大古水电站大坝岸坡坝段温度应力特性及浇筑温度影响分析

陈亮, 颉志强, 王首豪

PDF(2488 KB)
节水灌溉
中国农村水利水电 ›› 2022 ›› (5) : 209-215.
水电建设

大古水电站大坝岸坡坝段温度应力特性及浇筑温度影响分析

作者信息 +

An Analysis of the Temperature Stress Characteristics and Pouring Temperature Influence of Bank Slope Dam Section of DG Hydropower Station

Author information +
稿件信息 +

摘要

研究和实践表明，控温浇筑与表面保温、通水降温都是重要的混凝土大坝施工防裂措施。然而，严格的浇筑温度控制指标，大多需要骨料风冷及加冰拌和来实现，会大幅增加混凝土生产成本。以地处高海拔地区的大古水电站岸坡坝段为研究对象，采用三维有限元法，系统研究了岸坡坝段混凝土施工期温度、应力及开裂特性。在此基础上，通过多工况仿真，比较了浇筑温度对岸坡坝段不同部位开裂特性的影响。结果表明，对于该工程而言，上下游面机拌变态混凝土需要严格控制浇筑温度，但坝体内部碾压混凝土浇筑温度可在设计指标基础上适当提高2~5 ℃。

Abstract

Research and engineering practice show that pouring temperature control is as important as surface insulation and water cooling for cracking-preventing of the concrete dam. However， most of the strict pouring temperature control indicators need the air cooling and ice mixing of aggregates， which will greatly increase the cost of concrete production. Taking the RCC dam bank slope dam section of DG hydropower station located at high altitude as the research object， this paper systematically studies the temperature， stress and cracking characteristics of the bank slope dam section concrete during construction by using the three-dimensional finite element method. On this basis， the effects of pouring temperature on the cracking characteristics of different parts of the dam are compared through multi-condition simulation. The results show that for the project， the pouring temperature of machine mixed abnormal concrete on the upstream and downstream surfaces needs to be strictly controlled， but the pouring temperature of RCC in the dam body can appropriately increase by 2~5 ℃ based on the design index.

关键词

碾压混凝土 / 岸坡坝段 / 温度应力 / 浇筑温度

Key words

roller-compacted concrete / bank slope dam section / temperature stress / pouring temperature

基金

国家自然科学基金青年基金项目(51509020)
中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2019394/GC)

引用本文

EndNote

Ris (Procite)

Bibtex

导出引用
陈亮 , 颉志强 , 王首豪. 大古水电站大坝岸坡坝段温度应力特性及浇筑温度影响分析[J].中国农村水利水电, 2022(5): 209-215
Liang CHEN , Zhi-qiang XIE , Shou-hao WANG. An Analysis of the Temperature Stress Characteristics and Pouring Temperature Influence of Bank Slope Dam Section of DG Hydropower Station[J].China Rural Water and Hydropower, 2022(5): 209-215

0 引 言

大古水电站位于西藏自治区山南市桑日县境内，工程主要任务为发电，水库正常蓄水位3 447.00 m，为日调节水库。电站装机容量为660 MW。拦河坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程3 451.00 m，最大坝高118.0 m，是目前国内在建海拔最高的碾压混凝土重力坝［1］。大古水电站坝址海拔较高（约3 500 m），呈现出“温差大、气压低、辐射强、空气干燥、大风频繁”等典型高原气候特征，对该地区混凝土结构防裂提出了更高的要求［2-5］。
裂缝是困扰混凝土坝建设质量的顽疾，经过数十年的研究与实践，我国已在大体积混凝土防裂领域取得了大量有价值的研究成果和先进经验［7］。然而，水利水电工程作为复杂的系统工程，各工程所处的地理气候环境、所采用的混凝土材料、结构形式、施工方式、运行条件都大有不同，因此混凝土裂缝仍然普遍存在。目前，国内已逐步形成了包括：材料改进、结构优化和自动化、智能化［8，9］施工措施在内的成套温控防裂方案。在施工措施中，控温浇筑与表面保温、通水冷却同等重要［10-12］。然而，包括：胶材留置、骨料风冷、加冰拌和、运输隔热等在内的混凝土控温生产、浇筑措施，会大幅增加施工成本。对于规模相对较小的工程，过于严格的浇筑温度控制指标，虽能起到较好防裂效果［13］，但会大幅增加施工成本。因此，从实际出发，在确保防裂效果前提下，优化浇筑温度控制指标是必要的。鉴于此，本文依托大古工程，选取其岸坡坝段为对象，通过数值模拟，系统研究了其在施工过程中的温度、应力及抗裂特性，在此基础上，研究了浇筑温度对防裂的影响，提出了浇筑温度指标合理化建议。

