王鵬

?

基于ABAQUS的某大壩溫度場(chǎng)模擬

王鵬

（重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074）

壩體溫度場(chǎng)分布規(guī)律是研究面板溫度應(yīng)力和探測(cè)滲漏等問(wèn)題的基礎(chǔ)，采用有限元分析軟件ABAQUS，對(duì)大壩的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行仿真模擬，得到壩體內(nèi)部溫度場(chǎng)隨年周期的變化規(guī)律. 結(jié)果表明，壩體底部基礎(chǔ)溫度一般較低，氣溫等因素變化對(duì)該部位溫度場(chǎng)影響不大，而上游壩體溫度場(chǎng)分布主要受到庫(kù)水溫影響，沿深度呈現(xiàn)良好的遞減趨勢(shì)；壩體表面溫度受氣溫影響明顯，表面溫度與環(huán)境溫度之差不大，但變化稍有滯后. 總體來(lái)說(shuō)，壩體溫度場(chǎng)分布符合一般規(guī)律.

面板堆石壩；數(shù)值模擬；氣溫；溫度場(chǎng)

隨著施工技術(shù)水平的提高，由拋填堆石逐漸發(fā)展來(lái)的具有高壓縮模量的碾壓堆石壩正向著高壩發(fā)展，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[1-2]. 一般來(lái)說(shuō)，此類壩型的壩坡穩(wěn)定性能滿足使用要求，但也存在著滲漏和變形量大等問(wèn)題，特別是面板對(duì)整個(gè)大壩的使用與安全起著極其重要的作用，混凝土面板開裂等問(wèn)題嚴(yán)重制約著混凝土面板堆石壩的推廣應(yīng)用. 張國(guó)新等[3]模擬了混凝土面板溫度應(yīng)力的變化過(guò)程，分析了軟弱墊層對(duì)面板溫度應(yīng)力的影響后認(rèn)為面板中部會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，可能造成開裂. 王瑞駿等[4]認(rèn)為溫度應(yīng)力是面板產(chǎn)生貫穿性裂縫的主要原因，溫度應(yīng)力及干縮應(yīng)力是面板產(chǎn)生表面裂縫的主要原因，進(jìn)而建立了面板與墊層之間接觸面的溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力的有限元計(jì)算模型. 由此可見(jiàn)，除壩體本身的不均勻沉降因素外，大溫差下溫度應(yīng)力作用是造成面板開裂的重要原因. 此外，利用滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)之間明顯的相關(guān)性，還可以通過(guò)溫度場(chǎng)的分析來(lái)探測(cè)堤壩滲漏，是近年來(lái)興起的一項(xiàng)新探測(cè)技術(shù)[5]. 研究面板溫度應(yīng)力和滲漏等問(wèn)題應(yīng)建立在合理分析壩體溫度場(chǎng)分布的基礎(chǔ)上，因此，合理精確地模擬堤壩等溫度場(chǎng)分布情況很有必要.

面板堆石壩溫度場(chǎng)分布和氣溫、地溫、庫(kù)水溫等環(huán)境溫度密切相關(guān)，大壩由于氣溫和水溫交替變化，具有明顯的周期性時(shí)空分布特征. 本文綜合考慮影響大壩溫度場(chǎng)的因素，建立有限元計(jì)算模型，以分析某大壩溫度場(chǎng)分布.

1 工程概況

某水利樞紐工程為混凝土面板堆石壩，壩址區(qū)出露下三疊統(tǒng)嘉陵江（T1j）二段、三段、四段及五段下部地層，其上覆蓋第四系沖洪積、崩坡積層. 壩址位于巖溶地區(qū)，主要有溶槽、巖溶裂隙、溶洞和巖溶泉，水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，因此防滲尤為重要，面板砼采用C25，水灰比不得大于0.5，抗?jié)B標(biāo)號(hào)為W8，采用單層雙向配筋，鋼筋置于面板截面中部，水平配筋率為0.3%，豎向配筋率為0.4%. 設(shè)計(jì)堆石壩的壩頂高程，最大壩高，壩軸線長(zhǎng)，壩頂寬，防浪墻頂高程，上游壩坡，下游壩坡，上游采用不等厚面板，頂部厚，底部厚，下游壩坡在高程和處分設(shè)兩條馬道，馬道寬. 將壩體材料從面板以下依次分為墊層區(qū)、過(guò)渡區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)、特殊墊層區(qū)和下游堆石棱體，在面板上游高程以下設(shè)有粘土鋪蓋和土石渣蓋重區(qū).

