碾壓混凝土重力壩通水冷卻溫控效果研究

張 昕， 張曉飛， 劉 茜， 王曉平， 黃 宇

(1.西安理工大學 水利水電學院， 陜西 西安 710048; 2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司， 陜西 西安 710065； 3.廣州水務規劃勘測設計研究院， 廣東 廣州市510640)

1 研究背景

碾壓混凝土壩以其施工速度快、造價低等優點，受到世界各地壩工界的青睞。但連續式大面積澆筑的快速施工工藝會影響混凝土澆筑層面熱量的散發，且由于混凝土極限拉伸值和徐彈比都比較小，因此碾壓混凝土壩抗裂性能較差，易產生溫度裂縫[1]。國內外許多混凝土壩均產生了不同程度的溫度裂縫，溫度裂縫不僅會影響大壩的強度，還會大大降低其完整性、抗震性和耐久性，從而影響大壩安全與使用年限，因此溫度裂縫問題受到廣泛關注[2-4]。目前，大壩在施工期通常采用通水冷卻的方法來控制混凝土溫度，使混凝土溫度保持在設計的容許溫度之下，從而控制大壩質量[5-6]。美國胡佛大壩率先采用了通水冷卻技術，利用冷卻水管對澆筑完成的混凝土進行通水冷卻，由冷卻水的流動將水泥水化產生的熱量帶出壩體，以降低壩體內部溫度，達到減小溫差、控制溫度裂縫的目的[7-9]。該技術[10-11]被壩工建設者沿用至今，廣泛地應用于碾壓混凝土壩的溫控防裂中，對防止裂縫的產生和發展起到了很好的作用[12]，是大體積混凝土最為有效、使用最為廣泛的溫控防裂措施之一。但是通水冷卻措施也存在一些不足，首先大規模的埋設冷卻水管不利于成本控制；其次，埋設水管的施工過程較為復雜且需增設其他輔助施工流程，不利于工期控制；最后，埋設管線一旦出現滲漏等問題，將會嚴重影響大壩結構的使用年限[13-14]。因此從技術水平、工程預算及綠色環保等方面進行綜合考慮，確定合理的通水冷卻方案尤為重要。

本文利用大型有限元軟件ANSYS進行建模，采用三維有限元浮動網格法[15-18]模擬大壩施工進度安排，考慮混凝土彈性模量、水化熱溫升、通水冷卻時間和通水溫度等因素進行溫控仿真研究，分析了冷卻水管溫控冷卻效果，給出了壩體溫度和應力變化規律，提出了合理可行的溫控推薦方案。

2 計算原理

2.1 溫度場計算原理

根據熱傳導理論，在瞬態溫度場T(x,y,z,t)中，壩體混凝土溫度與時間、空間的關系應滿足以下熱傳導方程：

(1)

2.2 溫度應力場計算原理

在應力場計算中，彈性體內各點應變分量表示為：

εx=εy=εz=α·T,γxy=γyz=γzx=0

(2)

式中：α為熱膨脹系數。

在用有限元法求解溫度應力時，考慮溫度、徐變和自生體積變形后的應力場整體平衡方程可寫為：

(3)

由公式(3)求得{Δδn}后帶入公式(4)得到各節點應力增量{Δσn}，再將其各時段累加，即為節點應力。

(4)

3 工程概況

某水利樞紐工程位于贊比亞首都盧薩卡西南90 km的卡富埃河上，主要由左右岸擋水壩、河床溢流表孔、生態放水孔、右岸引水發電系統組成。設計正常蓄水位589.0 m，庫容0.86×108m3，總裝機容量750 MW。碾壓混凝土重力壩壩基面高程452.0 m，壩頂高程591.0 m，最大壩高139.0 m，壩頂長374.5 m。泄洪建筑物由3孔15 m×18 m的表孔組成，溢流堰頂高程571.0 m。

壩址區氣象站氣溫和水溫統計資料見表1。

4 計算模型及材料參數

本次計算選取10#泄洪壩段為研究對象，建立模擬壩體混凝土施工過程的整體計算模型(見圖1)。該壩段長19.5 m，壩段底寬126.73 m，壩基面高程為452.0 m，堰頂高程為571.0 m，建立模型時將坐標原點選取在右側壩踵處，采用有限元分析軟件ANSYS的生死單元技術模擬壩體澆筑上升過程，共劃分單元59 670個，結點68 783個。