1 分析方法及工具

混凝土结构温度场、应力场仿真一般采用三维非线性有限元法，相关理论已较成熟［7］，这里不再赘述，仅简要介绍分析采用的软件。本文采用长江水利委员会长江科学院自主研发的混凝土结构温控仿分析软件Ckysts1.0，该软件是在长江科学院大体积混凝土结构温度场和温度应力三维有限元仿真计算程序包（包括温度场程序3DUSTEMP、应力程序3DCRCPCG及前后处理程序）基础上完善升级而成。后者是1992年长江科学院材料所为满足三峡工程建设相关研究需要自主研发，先后应用于三峡、南水北调穿黄工程、丹江口大坝加高工程、隔河岩、水布垭、构皮滩、彭水、广西平班、广西长洲、沐若、向家坝、溪洛渡、乌东德、引江济淮等大型工程的温控防裂研究及方案设计中。在三峡工程建设中，该软件包完成了所有主体结构（大坝、厂房、船闸、升船机等）的温控仿真分析，成果获各方一致认可和好评。如今，该软件包已经发展成为一整套完全自主知识产权的大型水工数值分析工具Ckysts，并完成了CPU+GPU的异构并行化改造［14-16］。

2 基本资料

2.1 计算模型

选取岸坡坝段（高97 m）作为研究对象，地基选取范围为上下游方向各选择1.5倍大坝长度；深度方向选取1.5倍坝高，建立三维有限元模型（见图1）。坐标轴X方向为顺水流方向，下游为正；坐标轴Y方向为坝轴线方向（横河向），左岸为正；坐标轴Z方向为竖直向，向上为正。模型采用8节点六面体单元，节点157 040个，单元141 835个，采用改进埋置冷却水管单元法［17］模拟通水冷却（见图2），水管单元共计52层。
图1 有限元模型及分层（地基未显示）

Fig.1 Finite element model and pouring layer

Full size|PPT slide

图2 冷却水管布置

Fig.2 Layout of cooling pipe

Full size|PPT slide

2.2 材料参数

2.2.1 混凝土配合比及力学参数

岸坡坝段采用三种混凝土，相应的配合比及力学参数见表1。
表1 混凝土配合比及弹性模量

Tab.1 Mix proportion and elastic modulus of concrete

混凝土 类型 级配 水灰比 粉煤灰掺量/% 容重/（kg·m-3） 泊松比 抗压弹模/GPa 抗压强度/MPa
7 d 28 d 90 d 180 d 7 d 28 d 90 d
R9015 碾压 三级 0.55 60 2 420 0.167 10.6 15.6 19.9 21.7 8.1 13.3 21.8
R9020 碾压 二级 0.50 50 2 400 0.167 14.4 18.7 23.6 24.2 11.4 19.4 29.1
C9020 常态 三级 0.50 25 2 380 0.167 16.3 19.3 22.3 23.9 15.7 25.1 31.7

2.2.2 热学参数

根据材料性能试验成果，混凝土热学性能参数见表2。
表2 混凝土热学性能参数

Tab.2 Thermal performance parameters of concrete

类型 导温系数/（10-3 m2·h-1） 导热系数/［kJ·（m·h·℃）-1］ 比热/［kJ·（kg·℃）-1］ 线胀系数/×10-6/℃ 绝热温升/℃
R9015 2.46 5.58 0.938 7.9 Tr=17.57tt+3.286
R9020 2.62 6.06 0.964 8.0 Tr=23.08tt+3.498
C9020 2.77 6.64 1.012 8.1 Tr=31.98tt+2.860

2.3 环境温度

仿真计算所采用的环境温度，根据坝址区历史气象资料拟合如下式：
Tc(t)=10.2+7.9sin2π365(t-100)
式中： Tc(t)为t时刻温度，℃；t为时间，d。

2.4 混凝土浇筑温度控制

仿真计算中，各层浇筑温度严格按照设计要求（见表3）模拟，根据当地平均温度提前30年起进行温度场计算至浇筑时刻，得到地基初始温度场。
表3 浇筑温度控制值

Tab.3 Pouring temperature requirements

浇筑时间

0＜h≤0.2 L

（强约束区）

0.2 L＜h≤0.4 L

（弱约束区）

h＞0.4 L

（自由区）

常态 碾压 常态 碾压 常态 碾压
11月中旬-次年3月中旬 ≥6 ℃ ≥6 ℃ ≥6 ℃ ≥6 ℃ ≥6 ℃ ≥6 ℃
3月下旬及10月中旬-11月上旬 自然入仓 月均气温+3 ℃ 自然入仓 月均气温+3 ℃ 自然入仓 月均气温+3 ℃
4月上旬-10月上旬 ≤12 ℃ ≤12 ℃ ≤14 ℃ ≤14 ℃ ≤16 ℃ ≤16 ℃
注： L为浇筑块长边尺寸；h为自浇筑块最低建基面（或老混凝土面）起算的坝高。