2 有限元計(jì)算模型

2.1 網(wǎng)格

堆石壩模型大部分采用八節(jié)點(diǎn)六面體等參單元（DC3D8），局部不滿足時(shí)采用四節(jié)點(diǎn)三面體等參單元（DC3D4），結(jié)點(diǎn)總數(shù)為，單元總數(shù)為（四節(jié)點(diǎn)三面體等參單元有159個(gè)），其中面板單元數(shù)為406. 有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖1. 建模時(shí)規(guī)定：軸為壩軸線方向，從左岸指向右岸為正；軸為水流方向，從上游指向下游為正；軸為豎直方向，高程向上方向?yàn)檎?

圖1 堆石壩計(jì)算網(wǎng)格

2.2 參數(shù)

面板堆石壩的壩體熱學(xué)性能參數(shù)由于缺少相關(guān)資料和試驗(yàn)支持，所以參考相關(guān)工程和文獻(xiàn)[6-7]，按經(jīng)驗(yàn)選取，具體參數(shù)如表1所示.

表1 壩體熱學(xué)性能參數(shù)

2.3 邊界（水位）

實(shí)際影響壩體溫度場(chǎng)分布的邊界有3種：氣溫、庫(kù)水溫和地溫. 大壩在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，本身的溫度場(chǎng)會(huì)隨著環(huán)境溫度而變化，最主要受到庫(kù)區(qū)水溫、大氣溫度和地下溫度的影響. 一般來(lái)說(shuō)，大氣溫度、庫(kù)水溫都具有明顯的周期性，且?guī)靺^(qū)水溫滯后于大氣溫度；庫(kù)水溫具有時(shí)空分布特征：不僅隨季節(jié)變化而變化，而且沿深度增加而降溫直至水面以下才恒定；地下溫度的影響范圍和深度有限. 在Abaqus有限元軟件中，以上影響因素可以通過(guò)設(shè)定溫度邊界條件和相互作用的形式來(lái)實(shí)現(xiàn).

氣溫變化受太陽(yáng)輻射影響，呈現(xiàn)良好的日周期和年周期性. 本文在統(tǒng)計(jì)工程所在地氣象站的氣象特征的基礎(chǔ)上，決定以月為單位進(jìn)行計(jì)算，采用表2中多年平均氣溫，探討在年周期性溫度變化下，該面板堆石壩的溫度應(yīng)力分布的變化. 氣溫隨月份變化在Abaqus中可以通過(guò)幅值曲線的方式輸入（tools-Amplitude-Tabular），然后通過(guò)時(shí)間增量步（step time）的方式進(jìn)行控制，最后通過(guò)相互作用interaction中對(duì)接觸表面進(jìn)行設(shè)定環(huán)境溫度的方式完成氣溫的施加.

表2 多年平均氣溫分布

鑒于庫(kù)水溫具有復(fù)雜的時(shí)空分布特征，在此將其簡(jiǎn)化，忽略其年周期性，以水面往下線性遞減至水下后達(dá)到的恒溫. 在Abaqus中對(duì)于呈現(xiàn)線性分布的量值，可以在解析場(chǎng)（tools- analytical-field）中定義以壩體高度為自變量的函數(shù). 庫(kù)水溫的作用通過(guò)溫度邊界條件施加：水面至水下的分布按解析場(chǎng)添加；水下以下考慮為恒溫. 實(shí)際中地溫變化幅度不大，對(duì)溫度場(chǎng)的影響范圍和深度有限，遂將其考慮為恒溫. 地溫的作用也通過(guò)溫度邊界條件施加.

3 計(jì)算結(jié)果與分析

圖2 1月壩體溫度場(chǎng)分布

圖3 8月壩體溫度場(chǎng)分布

面板； 覆蓋層；主堆石； 次堆石； 塊石護(hù)坡

對(duì)比圖3、4中大壩溫度場(chǎng)分布，各月份的溫度場(chǎng)分布最主要受到氣溫的影響. 1月氣溫最低，壩體內(nèi)部存在約的溫度集中區(qū)域；隨著天氣回暖，1～7月壩體表面溫度受氣溫影響而升溫，8月溫度極值最高達(dá)到，且溫度梯度明顯增大，但其分布規(guī)律大體上保持一致；9～12月降溫過(guò)程又呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，溫度極值和溫度梯度都減小. 壩基覆蓋層溫度基本保持低溫，特別是靠近上游部分常年處于低溫庫(kù)水的作用下，這說(shuō)明在運(yùn)行期內(nèi)氣溫和庫(kù)水溫對(duì)地基范圍內(nèi)的溫度并不敏感. 庫(kù)區(qū)水位以下，上游壩體溫度場(chǎng)分布沿深度呈現(xiàn)良好的遞減趨勢(shì).

