任喜平 李虎子 焦 雄

(陜西引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710024)

在大體積混凝土工程建設(shè)發(fā)展過程中，對常態(tài)混凝土施工過程中的溫控方案、防裂措施的研究較多，各種措施在工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，敷設(shè)水管通入制冷水降溫的措施在各類型的常態(tài)混凝土壩體工程建設(shè)中得到普遍采用。而碾壓混凝土大壩具有節(jié)約水泥、施工快、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在水利工程建設(shè)中被廣泛應(yīng)用。由已建碾壓混凝土大壩的案例可知，因其施工工序和混凝土配合比的特殊性，混凝土的抗剪和早期抗拉強(qiáng)度都較小，在施工期由于混凝土自身的溫度應(yīng)力導(dǎo)致壩體出現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象較多，尤其對于壩體一些關(guān)鍵部位產(chǎn)生的裂縫，對大壩的施工過程和使用功能產(chǎn)生了很大影響，還會影響到壩體下一階段施工安排，對后期大壩的安全和穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重的隱患。所以，在碾壓混凝土大壩施工過程中采取合理的溫控措施十分必要，通過對現(xiàn)場施工實(shí)踐過程的不斷總結(jié)，通過有限元法仿真模擬，在碾壓混凝土施工過程中參考常態(tài)混凝土溫控措施，經(jīng)過取長補(bǔ)短合理的應(yīng)用，碾壓混凝土施工過程選用通水冷卻的溫控措施可達(dá)到相應(yīng)要求。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭的三河口水利樞紐是調(diào)水工程的調(diào)節(jié)中樞，具有自流供水、可逆機(jī)組抽水儲備水、發(fā)電等綜合效益和功能，大壩為大(2)型碾壓混凝土雙曲拱壩，河床壩段的壩體原設(shè)計高度145m，在現(xiàn)場實(shí)際施工中根據(jù)壩基開挖過程揭露的地質(zhì)情況抬高3.5m，實(shí)際最大壩高141.5m，壩體頂部弧長369m，河床段壩體壩基37m，其余壩段均為岸坡段壩體，工程大壩主體、消力塘及導(dǎo)流洞封堵等大體積混凝土總量約為11419m3，其中碾壓混凝土約為9360m3。三河口碾壓混凝土大壩總平面布置見圖1。

圖1 三河口大壩總平面布置圖

2 有限元計算方法

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熱傳遞問題，用有限元法求解有下面幾個優(yōu)點(diǎn)：?容易適應(yīng)不規(guī)則邊界；?在溫度梯度大的地方，可局部加密網(wǎng)格；?容易與計算應(yīng)力的有限單元法程序配套，將溫度場、應(yīng)力場和徐變變形三者統(tǒng)一在一個程序計算中。仿真應(yīng)力計算中需考慮混凝土溫度、徐變、水壓、自重、自生體積變形和干縮變形等的作用。

本文選用在大型有限元軟件ANSYS上進(jìn)行深層二次開發(fā)的“高壩結(jié)構(gòu)施工期至運(yùn)行期全過程溫度場、溫度應(yīng)力場三維有限元仿真分析軟件”，根據(jù)本工程特點(diǎn)選用、增加、修改不同的功能模塊，縮短仿真分析周期，為施工期溫度監(jiān)測及反饋分析提供了快捷的技術(shù)支持。溫度場仿真分析的核心技術(shù)是通水冷卻的等效負(fù)熱源系數(shù)法和冷卻水管的精細(xì)模擬，它既能等效地考慮通水冷卻的作用、減小模型規(guī)模、提高仿真分析的效率，又能考慮不同部位混凝土的冷卻效果。應(yīng)力場仿真分析模塊能考慮混凝土力學(xué)性能參數(shù)隨齡期的變化、混凝土徐變、混凝土的自生體積變形等因素的影響，有多種混凝土本構(gòu)模型可供選用，如彈性模型、彈塑性模型、損傷模型、斷裂力學(xué)模型等。

對于不同施工方案和溫控方案，通過改變相應(yīng)參數(shù)，如不同混凝土膠凝材料水化熱性能、澆筑層厚度、間歇天數(shù)、冷卻水管間距、冷卻時間、冷卻水管的熱學(xué)力學(xué)參數(shù)等來實(shí)現(xiàn)，同時實(shí)現(xiàn)計算過程中中間結(jié)果輸出的可視化，分析校核計算結(jié)果的合理性，實(shí)現(xiàn)高壩溫度應(yīng)力仿真分析這一復(fù)雜過程的自動化和智能化。

