(華電西藏能源有限公司，拉薩，856200)

1 工程氣象條件

某水電站位于高原氣候區(qū)，氣溫低、空氣稀薄、大氣干燥、太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈。多年平均氣溫9.3℃，極端最高、最低氣溫分別為32.5℃和-16.6℃，該區(qū)域晝夜溫差較大，最大月平均日溫差高達(dá)16.9℃，年平均日溫差為13.5℃。多年平均降水量540.5mm，歷年一日最大降水量51.3mm；多年平均相對(duì)濕度51%，歷年最小相對(duì)濕度為0；多年平均風(fēng)速為1.6m/s，多年最大風(fēng)速為19m/s，相應(yīng)風(fēng)向SE；多年平均蒸發(fā)量為2075.2mm。

2 穩(wěn)定溫度場(chǎng)的計(jì)算

在混凝土壩仿真分析中，溫度是基本作用荷載。壩體溫度變化是一個(gè)熱傳遞問(wèn)題。仿真應(yīng)力計(jì)算中考慮混凝土溫度、徐變、水壓、自重、自生體積變形和干縮變形等的作用。

采用數(shù)值分析方法進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)水庫(kù)水文和當(dāng)?shù)貧鉁氐冗吔鐥l件可以得到各典型壩段的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)。典型壩段9#溢流壩段和5#擋水壩段穩(wěn)定溫度場(chǎng)等值線(xiàn)圖見(jiàn)圖1和圖2。9#壩段強(qiáng)約束區(qū)準(zhǔn)穩(wěn)定溫度在9℃～10℃之間；5#壩段強(qiáng)約束區(qū)的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度在8℃～10℃之間。各典型壩段壩體中心穩(wěn)定溫度大約在8℃～11℃左右，選取10℃作為基礎(chǔ)區(qū)混凝土的平均穩(wěn)定溫度，作為溫差計(jì)算的起點(diǎn)。

圖1 9#壩段中剖面穩(wěn)定溫度場(chǎng)

圖2 5#壩段中剖面穩(wěn)定溫度場(chǎng)

3 不同摻合料下溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)仿真分析

3.1 計(jì)算模型

9#溢流壩段整體計(jì)算模型見(jiàn)圖3。整體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量在21萬(wàn)個(gè)左右，特征點(diǎn)位置如圖4所示。強(qiáng)約束區(qū)墊層混凝土中特征點(diǎn)1距離基礎(chǔ)1m；強(qiáng)約束區(qū)碾壓混凝土中的特征點(diǎn)2和特征點(diǎn)3分別距離基礎(chǔ)2m和3m。

(a)壩體單元 (b)整體單元

(沿高程方向從下往上依次為1～4號(hào)點(diǎn))

5#岸坡壩段整體計(jì)算模型見(jiàn)圖5。整體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量在25萬(wàn)個(gè)左右，特征斷面位置如圖6所示。特征點(diǎn)位置如圖7所示。強(qiáng)約束區(qū)墊層混凝土中特征點(diǎn)1距離基礎(chǔ)1m；強(qiáng)約束區(qū)碾壓混凝土中的特征點(diǎn)2和特征點(diǎn)3分別距離基礎(chǔ)2m和3m。

(a)計(jì)算網(wǎng)格(不含地基) (b)計(jì)算網(wǎng)格(含地基)

