大藤峽碾壓混凝土圍堰溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算

吳三線

摘 要：隨著水利工程規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，混凝土大壩體積也越來(lái)越大，隨著混凝土體積的增大，很多混凝土大壩出現(xiàn)了不同程度的裂縫。為防止裂縫產(chǎn)生，根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁厍闆r，需采取溫控措施。溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力仿真計(jì)算可以根據(jù)溫控要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過(guò)計(jì)算對(duì)比確定經(jīng)濟(jì)合理的溫控措施。廣西大藤峽水利樞紐工程是國(guó)家水利部172項(xiàng)水利工程的龍頭，為紅水河梯級(jí)規(guī)劃中最末一個(gè)梯級(jí)。地處熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，混凝土溫控控制是施工過(guò)程中的重難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土 溫控場(chǎng) 溫度應(yīng)力 仿真計(jì)算 通水冷卻

1.情況說(shuō)明

大藤峽縱向碾壓混凝土圍堰全長(zhǎng)約784m由分三部分。

中間部分縱向混凝土圍堰結(jié)合永久閘壩段，壩段長(zhǎng)67m，壩頂高程64.00m，寬31.50m。

根據(jù)技術(shù)要求碾壓混凝土需鋪設(shè)冷卻水管。若采用常規(guī)工藝進(jìn)行冷水通水存在以下缺點(diǎn)：①固定的通水溫度對(duì)混凝土內(nèi)部溫控變化適應(yīng)性差；②河水水溫受天氣、氣候影響較大，穩(wěn)定性差；③穩(wěn)定溫度的制冷水經(jīng)濟(jì)適用性差，投入較大。

通過(guò)溫控場(chǎng)和溫度應(yīng)力仿真計(jì)算對(duì)各種工況方案的計(jì)算，可以確定當(dāng)下時(shí)間段冷卻通水具體溫度及各種冷卻水通水時(shí)間。

2.溫控場(chǎng)與溫度應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算原理

（1）穩(wěn)定溫度場(chǎng)計(jì)算原理

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，穩(wěn)定溫度場(chǎng)T（x，y，z）在區(qū)域R內(nèi)滿足拉普拉斯方程。

穩(wěn)定溫度場(chǎng)的方程：

（2）非穩(wěn)定溫度場(chǎng)計(jì)算原理

由熱量平衡原理，溫度升高所吸收的熱量必須等于從外面流入的凈熱量與內(nèi)部水化熱之和。一般三維問題，瞬態(tài)溫度場(chǎng)變量T（x，y，z）在直角坐標(biāo)系求解域Ω中滿足固體熱傳導(dǎo)基本方程

（3）水管冷卻問題計(jì)算基本原理

采用冷卻水管進(jìn)行早期通水冷卻是降低混凝土最高溫升、減小溫度應(yīng)力的一項(xiàng)有效措施。本文采用等效法計(jì)算，把冷卻水管看成內(nèi)部熱源，建立大體積混凝土的等效熱傳導(dǎo)方程，在平均意義上考慮水管的冷卻效果。

（4）溫度徐變應(yīng)力計(jì)算基本原理

總應(yīng)變等于相應(yīng)應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變與變溫引起的應(yīng)變值之和。理想彈性體在單向受力條件下，應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)胖g服從虎克定律，當(dāng)應(yīng)力保持不變時(shí)，應(yīng)變也保持不變。但實(shí)驗(yàn)資料表明，當(dāng)應(yīng)力保持常量時(shí)，混凝土的應(yīng)變將隨著時(shí)間而有所增加。實(shí)際上，在單向受力條件下，混凝土在時(shí)間τ的總應(yīng)變?chǔ)牛é樱┛杀硎緸?img src="https://cimg.fx361.com/images/2018/03/26/qkimageszjsyzjsy201804zjsy20180435-3-l.jpg"/>

式中：εe（τ）為應(yīng)力引起的彈性應(yīng)變；εc（τ）為混凝土的徐變應(yīng)變；εT（τ）為溫度變化引起的應(yīng)變；εS（τ）為混凝土的干縮應(yīng)變，一般認(rèn)為，它是混凝土中水分損失所引起的變形；εδ（τ）為混凝土的自生體積變形。

3.溫度場(chǎng)與溫度應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算模型

取縱向圍堰壩體段45m長(zhǎng)的部分為溫度場(chǎng)與溫度應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算研究對(duì)象。建基面最低高程9.0，頂部高程64.0m，頂部寬度30.0m，最大壩高55.0m。

溫度場(chǎng)與溫度應(yīng)力仿真計(jì)算采用三維有限元法，地基所取范圍為沿縱向圍堰壩段的上下游及深度方向均延伸1.5倍壩高（見圖1）。

4.溫度場(chǎng)與溫度應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算

4.1計(jì)算方案見表1，表2。

4.2邊界條件

根據(jù)縱向圍堰壩段施工進(jìn)度、度汛及水庫(kù)蓄水等資料，確定縱向圍堰壩段溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)邊界條件為：

