晏國順 陜亮 李家正

摘要：大古水電站位于西藏高寒高海拔地區(qū)，壩址區(qū)日照輻射強(qiáng)烈，顯著影響了環(huán)境溫差的變化，加劇了施工期乃至運(yùn)行期大壩結(jié)構(gòu)溫度場時空分布的不均勻性，增加開裂風(fēng)險。選取大古水電站14號廠房壩段為研究對象，采用三維有限元法對大壩施工期溫度場和溫度應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬仿真計算，分析了日照強(qiáng)熱輻射對大壩的影響。結(jié)果表明：日照強(qiáng)熱輻射在壩體表面產(chǎn)生了約0.6 MPa的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力區(qū)影響深度在0.6 m范圍內(nèi);采取混凝土表面保溫防護(hù)措施后，拉應(yīng)力減少至約0.1 MPa，有效降低了混凝土開裂風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：日照強(qiáng)輻射;碾壓混凝土重力壩;溫度裂縫;三維有限元;大古水電站;高寒高海拔地區(qū);西藏

中圖法分類號：TV315 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.009

文章編號：1006 - 0081（2021）10 - 0047 - 05

0 引 言

中國剩余水能資源開發(fā)主要分布在西部、西南部，集中于雅魯藏布江、金沙江、瀾滄江、怒江流域[1]，這些地區(qū)氣候變化劇烈，極端天氣頻繁，水電站建設(shè)難度大。碾壓混凝土筑壩技術(shù)具有澆筑面大、連續(xù)澆筑施工效率高、不設(shè)縱縫少設(shè)橫縫的優(yōu)點，因此碾壓混凝土壩成為高寒高海拔地區(qū)復(fù)雜環(huán)境下最有利的壩型[2-4]。在自然環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)由于熱傳導(dǎo)性能較差，氣候條件對混凝土的質(zhì)量影響極大，混凝土內(nèi)外大溫差是導(dǎo)致壩體發(fā)生表面裂縫的主要原因 [5-7]。大氣的溫度變化并不是直接來源于太陽的熱量，而是來源于大地上空的空氣。太陽輻射主要以短波為主，其中大氣吸收16%，地表和海洋則吸收了51%，這51%的短波變成了熱量，又被地表以長波的形式往外輻射，這些長波被大氣吸收，影響了大氣的溫度。大古水電站壩址海拔為3 500 m，位于青藏高原高海拔地區(qū)，是中國太陽輻射最強(qiáng)的地區(qū)，空氣稀薄，大氣對太陽輻射的削弱作用弱，到達(dá)地面的太陽輻射強(qiáng)。因此，本文以大古水電站為研究對象，采用三維有限元法計算分析了日照強(qiáng)熱輻射對大壩的影響，旨在為類似復(fù)雜環(huán)境下的工程提供參考。

1 工程概況

大古水電站位于西藏自治區(qū)山南地區(qū)桑日縣境內(nèi)，是雅魯藏布江中游桑日縣至加查縣峽谷段的第2級電站，上游距規(guī)劃的巴玉水電站約8 km，下游距規(guī)劃的街需水電站和已建成的藏木水電站分別為7 km和18 km。電站壩址控制流域面積15.74萬km2。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩高126 m，電站裝機(jī)容量66萬kW，采用壩后式廠房布置。廠房壩段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料分組多，本文以14號廠房壩段為典型壩段進(jìn)行研究分析。

2 數(shù)值模擬

2.1 結(jié)構(gòu)模型

14號壩段結(jié)構(gòu)模型見圖1，材料分區(qū)見圖2。坐標(biāo)軸X方向為順?biāo)鞣较颍赶蛳掠螢檎?坐標(biāo)軸Y方向為壩軸線方向（橫河向），指向左岸為正;坐標(biāo)軸Z方向為垂直向，向上為正，與結(jié)構(gòu)實際高程一致。

本文采用長江科學(xué)院自主研發(fā)的大型水工數(shù)值分析軟件包（Ckysts1.0），進(jìn)行結(jié)構(gòu)溫度場和溫度應(yīng)力三維有限元線彈性仿真計算，網(wǎng)格劃分共計335 414個節(jié)點，309 790個單元。

2.2 計算條件

依據(jù)大古水電站相關(guān)建設(shè)單位技術(shù)報告[8-11]，結(jié)合混凝土澆筑進(jìn)度，參考相關(guān)類似工程經(jīng)驗以及行業(yè)規(guī)程規(guī)范[12]確定計算條件。

2.2.1 環(huán)境溫度

（1）年氣溫作用。年氣溫作用是指氣溫年變化對混凝土結(jié)構(gòu)的影響，其變化相對緩慢。根據(jù)大古氣象站氣象要素月平均氣溫統(tǒng)計，采用下式擬合：

[Tc（t）=10.2+7.9sin2π365（t-100）]? ? ? ? ? ?（1）

式中：[Tc（t）]為隨時間變化的氣溫;t為計算時刻至1月1日的時間。

（2）日照溫度作用。日照溫度變化主要是太陽輻射作用引起，大壩混凝土表面受到日照直射輻射、散射輻射的作用，表面溫度要高于該時刻的大氣溫度。日照影響相當(dāng)于氣溫增高值[ΔTα]，由下式計算：