圖6 5#壩段特征斷面

圖7 5#壩段特征點(diǎn)位置

3.2 計(jì)算工況

3.2.1 單摻粉煤灰情況

高溫季節(jié)啟澆(6月份啟澆)，混凝土澆筑溫度設(shè)定為月均氣溫+3℃，但不低于6℃，強(qiáng)約束不高于12℃、弱約束區(qū)不高于14℃、自由區(qū)不高于16℃。強(qiáng)約束區(qū)澆筑層厚度為1.5m，弱約束區(qū)和自由區(qū)澆筑層厚度為3m，澆筑間歇期為10d。考慮2℃太陽(yáng)輻射熱。強(qiáng)約束區(qū)水管間距1.5m×1.5m，墊層水管布置為1.0m×1.5m(斜坡上的墊層水管仍按1.5m×1.5m布置)，弱約束區(qū)和自由區(qū)水管間距2.0m×1.5m(水平×垂直)?；炷料铝蠞仓纯砷_(kāi)始一期通水冷卻，冷卻時(shí)間20d，水溫12℃(流量1.5m3/h)。每24h改變一次通水方向。一期通水冷卻后即開(kāi)始中期通水冷卻，中期進(jìn)口水溫為13℃，通水流量為0.6m3/h，通水時(shí)間40d。上下游表面混凝土采取表面保溫措施，鋪設(shè)5cm厚的聚苯乙烯板，倉(cāng)面采用保溫措施，表面放熱系數(shù)的取值為β=250kJ/m2·d·℃(4cm潮濕保溫被)。

3.2.2 復(fù)摻粉煤灰和石(凝灰?guī)r)粉情況

與單摻粉煤灰情況相同。

3.2.3 單摻石(凝灰?guī)r)粉情況

墊層水管間距為1m×1m，碾壓混凝土強(qiáng)約束區(qū)水管間距1m×1.5m，降低進(jìn)口水溫到8℃。其它溫控措施與單摻粉煤灰方案的相同。

3.3 計(jì)算結(jié)果

不同摻合料下溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)仿真分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

典型溫度和應(yīng)力過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖8～圖13。

表1 9#溢流壩段各特征點(diǎn)溫度和順河向應(yīng)力峰值

特征點(diǎn)單摻粉煤灰復(fù)摻粉煤灰和凝灰?guī)r粉單摻凝灰?guī)r粉最高溫度(℃)最大應(yīng)力(MPa)最小安全系數(shù)最高溫度(℃)最大應(yīng)力(MPa)最小安全系數(shù)最高溫度(℃)最大應(yīng)力(MPa)最小安全系數(shù)T124.321.012.4824.421.222.324.940.843.1T221.110.912.7521.61.182.421.250.912.86T320.550.922.7220.661.152.4320.850.92.89T425.920.982.55//////

表2 5#岸坡壩段各特征點(diǎn)溫度和順河向應(yīng)力峰值

特征點(diǎn)單摻粉煤灰復(fù)摻粉煤灰和凝灰?guī)r粉單摻凝灰?guī)r粉最高溫度(℃)最大應(yīng)力(MPa)最小安全系數(shù)最高溫度(℃)最大應(yīng)力(MPa)最小安全系數(shù)最高溫度(℃)最大應(yīng)力(MPa)最小安全系數(shù)T124.261.311.9124.381.581.7724.881.351.93T221.071.182.1221.521.531.8321.231.341.94T320.541.152.1720.661.431.9620.841.282.03T4//////21.290.543.96T5//////20.870.533.81T6//////18.980.54.6

注：T1～T3為岸坡壩段強(qiáng)約束區(qū)特征點(diǎn)，T4～T6弱約束區(qū)特征點(diǎn)。

(a)溫度過(guò)程線(xiàn) (b)應(yīng)力過(guò)程線(xiàn)

(a)溫度過(guò)程線(xiàn) (b)應(yīng)力過(guò)程線(xiàn)

(a)溫度過(guò)程線(xiàn) (b)應(yīng)力過(guò)程線(xiàn)

(a)溫度過(guò)程線(xiàn) (b)應(yīng)力過(guò)程線(xiàn)

(a)溫度過(guò)程線(xiàn) (b)應(yīng)力過(guò)程線(xiàn)

(a)溫度過(guò)程線(xiàn) (b)應(yīng)力過(guò)程線(xiàn)

3.4 結(jié)果分析

3.4.1 單摻粉煤灰情況

在推薦溫控設(shè)計(jì)方案條件下：

(1)9#壩體強(qiáng)約束區(qū)常態(tài)混凝土和碾壓混凝土最高溫度分別為24.32℃和21.11℃，小于允許最高溫度25℃和22℃，滿(mǎn)足規(guī)范要求。應(yīng)力方面，各特征點(diǎn)的最小安全系數(shù)均達(dá)到2.48以上，大于規(guī)范允許的1.65，滿(mǎn)足規(guī)范要求；