① 6月1日前，已澆筑壩段左、右側(cè)為氣邊界，上、下游側(cè)為絕熱邊界；

② 6月1日至7月30日：右側(cè)過(guò)水，水位高程為28.0m；左側(cè)為氣邊界；上、下游側(cè)為絕熱邊界；

③ 基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)基礎(chǔ)允許溫差13.5℃，基礎(chǔ)弱約束區(qū)基礎(chǔ)允許溫差15.5℃。

4.3準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)計(jì)算分析

縱向圍堰壩段準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)分布規(guī)律如圖4和圖5所示。從圖可以看出，縱向圍堰壩段內(nèi)部穩(wěn)定溫度為21.0℃左右。

1月份外界氣溫最低，月平均溫度為12.4℃，縱向圍堰壩段1月份準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果符合一般規(guī)律。

7月份外界氣溫最高，月平均溫度為28.7℃，縱向圍堰壩段7月份準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果符合一般規(guī)律。

4.4非穩(wěn)定溫控場(chǎng)計(jì)算分析

由于非穩(wěn)定溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化，根據(jù)施工需要，選取2個(gè)典型剖面，分析。

從縱向圍堰壩段施工期和運(yùn)行期溫度場(chǎng)計(jì)算成果可以看出：

① 施工期高溫季節(jié)澆筑的部位溫度較高，低溫季節(jié)澆筑的部位溫度相對(duì)較低。

② 縱向圍堰壩段方案0混凝土澆筑時(shí)未采取任何溫控措施，因此強(qiáng)弱約束區(qū)溫度均較高。不采取溫控措施時(shí)，強(qiáng)弱約束區(qū)最高溫度均超過(guò)了容許最高溫度，因此縱向圍堰壩段必須采取溫控措施。

③ 方案1～5在基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)（15.0～24.0m）的最高溫度分別為34.0℃、34.4℃、34.9℃、34.4℃和34.5℃。基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)允許最高溫度為34.5.0℃左右。

④ 方案1～5在基礎(chǔ)弱約束區(qū)（24.0～33.0m）的最高溫度均未超過(guò)34.0℃?；A(chǔ)弱約束區(qū)允許最高溫度為36.5℃左右。

⑤ 縱向圍堰壩段各方案非約束區(qū)混凝土最高溫度均較高?？v向圍堰壩段方案1～3非約束區(qū)采取水管冷卻后，混凝土最高溫度降低了（4.2～5.1）℃，冷卻效果明顯。

⑥ 縱向圍堰壩段不同區(qū)域最高溫度、穩(wěn)定溫度、容許最大溫差、容許最高溫度見表3。

⑦ 應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算分析

溫度應(yīng)力是溫度變化引起的應(yīng)力，主要包括溫差、徐變和自生體積變形產(chǎn)生的應(yīng)力。

a.在強(qiáng)約束區(qū)（15.0～24.0）m混凝土中，σx、σy最大值分別為1.4 MPa和1.3 MPa。

b.在弱約束區(qū)（24.0～33.0）m混凝土中，三個(gè)方向應(yīng)力最大值不超過(guò)0.7 MPa。

c.在非約束區(qū)（33.0～64）m混凝土中，σx、σy、σz最大值分別為2.4 MPa、1.4 MPa和1.0 MPa。

5.結(jié)論

通過(guò)對(duì)大藤峽水利樞紐工程縱向圍堰壩段溫控仿真計(jì)算研究，得出以下結(jié)論：縱向圍堰壩段方案1、2、4、5強(qiáng)弱約束區(qū)混凝土最高溫度均滿足碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范要求。結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，推薦方案4為縱向圍堰壩段實(shí)施方案。即：在強(qiáng)弱約束區(qū)，混凝土采用冷卻水管冷卻，水管間距1.5×1.0m，通水水溫為：10℃（3d）+14℃（7d）+河水（20d），通水總時(shí)間為30d，通水流量1.5m3/h；

在非約束區(qū)，混凝土采用水管冷卻，水管間距1.5×1.5m，通河水30d，通水流量1.5m3/h。

6.結(jié)束語(yǔ)

大藤峽碾壓混凝土圍堰至今澆筑完成并運(yùn)行已經(jīng)20個(gè)月時(shí)間，經(jīng)歷了多次超標(biāo)洪水，運(yùn)行狀況良好，也未發(fā)生任何一處滲水和裂縫問題，水利部相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和國(guó)內(nèi)多個(gè)知名專家給予了高度評(píng)價(jià)。

通過(guò)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力仿真計(jì)算并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)比給出了經(jīng)濟(jì)合理的溫控措施，對(duì)大藤峽縱向碾壓混凝土圍堰的施工指明了方向，具有重大指導(dǎo)意義，同時(shí)該研究對(duì)各類工程大體型混凝土施工有很大借鑒參考意義。

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