3 冷卻水管的溫控有限元分析

3.1 計算模型

三河口水利樞紐大壩的大部分壩體為岸坡壩段，河床壩段長度較小，本文在有限元模擬仿真計算過程中選取岸坡壩段作為壩體冷卻水管布置分析的典型壩段，混凝土、壩基圍巖、冷卻水管等采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元建立三維有限元仿真空間模型，模擬過程共劃分53350個單元。岸坡壩段計算網(wǎng)格剖分見圖2，混凝土材料分區(qū)見圖3。

3.2 計算工況

結(jié)合三河口水利樞紐壩址區(qū)氣溫資料及混凝土生產(chǎn)的預(yù)冷方案，大壩混凝土壩體進(jìn)行仿真模擬計算的澆筑溫度見表1。

圖2 岸坡壩段計算網(wǎng)格剖分圖

圖3 混凝土材料分區(qū)

表1 用于計算的混凝土澆筑溫度

根據(jù)現(xiàn)場施工進(jìn)度計劃安排壩體岸坡混凝土壩段在4月開始澆筑，大壩河床壩段的基礎(chǔ)墊層、壩頂澆筑2.0m厚的常態(tài)混凝土，大壩碾壓混凝土在澆筑過程中采用每層厚3m的澆筑方式，每個碾壓層澆筑的間歇時間為10天?；炷恋纳a(chǎn)11月至次年3月采用自然拌和，4—10月采用制冷水和骨料預(yù)冷拌和，壩體混凝土內(nèi)部鋪設(shè)冷卻水管通過制冷水進(jìn)行降溫冷卻，布置的水管間距由1.5m×3.0m逐漸加密至1.5m×1.5m，制冷水的通水時間根據(jù)壩體溫度測量的數(shù)據(jù)和氣候條件設(shè)為15～20天，冷卻水管的通水流量為1.5m3/h，大壩常態(tài)混凝土區(qū)域采用C2825常態(tài)混凝土，碾壓混凝土區(qū)域采用C9025，大壩岸坡壩段施工溫控計算方案見表2，不同方案岸坡段混凝土的最大溫度云圖見圖4。

表2 岸坡壩段施工溫控計算方案

圖4 岸坡壩段混凝土最大溫度云圖

方案1不通水，由計算結(jié)果可知：壩體岸坡的基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)壩段防滲層的最大溫度介于31.83～37.23℃之間，壩體內(nèi)層的三級配區(qū)域混凝土最大溫度介于31.16～37.25℃之間，都不能達(dá)到設(shè)計要求的最大溫度26℃；壩體基礎(chǔ)弱約束區(qū)防滲層最大溫度介于31.9～32.62℃之間，壩體內(nèi)層三級配區(qū)域混凝土最大溫度介于31.97～32.66℃之間，都不能達(dá)到設(shè)計要求的最大溫度28℃。岸坡壩段的混凝土澆筑施工進(jìn)入脫離約束區(qū)階段后，壩體碾壓混凝土施工過程中的澆筑溫度、最大溫度隨月份不同不斷變化?？傮w可以看出，岸坡壩段混凝土在施工過程中的最大溫度除1月外都達(dá)不到設(shè)計要求。只有通過敷設(shè)的冷卻水管進(jìn)行通水冷卻降溫，混凝土最大溫度才能夠達(dá)到設(shè)計要求，但也無法達(dá)到總進(jìn)度要求規(guī)定的時間內(nèi)接縫灌漿施工12～15℃的溫度要求，在現(xiàn)場實(shí)際施工過程溫控方案不可行。

方案2布置間距1.5m×3.0m冷卻水管，由計算結(jié)果可知：壩體岸坡的基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)壩段防滲層和壩體內(nèi)層三級配區(qū)域混凝土的最大溫度各介于28.5～31.84℃和27.33～31.02℃之間，都不能達(dá)到設(shè)計要求的最大溫度26℃； 壩體基礎(chǔ)弱約束區(qū)的上游面防滲層最大溫度介于28.44～28.89℃之間，不能達(dá)到設(shè)計要求的最大溫度28℃，壩體內(nèi)層三級配區(qū)域的混凝土最大溫度介于27.59～28.04℃之間，接近設(shè)計要求的最大溫度28℃，脫離約束區(qū)混凝土大溫度施工過程能夠滿足各階段的溫度要求。

