温 度 曲线 在 第 5 0 d出现拐点 ， 温度升高 ， 这是 由于该时刻有新混凝土 浇筑 ； 节点 1 1 5 9与节点 1 5 0 2温度变化趋势基本一 致 ， 节点 4 9 4 0受新 浇混凝 土影 响温 升最 为 明显 ， 当上 层混凝 土浇筑后 ， 节 点 4 9 4 0变 为 内部点 ， 温度 基本稳 定在 l 9 左右 。 3 4 结果 比较 ( 1 ) 方案 1与方案 2的结果对 比： 在不考虑水 管冷却 的情况 下， 内部 节点 4 9 4 0的温度 峰值可 达 3 2 5 ， 在 浇筑后 6 d达 到， 浇筑 后第 一天 温 度 为 2 2 3 ， 温 升为 1 0 2 C； 方案 2一期 冷却 1 0 d的 条件 下 ， 节点 4 9 4 0在浇筑后第5 d 达到峰值 2 7 8 C， 浇筑后 第一天温度为 1 8 C， 温升为 9 8 ， 其 中节点 4 9 4 0的 峰值比无水管冷条件下降低 了4 7 ， 第一天温升值 降低了4 3 ， 说明水管冷却有效 的削弱 了水化热峰 值 ， 减小了内外温差， 但削减幅度不大， 一期冷却天数 应适 当延长 。 ( 2 ) 方案 2与方 案 3的结 果对 比： 节点 4 9 4 0的 温度变化趋势基本 一致 ， 方案 2中节点温 度在 浇筑后 第 5 d达 到 峰 值 ， 然 后 受水 管 冷 却作 用 开始 下 降 ， 第 6 0 d时温度降为 2 5 2 C， 第 6 0 d时受新浇混凝土影响 温度上升， 后期温度受气温影响， 缓慢下降， 基本稳定 在 2 l 左 右 ； 方 案 3中 ， 混凝 土 浇筑 后前 1 0 d温度 变 化同方案2 ， 之后继续受水管冷却作用， 故温度继续降 低， 至一期冷却结束 ； 第 6 5 d时温度降为 1 7 7 5 ， 后 期温度缓慢下降， 基本稳定在 1 6 12 ， 比方案 2减小了 5 C， 比方案 2更加有效的降低了混凝土温度 ， 进一步 减小了内外温差。故一期冷却 1 5 d的方案 3更加符合 本工程的实际需要 。 ( 3 ) 根据以上方案数据 的对 比分析可知 ， 水管 冷却能够有效降低混凝土内部水化热温升的峰值 ， 减 缓 温升趋 势 ， 减 小 混凝 土 内外温 差 ， 从 而降低 由内外 温差引起的温度应力 ， 有效降低产生温度裂缝的可 能性。 4结语 ( 1 ) 通过有无水管冷却及不同一期冷却天数 的 方案对比可知： 一期冷却 1 5 d 条件下， 混凝土温升峰值 为2 7 5 C， 一期冷却结束时， 温度降到 1 7 8 ， 比无水 管条件下， 分别降低 了 5 C、 1 3 ； 达到了削峰降温的 要求 。 ( 2 ) 水管冷却能够有效降低混凝土内部水化热 温升的峰值， 减缓温升趋势， 减小混凝土内外温差， 从 而降低 由内外温差 引起 的温度应 力 ， 有效 降低 产 生温 度裂缝的可能性 ， 因此， 在混凝土坝的浇筑过程中， 水 管冷却是必要的温控措施 ， 是减小温度应力 的有效 手段 。 参考文献 1 朱伯芳我 国混凝 土坝 坝型 的回顾 与展 望 J 水 利水 电技 术 ， 2 0 0 8， 3 9( 9 ) ：2 63 0 2 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 3 混凝土重力坝设计规范 M j E 京： 中国水利水电出版社， 2 0 0 5： 1 0 4 黄淑萍， 等锦屏一级水电站大坝混凝土浇筑4 5 m层厚关键 技术研究 R 河海大学， 2 0 1 1 ， ( 8 ) ： 1 2 1 7 5 黄 淑萍 ， 等小 湾 水 电站 整体 稳 定性 及 温控 防裂 研 究报 告 R 河海大学， 2 0 1 0 ： 7 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 2 0 作者简介 孔骏( 1 9 9 0一) ， 男， 江苏扬州人， 硕士研究生 研究方 向： 计算力学 与工程仿真。