鄭璀瑩 張國新 費晶 陳宏

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.貴州烏江清水河水電開發(fā)有限公司，中國貴陽 550001；3.貴陽市水利水電勘測設(shè)計研究院，中國貴陽 550002）

1 前言

大花水水電站位于貴州清水河中游，為清水河干流水電梯級開發(fā)的第3級，總裝機容量200MW。大壩壩型為碾壓混凝土雙曲薄拱壩，壩址位于高山峽谷區(qū)，邊坡高而陡峭，壩體呈不對稱布置，最大壩高134.5m，壩頂寬7m，壩底拱冠厚23.0m，厚高比為0.186，是目前國內(nèi)乃至世界最高、最薄且首先采用壩體自身泄洪的碾壓混凝土雙曲拱壩。拱壩壩體大體積混凝土為C20三級配碾壓混凝土，壩體上游面采用二級配碾壓混凝土自身防滲。大花水拱壩于2005年4月底開始碾壓，汛前澆至底層灌漿廊道755m高程停工度汛，2005年汛后大壩繼續(xù)上升，于2006年11月初完成拱壩的碾壓混凝土施工。

大花水碾壓混凝土壩在施工過程中，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)拱壩和左岸重力墩發(fā)生的裂縫，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，目前共發(fā)現(xiàn)裂縫26條，其中拱壩16條，重力墩11條。其中，拱壩裂縫大部分分布在800m高程以上的兩岸壩肩，并有多條裂縫為貫穿性裂縫。裂縫的發(fā)生對大壩的運行性態(tài)將會帶來一定影響，因此對大壩裂縫成因進行深入分析，十分必要。

本文通過研究分析大花水碾壓混凝土拱壩施工及觀測資料，通過反饋分析確定計算參數(shù)，采用實測的氣溫作為邊界條件，對施工期全過程的溫度場和應(yīng)力場進行仿真模擬，并對裂縫成因進行深入細(xì)致的分析，為大壩的安全運行提供參考。

2 計算模型及參數(shù)

大花水施工期仿真分析采用三維有限元法進行，計算模型包括基礎(chǔ)、拱壩和左岸重力壩，考慮了中孔、表孔等壩體結(jié)構(gòu)，模擬了壩體2#，3#誘導(dǎo)縫和壩體與左岸重力壩之間的周邊縫，共有節(jié)點135，751個，單元109，348個，有限元網(wǎng)格如圖1。

圖1 大花水仿真分析有限元網(wǎng)格示意圖

圖2 大花水雙曲混凝土拱壩和左岸重力壩施工進度圖

仿真分析根據(jù)實際施工進度（如圖2）模擬了大花水拱壩和左岸重力墩的施工過程。計算時段從2005年4月第一倉混凝土澆筑開始到2007年7月混凝土澆筑完畢結(jié)束。計算過程中，碾壓混凝土的熱力學(xué)參數(shù)表1和表2。

在計算過程中，根據(jù)施工現(xiàn)場實際觀測的溫度和氣溫資料，對施工過程中混凝土表面保護、水管冷卻等措施的效果進行了反饋分析，并根據(jù)反饋分析結(jié)果對計算參數(shù)進行調(diào)整。

3 施工期溫度場仿真分析

對大花水拱壩和左岸重力壩施工期的溫度場進行仿真模擬，可得施工期間大壩任意部位任意時刻的溫度分布。

對拱壩拱冠梁斷面，取760m、780m、790m、 800m、 810m、 820m、 830m、 836m、840m和850高程壩體中心點作溫度過程線，并與混凝土溫度計觀測過程進行對比，如圖3。

根據(jù)圖3，除溫度計 TB8在2006年 10月以前的觀測數(shù)據(jù)異常，以及計算所得790m、800m高程后期溫度變化過程與溫度計TB6、TB7的觀測過程有所差異之外，其他高程混凝土內(nèi)部溫度的計算結(jié)果與相應(yīng)高程溫度計實測結(jié)果基本吻合?？梢哉J(rèn)為仿真計算結(jié)果基本符合實際情況，比較真實地模擬了大壩施工期的溫度狀況。

將拱冠梁內(nèi)部混凝土最高溫度的計算值和觀測值進行對比，如表3。溫度計TB8早期觀測數(shù)據(jù)異常，未能觀測到最高溫度，TB10最高溫度計算值和觀測值相差1.3℃，而其余測點計算所得最高溫度與觀測最高溫度值相差小于0.7℃，相對誤差在2%以內(nèi)。計算結(jié)果與實測結(jié)果最高溫度值基本一致。

取拱壩的中面，作最大溫度包絡(luò)圖，如圖4所示。根據(jù)中面最大溫度包絡(luò)圖，745m-755m高程范圍內(nèi)的基礎(chǔ)約束區(qū)、壩體815m-825m區(qū)域，以及左、右岸846m高程以上均有一定范圍的高溫區(qū)，最高溫度超過40℃。

表1 大花水水電站混凝土力學(xué)性能參數(shù)

表2 大花水水電站混凝土熱學(xué)性能參數(shù)