圖4顯示，氣溫對(duì)塊石護(hù)坡的影響最大；主堆石和次堆石溫度變化相似，但次堆石稍微高于主堆石，這是由于次堆石更接近塊石護(hù)坡，受氣溫影響更大，而主堆石受到庫(kù)水溫影響；面板也受到庫(kù)水溫的調(diào)節(jié)，溫度波動(dòng)范圍不大；壩體基礎(chǔ)底部溫度一般維持在較低水平，常年保持在左右.

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)混凝土面板堆石壩的溫度應(yīng)力和滲漏等問(wèn)題所需的壩體溫度場(chǎng)分布，綜合考慮了氣溫、庫(kù)水溫和地溫的影響，對(duì)某堆石壩進(jìn)行了溫度場(chǎng)仿真模擬，其計(jì)算結(jié)果表明：壩體基礎(chǔ)底部溫度一般較低，氣溫等因素對(duì)該部位溫度場(chǎng)變化影響不大，常年保持在低溫；壩體下游面溫度場(chǎng)受氣溫和太陽(yáng)輻射影響較大，呈現(xiàn)年周期性變化；上游壩體溫度場(chǎng)分布主要受到庫(kù)水溫影響，沿深度呈現(xiàn)良好的遞減趨勢(shì). 壩體表面溫度隨氣溫波動(dòng)較大，表面溫度與環(huán)境溫度之差不大，但變化稍有滯后.

總的來(lái)說(shuō)，溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果符合一般規(guī)律，靠近外表面溫度梯度較大，內(nèi)部溫度梯度較小. 在合理的分析壩體溫度場(chǎng)分布的基礎(chǔ)上，為研究面板溫度應(yīng)力和滲漏等問(wèn)題提供了可能.

[1] 酈能惠，楊澤艷. 中國(guó)混凝土面板堆石壩的技術(shù)進(jìn)步[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2012, 34(8): 1361-1368.

[2] 徐澤平，鄧剛. 高面板堆石壩的技術(shù)進(jìn)展及超高面板堆石壩關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題探討[J]. 水利學(xué)報(bào)，2008, 39(10): 1226-1234.

[3] 張國(guó)新，張丙印，王光綸. 混凝土面板堆石壩溫度應(yīng)力研究[J]. 水利水電技術(shù)，2001, 32(7): 1-5.

[4] 王瑞駿，李章浩，王黨在，等. 面板與墊層之間接觸面的溫度應(yīng)力計(jì)算模型研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2006, (3): 58-61.

[5] 萇坡，陳建生，王霜，等. 溫度場(chǎng)反分析法確定大壩滲漏通道位置[J]. 人民黃河，2014, 36(11): 131-134.

[6] 袁自立，馬福恒，焦延濤. 石漫灘碾壓混凝土重力壩溫度效應(yīng)分析[J]. 南水北調(diào)與水利科技，2013, 11(5): 61-64.

[7] 吳禮國(guó)，周定科，鄧方明，等. 大體積混凝土澆筑溫度場(chǎng)的仿真分析[J]. 水運(yùn)工程，2011, (7): 36-40.

[8] 王黨在，王瑞駿. 日最大降溫時(shí)堆石壩混凝土面板溫度應(yīng)力研究[J]. 西北水力發(fā)電，2004, 20(3): 5-8.

[9] 劉光廷，胡昱，王恩志，等. 石門子碾壓混凝土拱壩溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)與仿真計(jì)算[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002, 42(4): 539-542.

[責(zé)任編輯：韋 韜]

ABAQUS-based Dam Temperature Field Simulation

WANGPeng

(Hehai College, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Dam body temperature field distribution is the basis of the study of slab thermal stress and leakage detection. Using the finite element analysis software ABAQUS to simulate the dam temperature field distribution, the annual change pattern of the dam body’s inside temperature is obtained. Results show that the dam bottom temperature is generally low and the impact of temperature change on it is insignificant. Upstream, the dam body temperature field distribution is mainly affected by the reservoir water temperature, showing a decline trend with increasing depth. The dam surface temperature is significantly affected by the air temperature, with insignificant difference between surface temperature and the ambient temperature, and the change is slightly lagging behind in time. In general, the dam temperature field conforms to the general rule.

concrete faced rockfill dams; numerical simulation; air temperature; temperature fields

1006-7302（2016）02-0070-04

TV3

A

2016-03-03

王鵬（1992—），男，重慶人，在讀碩士生，研究方向?yàn)閹r土工程.