陳煥民，李 鋒，郭立紅，閉忠明

（1.黔東南州水利投資（集團(tuán)）有限責(zé)任公司,貴州 凱里 556000；2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710065；3.北京華石納固科技有限公司,北京 100085）

0 引言

抽水蓄能電站是利用電力系統(tǒng)剩余電力抽水到高處儲(chǔ)存,在電力系統(tǒng)電力不足時(shí)放水發(fā)電的水電站。陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能電站攔砂壩采用堆石混凝土筑壩材料,從時(shí)間維度看屬國(guó)內(nèi)首個(gè)案例。近年來(lái),堆石混凝土技術(shù)在全國(guó)地區(qū)大力推廣,福建省坪坑水庫(kù)（79.7 m）與溪源水庫(kù)（77 m）、青海省滿坪水庫(kù)（77 m）、四川省麻柳灣水庫(kù)（75 m）都是典型的重力高壩[1]。

鎮(zhèn)安抽蓄電站攔砂壩原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5 個(gè)壩段（壩寬22 m）,考慮到堆石混凝土大骨架體積效應(yīng)對(duì)抑制混凝土水化熱的優(yōu)勢(shì),為進(jìn)一步發(fā)揮堆石混凝土的優(yōu)勢(shì),需論證減去2條縫變?yōu)? 個(gè)壩段（壩寬42 m）的可行性。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有專門(mén)對(duì)抽蓄電站做過(guò)仿真分析,因此有必要對(duì)此進(jìn)行溫度應(yīng)力仿真分析。

ABAQUS軟件功能強(qiáng)大,其單元庫(kù)、材料庫(kù)以及接觸和連接單元類型等更加完備,本次研究選取ABAQUS軟件為計(jì)算分析的核心求解器。

1 工程概況

陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能電站位于商洛市鎮(zhèn)安縣月河鎮(zhèn)境內(nèi),壩址以上流域面積181 km2。攔砂壩為堆石混凝土重力壩,壩高34.5 m,壩頂高程951 m,壩頂長(zhǎng)度109 m,上游壩坡為1∶0.6,下游直線段坡比1∶0.6。工程等級(jí)為大（1）型（見(jiàn)圖1）。

圖1 攔砂壩上游立視圖

1.1 大壩混凝土分區(qū)

表1 大壩混凝土分區(qū)

1.2 混凝土材料參數(shù)

結(jié)合《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》、在建堆石混凝土項(xiàng)目工程經(jīng)驗(yàn)值,選定本工程混凝土參數(shù)為：

（1）常態(tài)混凝土：彈性模量30.5 GPa；泊松比0.167；容重2450 kg/ m3；線膨脹系數(shù)1.0×10-5/℃；比熱0.96 kJ/（kg·℃）；導(dǎo)熱系數(shù)254.4 kJ/（m·d·℃）；絕熱溫升22℃；允許拉應(yīng)力1.73 MPa。

（2）堆石混凝土：彈性模量36.8GPa；泊松比0.167；容重2450 kg/ m3；線膨脹系數(shù)0.7×10-5/℃；比熱0.88 kJ/（kg·℃）；導(dǎo)熱系數(shù)301.4 kJ/（m·d·℃）；絕熱溫升14℃；允許拉應(yīng)力1.72 MPa。

（3）高自密實(shí)性能混凝土：彈性模量25.9 GPa；泊松比0.167；容重2400 kg/ m3；線膨脹系數(shù)1.0×10-5/℃；比熱0.98 kJ/（kg·℃）；導(dǎo)熱系數(shù)254.4 kJ/（m·d·℃）；絕熱溫升24℃；允許拉應(yīng)力1.67 MPa。

（4）基巖：彈性模量50 GPa；泊松比0.27；容重2670 kg/ m3；線膨脹系數(shù)0.7×10-5/℃；比熱0.75 kJ/（kg·℃）；導(dǎo)熱系數(shù)248.7 kJ/（m·d·℃）。

當(dāng)?shù)厝诉€更愛(ài)酸口味，不管是Sinigang羅望果海鮮湯，還是Adobo菲式燉肉，菲律賓人都是要下足羅望果汁或者白醋之類去調(diào)酸味的。

2 初始條件和邊界條件

2.1 大壩基巖溫度

計(jì)算基巖溫度作為分析初始條件,壩底高程以上基巖溫度設(shè)為年平均氣溫13.7℃,壩底以下深度按每增加100 m溫度升高3℃設(shè)為初始溫度分布,計(jì)算可得巖基底初設(shè)為15.2℃。

2.2 邊界條件

溫度場(chǎng)計(jì)算中,地基4 個(gè)側(cè)面為絕熱面,底面為恒熱流邊界；地基表面為與大氣接觸的第三類散熱面,被水覆蓋后為第一類邊界；壩體上下游面及頂面為散熱面。

應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算中,地基4 個(gè)側(cè)面和底面、壩體左右側(cè)面均為法向約束。施工期考慮了混凝土自重、溫度、混凝土徐變、上游面水壓等荷載,蓄水運(yùn)行期考慮揚(yáng)壓力、淤沙、冰荷載等。

3 計(jì)算模型與條件

3.1 計(jì)算模型

有限元單元在高度方向約為0.5 m,沿壩體厚度方向根據(jù)混凝土的分區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。本次分析建立兩個(gè)不同壩寬（22 m、42 m）的模型。22 m壩段模型共劃分了28974 個(gè)單元,33084個(gè)節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)圖2）,42 m壩段模型共劃分了55274 個(gè)單元,60676 個(gè)節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)圖3）。