[ΔTα=R/β]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：R為物體表面吸收的熱輻射，材料吸收系數(shù)取0.65;β為物體表面放熱系數(shù)。太陽輻射統(tǒng)計和受日照影響的氣溫增高換算值列于大古氣象站氣象要素統(tǒng)計表1中。

由表1看出，大古水電站受日照影響相當(dāng)于年平均氣溫增加10.5℃。5月份日照最強(qiáng)，相當(dāng)于氣溫增高12.5℃;12月份日照最弱，相當(dāng)于氣溫增高7.6℃;年變幅A=（12.5-7.6）/2=2.4℃。因此，在計算分析中按年平均氣溫提高10.5℃，氣溫年變幅增加2.4℃的情況進(jìn)行大古水電站日照溫度作用影響的敏感性分析，擬合式如下：

[Tc（t）=20.7+10.3sin2π365（t-100）]? ? ? ? （3）

2.2.2 材料力學(xué)和熱學(xué)性能

（1）混凝土及基巖彈性模量?；炷粮鼾g期彈性模量用式（4）擬合，擬合參數(shù)見表2。

[E（t）=E0（1-e-AtB）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：[E0]為混凝土最終彈性模量，GPa;[t]為混凝土齡期，d;A，B為擬合參數(shù)。

基巖變形模量取值為13.5 GPa，泊松比取0.2，不計自重?；炷撩芏龋耗雺夯炷罜9015為2.42×103

kg/m3，其他常態(tài)混凝土取為2.37×103 kg/m3，泊松比0.167。

（2）混凝土徐變度。溫度應(yīng)力計算中，混凝土徐變度采用式（5）擬合：

[C（t， τ）=C1（τ）[1-e-k1（t-τ）]+C2（τ）[1-e-k2（t-τ）]] （5）

式中： C（t，τ）為混凝土徐變度，×10-6/MPa;t為混凝土齡期，d;τ為混凝土加荷齡期，d;[C1（τ）=A1B1τm] ，[C2（τ）=A2B2τn]，A1，A2，B1，B2，n，m，k1，k2為擬合系數(shù)，見表3。

（3）熱學(xué)性能參數(shù)?；炷痢⒒鶐r熱學(xué)性能參數(shù)見表4。混凝土絕熱溫升通過膠凝材料水化熱值以及混凝土配合比的膠凝材料用量計算得出，采用[θ（t）=θ0tA+t]擬合，式中：[θ（t）]為混凝土絕熱溫升，℃;t為混凝土齡期，d;[θ0]為混凝土最終絕熱溫升，℃。

2.2.3 邊界條件與初始條件

（1）邊界條件。溫度場計算中，基礎(chǔ)各側(cè)面、底面、壩段對稱面取絕熱邊界，壩體暴露在空氣中的面取氣溫邊界。壩體與氣溫接觸的邊界，按第三類邊界條件處理，放熱系數(shù)β取10.73 W/（m2·℃），等效熱交換系數(shù)為927 kJ/（m2·d·℃）。壩體廊道孔洞內(nèi)取氣溫邊界，考慮到空氣流通不暢，孔洞內(nèi)表面與大氣接觸， 放熱系數(shù)β取5.0 W/（m2·℃），等效熱交換系數(shù)為452 kJ/（m2·d·℃）。

應(yīng)力計算中，基礎(chǔ)左右兩側(cè)面、基礎(chǔ)下游面取法向約束，基礎(chǔ)底面取三向約束;基礎(chǔ)上游面取為自由面?？紤]到壩體側(cè)面與相鄰壩段之間有橫縫，取為自由面。

（2）初始條件?；鶐r初溫擬定為10.2℃，基巖上、下游表面在氣溫邊界條件下計算20 a至混凝土開始澆筑時所得的溫度場作為基巖的初始溫度場?；炷翝仓r的澆筑溫度作為混凝土的初始溫度。

2.2.4 澆筑溫度與通水冷卻

廠房壩段建基面呈多層臺階式，混凝土相應(yīng)允許澆筑溫度見表5?；炷料铝蠒r即開始一期通水冷卻，通水水溫12℃，通水時長30 d;高溫季節(jié)澆筑的混凝土入冬前進(jìn)行必要的中期通水冷卻降溫，從當(dāng)年9月初開始，通水時長60 d，通水水溫12℃，冷卻目標(biāo)溫度16℃。

2.2.5 混凝土表面保護(hù)

高寒地區(qū)碾壓混凝土壩表面保溫方案多樣[13]，大古水電站14號廠房壩段混凝土表面分為保溫、不保溫2種情況計算分析，保溫效果參數(shù)見表6。

3 結(jié)果分析

在自然環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，由于熱傳導(dǎo)性能較差，氣候條件對混凝土的質(zhì)量影響極大，日照熱輻射等作用使混凝土表面溫度迅速變化，而其結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度仍處于原來狀態(tài)，從而形成較大溫度梯度，產(chǎn)生溫度變形，這樣的變形在受到結(jié)構(gòu)內(nèi)、外約束阻礙時，會產(chǎn)生相當(dāng)大的溫度應(yīng)力，施工階段由于混凝土水化熱作用，更容易形成混凝土內(nèi)外表面較大溫度差，引起裂縫的產(chǎn)生。