圖3 施工期混凝土內(nèi)部溫度計算值與觀測值對比

圖4 大花水拱壩施工期中面最高溫度包絡(luò)圖（下游立視，℃）

表3 拱冠梁斷面內(nèi)部混凝土最高溫度的計算值和觀測值對比

從施工過程來看，混凝土在澆筑碾壓時，入倉溫度基本與氣溫接近，且壩體連續(xù)碾壓上升，因此高溫季節(jié)施工的混凝土內(nèi)部最高溫度較高。755m以下高程的混凝土于2005年4月7日-2005年4月27日澆筑，在20天時間內(nèi)連續(xù)碾壓上升17.5m，且沒有水冷措施，根據(jù)溫度包絡(luò)圖，混凝土內(nèi)部最高溫度接近40℃。壩體815m-825m高程范圍內(nèi)的混凝土于2006年4月22日-2006年5月9日澆筑，入倉溫度約為21-25℃，并且混凝土澆筑碾壓完后9-14天才開始通水冷卻，通水時間較晚使得水管冷卻沒有起到很好的削峰作用，內(nèi)部混凝土最高溫度達(dá)42-43℃。壩體846m高程以上左、右岸混凝土均在高溫季節(jié)澆筑，右岸846m高程以上混凝土于2006年7月15日-2006年8月13日碾壓施工完畢，澆筑期間混凝土最低入倉溫度為24℃，大部分混凝土入倉溫度為27-30℃；左岸混凝土于2006年10月4日-2006年11月1日澆筑，入倉溫度19-25℃，加上通水冷卻不及時，大壩上部左、右岸混凝土內(nèi)部最高溫度均超過40℃，右岸局部區(qū)域最高溫度達(dá)50℃。

根據(jù)溫度場的仿真計算結(jié)果可知，大花水碾壓混凝土拱壩在施工過程中，由于混凝土入倉溫度沒有采取特別的控制措施，而局部區(qū)域通水冷卻不及時，導(dǎo)致夏季澆筑碾壓的混凝土內(nèi)部最高溫度超過40℃。溫度峰值高導(dǎo)致的溫差過大產(chǎn)生較高的溫度應(yīng)力，這是導(dǎo)致大壩裂縫產(chǎn)生的重要原因。

4 施工期應(yīng)力場仿真分析

對大花水拱壩和左岸重力壩進行施工期應(yīng)力場的仿真模擬，可得大壩施工期間任意部位任意時刻的應(yīng)力分布。

取拱壩的中面，作施工期第一主應(yīng)力包絡(luò)圖，如圖5。中面施工期第一主應(yīng)力包絡(luò)圖反映出施工過程中壩體內(nèi)部應(yīng)力較高的區(qū)域包括：（1）壩底750m高程以下區(qū)域；（2）左岸815m-825m，835m-845m，和壩肩855m高程以上區(qū)域；（3）右岸 810-815m，840-850m和右壩肩840m以上區(qū)域；（4）中孔上面、820m高程附近區(qū)域。最大σ1應(yīng)力超過2.0MPa。

對比拱壩內(nèi)部溫度場和應(yīng)力場的包絡(luò)圖，應(yīng)力超標(biāo)的區(qū)域與溫度峰值接近或超過40度的區(qū)域基本吻合，而這些區(qū)域正是9#、6#、18#、19#、1#和5#等拱壩裂縫產(chǎn)生的區(qū)域（如圖 6）。

5 結(jié)語

通過反饋分析，調(diào)整仿真計算參數(shù)使之與工程實際吻合，則能夠使仿真計算結(jié)果基本符合大壩施工期的實際情況，所得計算結(jié)果對實際工程有指導(dǎo)意義。

圖5 大花水拱壩施工期中面第一主應(yīng)力包絡(luò)圖（下游立視，MPa）

圖6 大花水拱壩裂縫分布圖

通過施工期溫度場和應(yīng)力場的仿真分析可知，大花水碾壓混凝土拱壩在施工過程中，沒有采取措施控制混凝土的入倉溫度，在高溫季節(jié)澆注的混凝土入倉溫度與氣溫相近，而局部區(qū)域通水冷卻又不及時，沒能發(fā)揮通水冷卻的“削峰”作用，導(dǎo)致高溫澆筑碾壓的混凝土內(nèi)部最高溫度超過40℃。溫度峰值較高的區(qū)域因溫差大內(nèi)部產(chǎn)生超標(biāo)溫度應(yīng)力，這是導(dǎo)致大壩裂縫產(chǎn)生的重要原因。

對于碾壓混凝土壩，如果不能避免在高溫季節(jié)施工，則應(yīng)采取降低混凝土澆筑溫度，并根據(jù)需要及時通水冷卻等措施，來降低混凝土的溫度峰值，以避免裂縫產(chǎn)生。

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社，1999.3

[2]張國新.大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工期溫度場、溫度應(yīng)力分析程序包SapTis編制說明及用戶手冊.1994

[3]張國新、許平等.整體拱壩的仿真與可行溫控措施[J].北京：水利水電技術(shù).2002.11

[4]中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)所.大花水碾壓混凝土拱壩施工期反演分析及初次蓄水仿真分析[R].2007.8

[5]鄭璀瑩、張國新等.陳村拱壩的裂縫成因分析[C].昆明：Hydropower2006.2006.10