于敬鐸

(遼寧西北發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117200)

1 工程概況

石橋水電站是遼寧省東部重要河流愛河下游干流上的重要水利樞紐工程，對解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)村電力供應(yīng)，控制環(huán)境污染具有十分重要的作用。根據(jù)工程設(shè)計(jì)，該水電站是一座以發(fā)電為主的綜合性小型徑流式水電站，設(shè)計(jì)庫容3664萬m3，裝機(jī)容量9600 kW[1]。石橋水電站工程主要由攔河壩、溢洪道以及引水發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成。其中，電站大壩壩型為混凝土重力壩，最大壩高為34.35 m，壩頂寬為7.00 m，坡比為1∶0.7。其中擋水壩段基建面高程為116.02 m，上游和下游設(shè)計(jì)水位分別為147.50 m和125.62 m，采用C30混凝土澆筑[2]。由于混凝土重力壩屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，澆筑過程中混凝土產(chǎn)生的水化熱不易散失，并產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力[3]。因此，研究不同溫控措施對混凝土的溫度應(yīng)力的影響，并選擇最為科學(xué)的溫控防裂方案，對大壩的順利建成和安全運(yùn)行具有重要意義。

2 ANSYS有限元計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型的構(gòu)建

ANSYS是美國ANSYS公司推出的一款工程仿真計(jì)算軟件，具有復(fù)合材料設(shè)計(jì)、建立三維組件、擴(kuò)展建模、動力學(xué)分析、流體力學(xué)分析、聲場分析以及結(jié)構(gòu)凈力分析等諸多領(lǐng)域的分析功能，可以用于結(jié)構(gòu)、流體、電力以及電磁和碰撞等方面問題的研究，在各個工程領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[4]。同時，在ANSYS有限元模型建成之后，僅需要對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，即可實(shí)現(xiàn)對不同工況下的有限元計(jì)算模型重建，具有多方案計(jì)算方面的便捷性[5]?；诖耍敬芜x擇ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算模型的構(gòu)建。由于大壩混凝土澆筑施工采用分段澆筑的方式，各個壩段相互獨(dú)立，因此對整個大壩進(jìn)行建模計(jì)算沒有具體的施工指導(dǎo)意義，還會大幅增加計(jì)算量[6]。因此，研究中選擇大壩的6#壩段的部分澆筑塊進(jìn)行建模分析。該澆筑塊的長寬均為19.0 m，高度為2.5 m，分為上下兩層。其中，底層為厚度1.0 m的墊層混凝土，上部為厚度1.5 m的C30混凝土。為了保證計(jì)算結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，模型豎直向下取10.0 m，上下游方向取19.0 m。模型以水流方向?yàn)閅軸的正方向，以垂直于Y軸指向右岸的方向?yàn)閄軸的正方向，以豎直向上的方向?yàn)閆軸的正方向。研究中選取鄧肯模型作為模擬計(jì)算的本構(gòu)模型，將壩體視為線彈性材料，利用SOLID70單元進(jìn)行模型的網(wǎng)格單元劃分，最終獲得24 924個計(jì)算單元，26 567個 計(jì)算節(jié)點(diǎn),有限元模型示意圖如圖1。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 邊界條件和計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型的溫度邊界條件為模型的表面部位為大氣氣溫加2 ℃，以模擬輻射熱的作用和影響；混凝土澆筑倉面的溫度為氣溫加2 ℃[7]。模型地基的各個側(cè)面設(shè)定為法向位移約束；模型的底面為全位移約束。大壩主體采用C30混凝土進(jìn)行澆筑，其不同齡期的彈性模量以及熱學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 混凝土材料的彈性模量與熱學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算方案

相關(guān)研究表明，大體積混凝土澆筑過程中的內(nèi)部最高溫度等于混凝土的入倉溫度與溫升之和。因此，過高的入倉溫度不僅利于后期混凝土內(nèi)部的溫度控制，同時還會造成最大溫度應(yīng)力出現(xiàn)時間提前，進(jìn)而增加溫度裂縫產(chǎn)生的風(fēng)險[8]。因此，當(dāng)前的大體積混凝土澆筑主要采取低溫入倉措施，并取得良好的溫控效果。但是，一味降低混凝土入倉溫度也有不利之處。由于上層混凝土的溫度比下部混凝土的溫度明顯偏低，其入倉過程會產(chǎn)生對下層混凝土的“冷擊”進(jìn)而造成拉力的超標(biāo)而產(chǎn)生裂縫?；诖?，研究中設(shè)計(jì)不同的外界環(huán)境溫度和入倉溫度，設(shè)計(jì)出如表2所示的計(jì)算方案，通過數(shù)值模擬研究，獲得最佳混凝土入倉溫度。