3.1 溫度場

壩體內(nèi)部混凝土與壩體外表面混凝土最高溫度見表7，日照影響的混凝土外表面溫度歷程見圖3。溫度場的仿真計算表明：混疑土外表面溫度受太陽日照的影響較大，混凝土澆筑層內(nèi)部區(qū)域受太陽日照的影響較小，在混凝結(jié)構(gòu)中造成較大的溫度梯度。與不考慮太陽日照影響相比，大壩混凝土表面保溫條件下，考慮日照影響的外表面混凝土最高溫度增加了10.61℃。結(jié)構(gòu)內(nèi)部碾壓混凝土、排沙廊道常態(tài)混凝土、壩下0+74前常態(tài)混凝土最高溫度分別增加了1.80℃，0.34℃，0.47℃;大壩混凝土表面不保溫條件下，考慮日照影響的外表面混凝土最高溫度增加了12.56℃，結(jié)構(gòu)內(nèi)部碾壓混凝土、排沙廊道常態(tài)混凝土、壩下0+74前常態(tài)混凝土最高溫度分別升高2.62℃，1.50℃，0.71℃。

3.2 溫度應(yīng)力

壩體內(nèi)部與外表面混凝土橫河向拉應(yīng)力對比分別見表8和表9，壩體外表面混凝土橫河向應(yīng)力歷程見圖4。溫度應(yīng)力的仿真計算表明：日照強(qiáng)輻射作用對壩體內(nèi)部混凝土應(yīng)力基本無影響，而對外表面混凝土拉應(yīng)力影響較大，增大了外表面混凝土的開裂風(fēng)險。壩體內(nèi)部混凝土，采取表面保溫措施時，相對于不考慮太陽日照影響，混凝土橫河向拉應(yīng)力，碾壓混凝土增加了0，排沙廊道常態(tài)混凝土減小0.03 MPa，壩下0+74前常態(tài)混凝土減小0.03 MPa;表面不保溫情況下，內(nèi)部碾壓混凝土增加了0.04 MPa，排沙廊道常態(tài)混凝土減小0.23 MPa，壩下0+74前常態(tài)混凝土減小0.07 MPa。壩體表面混凝土采取表面保溫措施時，相對于不考慮日照影響，混凝土橫河向拉應(yīng)力增加0.12 MPa，拉應(yīng)力區(qū)影響深度在0.6 m以內(nèi);表面不保溫情況下，橫河向拉應(yīng)力增加0.54 MPa，拉應(yīng)力區(qū)影響深度在1.2 m以內(nèi)。

4 結(jié) 語

（1）高寒高海拔地區(qū)氣候環(huán)境復(fù)雜，太陽日照對直接接受太陽輻射熱的外表面混凝土拉應(yīng)力影響較大，增加了混凝土表面開裂風(fēng)險。

（2）壩體混凝土表面采用保溫防護(hù)措施十分必要，可有效降低工程在施工期面臨的開裂風(fēng)險。

（3）在較高溫季節(jié)日照強(qiáng)烈時澆筑混凝土，有必要采取遮陽板、遮陽棚等溫控措施，減小太陽輻射造成環(huán)境溫度高于壩體溫度情況而產(chǎn)生熱量倒灌現(xiàn)象的影響。

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（編輯：江 文）

Influence of sunlight strong heat radiation on RCC gravity dam of

Dagu Hydropower Station in Tibet

YAN Guoshun1， SHAN Liang2，3， LI Jiazheng2，3

（1. Huadian Tibet Hydropower Development Co.， Ltd， Lasa 856200， China;? ?2. Material and Engineering Structure Department， Changjiang Scientific Research Institute， Wuhan 430010， China;? ?3. Research Center of Water Engineer Security and Disease Prevention Under Ministry of Water Resources， Changjiang Scientific Research Institute， Wuhan 430010， China）

Abstract： Dagu hydropower station is located in the high cold and high altitude area of Tibet. The sunshine radiation in the dam site area has a strong impact on the change of environmental temperature difference， which aggravates the uneven distribution of temperature field in the construction period and even operation period， and increases the risk of cracking. The No.14 plant dam section is selected as the research object. The three-dimensional finite element method is used to simulate the temperature field and temperature stress during the construction period of the dam， and the influence of the strong heat radiation of sunshine on the dam is analyzed. The results show that the tensile stress of the dam surface is about 0.6MPa， and the influence depth of the tensile stress area is within 0.6m. After taking the thermal insulation protection measures on the concrete surface， the tensile stress decreases to about 0.1 MPa， which effectively reduces the risk of concrete cracking.

Key words： strong sunlight radiation; compacted concrete gravity dam; temperature crack; 3D finite element; Dagu hydropower station; High altitude and cold area; Tibet