方案3布置間距1.5m×2.0m冷卻水管，由計算結(jié)果可知：壩體岸坡段基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)上游側(cè)防滲面和內(nèi)部三級配區(qū)域的最大溫度各介于27.47～30.54℃和26.45～29.82℃之間，都不能達(dá)到設(shè)計要求的最大溫度26℃；壩體基礎(chǔ)弱約束區(qū)上游側(cè)的防滲面和內(nèi)部三級配最大溫度各介于27.42～27.82℃和26.62～27.01℃之間，都能達(dá)到設(shè)計要求的最大溫度28℃。壩體岸坡壩段敷設(shè)間距1.5m×2.0m冷卻水管后，脫離約束區(qū)域的壩體混凝土最大溫度逐漸減小，能夠達(dá)到施工過程中各階段的溫度要求。

方案4布置間距1.5m×1.5m冷卻水管，壩體岸坡段基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)上游側(cè)防滲面和內(nèi)部三級配區(qū)域的最大溫度各介于25.72～26.8℃和24.75～26.45℃之間，最大溫度略高于設(shè)計要求的26℃，但在冷卻水管加密敷設(shè)至1.0m×1.5m后，混凝土的最高溫度能夠滿足要求；壩體基礎(chǔ)弱約束區(qū)上游側(cè)的防滲面和內(nèi)部三級配區(qū)域的最大溫度介于26.61～26.97℃和25.84～26.19℃之間，都能達(dá)到設(shè)計要求的最大溫度28℃。布置間距1.5m×1.5m水管后，脫離約束區(qū)域的壩體混凝土最大溫度變小，滿足施工過程中各階段的溫度要求，富裕度進(jìn)一步增大。

綜上所述，碾壓混凝土拱壩澆筑過程埋設(shè)的制冷水管從1.5m×3.0m逐漸加密至1.5m×1.5m后，壩體岸坡段碾壓混凝土按照3m升層澆筑過程中基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)上游側(cè)防滲面和內(nèi)部三級配區(qū)域混凝土最大溫度略有超標(biāo)現(xiàn)象，但當(dāng)該區(qū)域壩體混凝土內(nèi)部冷卻水管加密至1.0m×1.5m后，經(jīng)復(fù)核計算混凝土最大溫度完全滿足設(shè)計要求；岸坡壩段脫離約束區(qū)隨著壩體內(nèi)布設(shè)的冷卻水管逐步加密，混凝土的最大溫度超越程度不斷縮小，當(dāng)埋設(shè)的制冷水管逐步加密到間距1.5m×1.5m時，澆筑混凝土的最大溫度完全達(dá)到設(shè)計要求。

4 結(jié) 語

本文采用三維有限元仿真模擬的方法，計算分析了秦嶺南北氣候分界區(qū)域特殊地帶碾壓混凝土拱壩澆筑過程埋設(shè)的制冷水管從1.5m×3.0m逐漸加密至1.5m×1.5m過程中壩體內(nèi)各區(qū)域的最大溫度值，從計算分析結(jié)果可以看出，大壩混凝土澆筑過程中岸坡壩段的約束區(qū)和非約束區(qū)混凝土內(nèi)部分別布置間距1.0m×1.5m和1.5m×1.5m的冷卻水管通水冷卻時，完全能使壩體混凝土最大溫度滿足設(shè)計要求，但在通水冷卻降溫過程中，要做好大壩內(nèi)部溫度的監(jiān)測工作，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)減少通水時間，以便節(jié)省成本。壩內(nèi)冷卻水管的各項(xiàng)參數(shù)對壩體碾壓混凝土溫度有著較大的影響，引漢濟(jì)渭三河口大壩大體積碾壓混凝土澆筑過程選擇更為合理的冷卻方案，能夠有效地提高經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)省成本。三河口水利樞紐位于秦嶺腹地南北氣候分界地帶，當(dāng)?shù)氐臍夂蚍磸?fù)無常、溫度變化幅度較大，對三河口大壩碾壓混凝土冷卻水管的分析研究，可為該地區(qū)類似工程碾壓混凝土冷卻方案設(shè)計起到一定參考作用。