圖2 22m壩段及巖基的有限元模型

3.2 計(jì)算工況

（1）工況1,壩寬22 m,工期按照攔砂壩3#壩段設(shè)計(jì)施工進(jìn)度計(jì)劃模擬。

（2）工況2,在工況1 的條件下將壩寬變?yōu)?2 m的壩段,通過(guò)與工況1對(duì)比,分析不同壩寬壩體溫度應(yīng)力的影響情況。

3.3 計(jì)算條件

巖基計(jì)算模型從2020 年7 月1 日開(kāi)始,到壩段開(kāi)始澆筑前進(jìn)行252 天溫度計(jì)算。從2021 年3 月10 日開(kāi)始?jí)|層澆筑,到2021 年6 月13 日完成壩頂澆筑,采用分層逐倉(cāng)澆筑,每倉(cāng)的高度為2.0 m,共分為18 倉(cāng)進(jìn)行澆筑,施工天數(shù)95 天,澆筑溫度最高為22.4℃,最低為9.1℃。

4 不同大壩寬度的溫度應(yīng)力仿真分析

4.1 溫度場(chǎng)仿真分析

對(duì)比壩寬22 m、42 m兩種模型在第4 層、12 層、壩頂層的溫度分布云圖,在整個(gè)施工期壩體中上部形成較大片團(tuán)狀“中心高溫區(qū)”,見(jiàn)圖4。這是由于剛澆筑的混凝土水化放熱導(dǎo)致。高溫區(qū)隨著層厚增加高溫區(qū)不斷擴(kuò)大,后隨時(shí)間逐步縮小,這是因?yàn)榛炷僚c外界空氣和庫(kù)水發(fā)生熱交換不斷散熱。

工況1 在第4 層、12 層、壩頂層的入倉(cāng)溫度分別為9.1℃、18.8℃及22.4℃,澆筑完成后混凝土最高溫度分別為23.78℃、30.42℃及32.26℃,則各澆筑層的混凝土溫升分別為14.68℃、12.65℃、9.85℃。計(jì)算工況1的最大絕熱溫升14.68℃,壩體內(nèi)部最高溫度32.26℃。同理,計(jì)算工況2最大絕熱溫升為14.67℃,壩體內(nèi)部最高溫度為32.26℃（見(jiàn)圖4）。

圖4 完成壩頂澆筑的壩體溫度分布云圖（左：工況1，右：工況2）

對(duì)比兩種工況的溫度差異不明顯,分析由于壩段兩側(cè)均設(shè)置了絕熱邊界條件,壩體通過(guò)上下游表面的對(duì)流散熱,而壩寬是同步增加上下游表面,因此對(duì)整體溫度影響基本一致。

4.2 應(yīng)力場(chǎng)仿真分析

影響壩體應(yīng)力的主要因素是溫度分布產(chǎn)生的熱應(yīng)力,尤其是壩體降溫階段,容易在壩體上下游表面和壩踵壩址處上出現(xiàn)高拉應(yīng)力區(qū)。通過(guò)分析壩體典型壩段溫度變化引起的最大主應(yīng)力（拉）、最小主應(yīng)力（壓）的變化情況（見(jiàn)圖5）。

圖5 完成壩頂澆筑后壩體最大主應(yīng)力分布云圖（左：工況1，右：工況2）

工況1最大拉應(yīng)力0.87 MPa,低于堆石混凝土允許拉應(yīng)力1.72 MPa,主要集中在靠近巖基的壩體底層。在運(yùn)行期第一個(gè)冬季最大拉應(yīng)力2.07 MPa,位于上游面高程926 m處；第二個(gè)冬季最大拉應(yīng)力降低為1.98 MPa,位于壩踵壩址處。工況2 最大拉應(yīng)力0.83 MPa,第一個(gè)冬季最大拉應(yīng)力2.38 MPa,位于上游面高程926 m和壩址壩踵處；第二個(gè)冬季最大拉應(yīng)力降低為2.31 MPa。壩體最小主應(yīng)力（壓）一般低于1.0 MPa,遠(yuǎn)小于混凝土的極限抗壓值。

綜上所述,壩體總體應(yīng)力較小,但有三個(gè)應(yīng)力集中區(qū)其最大拉應(yīng)力值超過(guò)計(jì)算的允許拉應(yīng)力,在后期施工過(guò)程中存在一定的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。因此工況2 應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的溫控措施研究。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

（1）工況1最大絕熱溫升為14.68℃,壩體內(nèi)部最大溫度為32.26℃,工況2最大絕熱溫升為14.67℃,壩體內(nèi)部最高溫度為32.26℃,兩者差異不明顯。

（2）兩種工況完成壩頂澆筑后壩體內(nèi)部最大拉應(yīng)力低于1.0 MPa；最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在運(yùn)行期第一個(gè)冬季,位于上游面高程926 m、上游面壩踵及下游面壩址三處應(yīng)力集中區(qū),最大拉應(yīng)力均超過(guò)允許拉應(yīng)力值1.73 MPa。

（3）壩段整體拉應(yīng)力值低于1.0 MPa,但工況2 的最大拉應(yīng)力值高于工況10.3 MPa左右,且高拉應(yīng)力分布范圍也增大,說(shuō)明壩段越寬溫度應(yīng)力場(chǎng)變化越大。

5.2 建議

（1）原設(shè)計(jì)5 個(gè)壩段變更為3 個(gè)壩段的施工方案總體可行,減少了2 條橫縫后可以簡(jiǎn)化堆石混凝土施工工藝,提高了施工效率。

（2）在夏季澆筑期采取降低混凝土入倉(cāng)溫度措施,例如骨料搭蓋遮陽(yáng)棚、堆石料噴霧降溫、加快高自密實(shí)性能混凝土澆筑速率；避免剛澆筑完成的堆石混凝土直接暴曬、高溫季節(jié)盡量安排在早晚進(jìn)行開(kāi)倉(cāng)澆筑等。