(2)5#壩段強(qiáng)約束區(qū)常態(tài)混凝土和碾壓混凝土的最高溫度分別為24.26℃和21.07℃，小于允許最高溫度25℃和22℃，滿(mǎn)足規(guī)范要求。應(yīng)力方面，各特征點(diǎn)的最小安全系數(shù)均達(dá)到1.91以上，大于規(guī)范允許的1.65，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.4.2 復(fù)摻粉煤灰和凝灰?guī)r粉情況

在推薦溫控設(shè)計(jì)方案條件下：

(1)9#溢流壩段壩體強(qiáng)約束區(qū)常態(tài)混凝土和碾壓混凝土最高溫度分別為24.42℃和21.60℃，滿(mǎn)足規(guī)范要求。應(yīng)力方面，各特征點(diǎn)的最小安全系數(shù)均達(dá)到2.30以上，大于規(guī)范允許的1.65，滿(mǎn)足規(guī)范要求；

(2)5#岸坡壩段壩體強(qiáng)約束區(qū)常態(tài)混凝土和碾壓混凝土最高溫度分別為24.38℃和21.52℃，滿(mǎn)足規(guī)范要求。應(yīng)力方面，各特征點(diǎn)的最小安全系數(shù)均達(dá)到1.77以上，大于規(guī)范允許的1.65，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.4.3 單摻凝灰?guī)r粉情況

在推薦溫控設(shè)計(jì)方案條件下：

(1)9#溢流壩段壩體強(qiáng)約束區(qū)常態(tài)混凝土和碾壓混凝土最高溫度分別為24.94℃和21.25℃，均低于容許最高溫度，滿(mǎn)足規(guī)范要求。應(yīng)力方面，強(qiáng)約束區(qū)常態(tài)混凝土和碾壓混凝土溫度應(yīng)力的最小安全系數(shù)分別為3.10和2.86，超過(guò)規(guī)范允許的1.65，滿(mǎn)足規(guī)范要求；

(2)5#岸坡壩段壩體常態(tài)混凝土和碾壓混凝土最高溫度分別為24.88℃和21.23℃，均小于容許最高溫度，滿(mǎn)足規(guī)范要求。應(yīng)力方面，強(qiáng)約束區(qū)常態(tài)混凝土和碾壓混凝土溫度應(yīng)力的最小安全系數(shù)分別為1.93和1.94，大于規(guī)范允許的1.65，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.4.4 三種不同摻和料情況

三種不同摻合料情況下，不同壩段強(qiáng)約束區(qū)碾壓混凝土內(nèi)特征點(diǎn)的溫度過(guò)程線(xiàn)及應(yīng)力過(guò)程線(xiàn)基本一致。

4 結(jié)論

(1)三種不同摻合料情況下，夏季澆筑層內(nèi)埋設(shè)冷卻水管，明顯降低混凝土最高溫升；

(2)同樣的溫控措施下，單摻粉煤灰情況與復(fù)摻凝灰?guī)r和粉煤灰情況的溫度應(yīng)力峰值差異較小，但復(fù)摻凝灰?guī)r和粉煤灰情況基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)最高溫度高于單摻粉煤灰情況，復(fù)摻凝灰?guī)r和粉煤灰情況基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)溫度應(yīng)力最小安全系數(shù)較小，兩情況的基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)最高溫度和溫度應(yīng)力最小安全系數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范要求；

(3)在采取適當(dāng)溫控措施的條件下，采用單摻凝灰?guī)r粉情況時(shí)，大壩基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)常態(tài)墊層混凝土和碾壓混凝土最高溫度均可低于允許最高溫度，混凝土溫度應(yīng)力最小安全系數(shù)也可大于1.65。但此時(shí)，單摻凝灰?guī)r粉情況的強(qiáng)約束區(qū)水管間距僅1m×1.5m，且高溫季節(jié)通水冷卻進(jìn)口水溫為8℃，溫控措施已接近現(xiàn)有技術(shù)水平極限。因此，盡管該情況溫度應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求，但從溫控措施可行性方面不建議采用單摻凝灰?guī)r粉方案。