該工程所用材料包括三級配碾壓混凝土R1、R2，二級配碾壓混凝土R3，溢流面常態混凝土C3、C5，材料分區見圖2。各分區混凝土材料熱力學參數見表2。

5 計算方案及溫度和應力控制標準

5.1 計算方案

10#泄洪壩段混凝土開澆日期為2018年3月12日，平均每14 d澆筑一大層，每層層高為3 m， 2018年7月9日澆筑至高程477.35 m，2018年10月27日澆筑至高程502.7 m，2019年7月中旬大壩澆筑至溢流堰頂高程571.0 m。2020年4月1日下閘蓄水，2020年4月5日蓄水至溢流堰頂，堰頂以上采用表孔泄洪的方式，按照1.0 m/d的速度，2020年4月23日蓄水至正常蓄水位589.0 m。

方案1：該方案采取全壩段通水冷卻措施，通水時間為20 d，冷卻水溫15℃，大層澆筑完成立即通水冷卻，通水流量1.2 m3/h，水管間距1.5 m，采用U形卡固定，冷卻水管采用高密聚乙烯塑料管，外徑32 mm，內徑28 mm，在上下兩層水管中間位置布置溫度計以測定混凝土內部溫度，冷卻水管計算采用等效熱源法[4]進行模擬。具體布置如圖3所示。

表1 壩址區氣象站氣溫水溫統計表 ℃

圖1泄洪壩段計算模型圖2泄洪壩段材料分區

表2 大壩混凝土基本熱力學計算參數

方案2：該方案通水時間為20 d，冷卻水溫20℃，其他條件與方案1相同。

方案3：該方案通水時間為15 d，冷卻水溫20℃，其他條件與方案1相同。

方案4：為節省投資，該方案僅對約束區(高程452.0～502.7 m)進行通水冷卻，通水時間為20 d，冷卻水溫為當月河水溫度。其他條件與方案1相同，當月河水溫度見表1。

方案5：該方案僅對約束區(高程452.0～502.7 m)進行通水冷卻，通水時間為20 d，冷卻水溫20℃。其他條件與方案1相同。

各計算方案匯總表見表3。

表3 10#泄洪壩段計算方案匯總表

圖3 冷卻水管布置示意圖

5.2 溫度和應力控制標準

(1)混凝土溫度控制標準。約束區混凝土基礎容許溫差[19]見表4。

表4 約束區混凝土基礎容許溫差 ℃

(2)應力控制標準?；A混凝土容許抗裂應力應滿足下式[19]：

σ≤εpEc/Kf

(5)

式中：σ為初始溫差、內外溫差和上下層溫差所產生的溫度應力之和，MPa;εp為混凝土極限拉伸標準值，是混凝土抗裂性能的重要指標；Ec為混凝土彈性模量的標準值；Kf為安全系數，根據工程的重要性和開裂的危害性，本工程取1.65。

該工程壩體混凝土容許拉應力見表5。

表5 混凝土容許拉應力 MPa

6 溫度場計算成果分析

在大壩運行過程中，壩體混凝土與外界環境不斷地進行熱交換，隨著時間的推移，壩體內部最高溫度逐漸減小并趨于壩體穩定溫度24.5℃。大壩穩定溫度場溫度等值線圖見圖4。

壩體內部區域最高溫度隨著混凝土水化反應的發生逐漸升高，在10-12月澆筑的部位以及溢流堰頂和溢流面反弧段常態混凝土區域溫度較高，主要是因為溢流堰頂處的混凝土澆筑完成歷時短，水化熱來不及散發，使得這部分混凝土溫度較高。反弧段常態混凝土溫度較高是由于該部位混凝土絕熱溫升較高。