表2 入倉溫度計(jì)算方案 ℃

混凝土壩的溫度裂縫主要以表面裂縫為主，且多形成于澆筑的初期。雖然大部分表面裂縫并不會對大壩的澆筑質(zhì)量和安全造成顯著影響，但是也有可能發(fā)展成為深層裂縫乃至貫通性裂縫。因此，采取切實(shí)有效的表面保溫措施極為必要。但是，表面保溫措施并不是越強(qiáng)越好，過度保溫不僅會增大經(jīng)濟(jì)成本，還會造成混凝土結(jié)構(gòu)散熱能力下降，不利于后期的防裂控制?；诖?，研究中采取不同材料、不同厚度的表面保溫措施，設(shè)計(jì)出如表3所示的計(jì)算方案。

表3 保溫措施計(jì)算工況設(shè)計(jì) mm

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 入倉溫度的計(jì)算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元計(jì)算模型，對不同入倉溫度工況下的混凝土內(nèi)部的溫度和第一、第三主應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，并提取出如表4所示的計(jì)算結(jié)果最大值。由表中的計(jì)算結(jié)果可知，第一主應(yīng)力隨著混凝土入倉溫度和環(huán)境溫度溫差的增大而增大，第三主應(yīng)力隨著混凝土入倉溫度和環(huán)境溫度溫差的增大而減小。從第一主應(yīng)力的變化情況來看，當(dāng)溫差小于5 ℃時，隨著溫差的增大，第一主應(yīng)力的增大幅度較為有限，當(dāng)溫差大于5 ℃時，增加的速率較為迅速。鑒于主拉應(yīng)力是造成混凝土溫度裂縫的主要因素，在混凝土澆筑施工過程中，應(yīng)該時刻關(guān)注天氣和環(huán)境溫度的變化，將入倉溫度和環(huán)境溫度之差控制在5 ℃以內(nèi)。這不僅可以有效降低后期混凝土的溫升，也有利于控制施工成本和防止新入倉混凝土“冷擊”現(xiàn)象的負(fù)面影響。

表4 不同工況下溫度和應(yīng)力最大值

3.2 表面保溫措施的計(jì)算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的有限元計(jì)算模型，對不同表面溫控措施工況下的混凝土內(nèi)部的溫度和第一、第三主應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，并提取出如表5所示的計(jì)算結(jié)果最大值。由表中的計(jì)算結(jié)果可知，隨著混凝土表面保溫措施的不斷加強(qiáng)，混凝土中心部位所達(dá)到的最高溫度呈現(xiàn)出不斷增加的特征。究其原因，主要是保溫措施的加強(qiáng)不利于混凝土本身向外部環(huán)境散熱，進(jìn)而導(dǎo)致中心部位溫度的明顯升高。從第三主應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果來看，其最大壓應(yīng)力的值在2.5 MPa左右，這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于C30混凝土的抗壓強(qiáng)度值。從第一主應(yīng)力的最大值來看，BW1、BW2、BW3三種工況下的第一主應(yīng)力最大值已經(jīng)超過混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，BW4、BW6、BW7的第一主應(yīng)力最大值已經(jīng)十分接近C30混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。由此可見，BW5的保溫措施是最為適合的。也就是說，在大壩混凝土澆筑施工過程中，應(yīng)該采用鋼模板內(nèi)部貼聚乙烯泡沫保溫板的方式進(jìn)行表面保溫，厚度以2 cm 為宜。采用上述保溫措施，不僅可以保證混凝土表面的拉應(yīng)力不超過混凝土本身的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，保證混凝土表面不開裂，同時施工過程也比較簡單，有利于控制施工成本。

表5 不同工況下溫度和應(yīng)力最大值

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)溫差小于5 ℃時，隨著溫差的增大，第一主應(yīng)力的增大幅度較為有限，當(dāng)溫差大于5 ℃時，增加的速率較為迅速，建議將入倉溫度和環(huán)境溫度之差控制在5 ℃以內(nèi)。

(2)在大壩混凝土澆筑施工過程中，應(yīng)該采用鋼模板內(nèi)部貼聚乙烯泡沫保溫板的方式進(jìn)行表面保溫，厚度以2 cm為宜。