方案1～方案5在2019年8月15日溫度等值線圖見圖5～9，各方案不同區域最高溫度見表6。方案1和方案2相比，通水歷時20 d，冷卻水溫降低5℃，可使各區最高溫度降低0.6～0.7℃。方案2與方案3相比，冷卻水溫20℃，通水時間增加5 d，可使各區最高溫度降低1.0℃。方案2與方案5相比，壩體非約束區通水歷時20 d，冷卻水溫20℃，可使壩體非約束區最高溫度降低7.5℃左右，降溫效果顯著。方案4和方案5相比，可見通制冷水對壩體溫降有益，壩體約束區內部最高溫度比通河水降低0.5～1℃。

方案1、方案2和方案3強約束區、弱約束區最大溫差均小于基礎容許溫差，方案4和方案5弱約束區最大溫差均大于基礎容許溫差。

7 溫度應力場計算成果分析

10#泄洪壩段各方案最大溫度應力見表7。泄洪壩段高程454.0 m和高程512.0 m水平面中間點σx、σy溫度應力歷時曲線見圖10～11。壩體最大溫度應力出現在基礎約束區碾壓混凝土部位，尤其是在距壩基面高度為2 m(高程454.0 m)處。分析原因，一是由于該層面距壩基較近，壩基約束作用明顯；二是由于壩基彈性模量為22 GPa，彈性模量值較大。由于大壩溢流面及堰頂常態混凝土區域，混凝土絕熱溫升較高，因而溫度應力相對較大。

方案1和方案2相比，壩體內部碾壓混凝土最大應力降低0.08～0.13 MPa。方案2和方案3相比，壩體內部碾壓混凝土最大應力降低0.11～0.15 MPa。在壩高60 m(高程512.0 m)處，由于非約束區未進行通水冷卻，所以方案4和方案5應力與其他方案相比較大。

方案1、方案2和方案5最大溫度應力均小于碾壓混凝土R2容許拉應力1.41 MPa，方案3和方案4最大溫度應力σy大于碾壓混凝土R2容許拉應力1.41 MPa，各方案表層常態混凝土最大應力均小于常態混凝土C3容許應力2.48 MPa。

圖4大壩穩定溫度場溫度等值線圖(單位：℃)圖5方案1大壩溫度等值線圖(2019-08-15)(單位：℃)圖6方案2大壩溫度等值線圖(2019-08-15)(單位：℃)

圖7方案3大壩溫度等值線圖(2019-08-15)(單位：℃)圖8方案4大壩溫度等值線圖(2019-08-15)(單位：℃)圖9方案5大壩溫度等值線圖(2019-08-15)(單位：℃)

表6 各方案不同區域混凝土最高溫度 ℃

圖10 泄洪壩段高程454.0 m和高程512.0 m水平面中間點溫度應力σx歷時曲線

圖11 泄洪壩段高程454.0 m和高程512.0 m水平面中間點溫度應力σy歷時曲線

8 結 論

本文結合實際工程對某碾壓混凝土重力壩通水冷卻溫控措施進行了仿真計算，分析了各方案通水冷卻效果及其變化規律。結果表明：

(1)綜合對比分析5個方案，其中方案1和方案2溫度和溫度應力均滿足控制標準，但從施工可行性角度分析，該大壩位處非洲，屬熱帶草原性氣候，水溫常年在20℃以上，因此20℃制冷水比15℃制冷水更易制得，同時從節省建設投資角度考慮，最后擬定方案2為最終推薦方案。即控制混凝土澆筑溫度25℃，采取通水溫度20℃、通水時長20 d，全壩段通水冷卻溫控措施，既可以使最大溫度和應力在整個施工期、運行期滿足溫度和應力控制標準，又可以降低溫控措施的綜合成本，做到經濟可行。

(2)通水時間為20 d，冷卻水溫從20℃降低到15℃時，可使各區最高溫度降低0.6～0.7℃，最大溫度應力降低0.08～0.13 MPa。

(3)冷卻水溫為20℃，通水時間從15 d增加到20 d，可使各區最高溫度降低1.0℃，最大溫度應力降低0.11～0.15 MPa。

(4)基礎約束區溫度應力較大，尤其是在壩基面附近，建議在壩基面使用高標號混凝土，改進此處混凝土配合比，以增加大壩的安全余量。