2.5 通水冷却

仿真计算中，通水冷却过程按照设计要求模拟，岸坡坝段混凝土下料即开始一期通水冷却；基础约束区进口水温不超过10 ℃，自由区不超过12 ℃；碾压混凝土降温速度不大于0.5 ℃/d，进口水温与最高温度之差不超过20 ℃；常态混凝土降温速度不大于1 ℃/d。温差不超过25 ℃；通水时间不少于28 d；高温季节（4月上旬-10月上旬）浇筑的混凝土入冬前进行中期通水。9月开始，对本年度高温季节浇筑的混凝土进行中期降温，目标温度16 ℃。

2.6 表面保温

仿真计算中，各层保温措施严格按照设计要求（见表4）模拟。
表4 表面保温要求

Tab.4 Surface insulation requirements

位 置 时 段
4月下旬-10月上旬 10月中旬-次年4月
上下游面 上下游表面采用5 cm厚的聚苯乙烯（EPS）板保温 贴保温材料（5 cm聚苯乙烯板）；钢模板外嵌贴3 cm厚聚苯乙烯板
仓面保温 仓面采用2 cm保温被进行仓面保温 采用4 cm保温被进行仓面保温
注：低温季节长间歇期（12-2月）采取15 cm大坝保温被（或同等效果的聚苯乙烯保温卷材）进行仓面保温。

2.7 分层及间歇期

浇筑分层按照设计及实施性进度计划模拟：常态混凝土强约束区层厚不宜超过1.5 m，间歇5～7 d；弱约束区和自由区层厚不宜超过3.0 m，间歇7～10 d。碾压混凝土强约束区层厚不宜超过1.5 m，间歇10 d；弱约束区和自由区层厚不宜超过3.0 m，间歇12 d。

2.8 特征点

各浇筑层布置3个特征点，分别位于各浇筑层中心线上（左右和高程均位于中心），上下游面特征点分别距离表面50 cm，中心点位于仓面中心。

2.9 抗裂安全度

混凝土抗裂安全度按式（2）定义，后续分析中“最小抗裂安全度”为计算周期内（2019年7月浇筑至2020年3月越冬结束期间的温度应力场）的k最小值：
kt=f(t)σ1t
式中：t为混凝土龄期，d；k（t）为龄期t时混凝土抗裂安全度，1； f（t）为龄期t时混凝土强度（本次分析中采用虚拟强度），MPa； σ1t为龄期t时的混凝土第一主应力，MPa。结合以往工程经验，抗裂安全度指标取1.8。

3 岸坡坝段温度应力特性分析

3.1 岸坡坝段温度场时空分布特性

根据进度，在设计温控措施下，2019年7月底至9月初浇筑的3 355.5~3 375 m高程内各浇筑层均温统计见表5。结果表明，由于连续浇筑，温度分布基本均匀，层间温差不大。各层均温峰值多在21~23 ℃；各层一冷降温速率基本不大于0.3 ℃/d，一冷结束时，各层温度基本在17~18 ℃。10月初进行中期冷却，大坝温度持续降低至16~17 ℃；此后越冬，绝大多数浇筑层持续降温，至次年3月底，各层温度基本在13 ℃左右，且越冬期降温缓慢，温降幅度2~3 ℃左右，降温速率满足防裂要求。
表5 各浇筑层平均温度统计

Tab.5 Summary of average temperature of each pouring layer

高程范围/m 峰值温度/℃ 一冷结束温度/℃ 降温速率/（℃·d-1） 越冬后温度/℃
3 356.0~3 358.0 22.39 17.57 0.24 11.53
3 358.0~3 359.5 21.73 17.31 0.21 13.85
3 359.5~3 361.0 21.88 17.29 0.22 13.50
3 361.0~3 362.5 21.78 17.30 0.22 13.56
3 362.5~3 364.0 21.75 17.34 0.22 13.52
3 364.0~3 365.0 21.33 17.85 0.15 13.31
3 365.0~3 366.5 21.37 17.97 0.16 13.33
3 366.5~3 368.0 22.09 17.63 0.21 13.77
3 368.0~3 369.5 21.86 17.73 0.21 13.38
3 369.5~3 371.0 22.03 17.77 0.21 13.36
3 371.0~3 372.5 22.10 17.73 0.22 13.25
3 372.5~3 374.0 22.18 17.58 0.23 13.33
3 374.0~3 375.0 21.36 19.13 0.10 13.23
温度分布方面，按实施性进度及温控措施，上下游面不同高程峰值温度在28 ℃左右，各层内部峰值温度基本在20~21 ℃左右（图3）。水管有效控制了内部峰值温度。上下游面附近采用常态混凝土（机制变态，胶材用量大），同时表面采用了EPS板保温，因此其峰值温度高于内部（见图4、5）。越冬期，坝体温度降至最低值（图6），表面8 ℃左右，而中心15~17 ℃之间，中心温度随高程上升而略有上升。
图3 不同高程特征点最高温度

Fig.3 Maximum temperature of typical points at different elevations

Full size|PPT slide

图4 最高温度包络图（单位：℃）

Fig.4 Maximum temperature envelope

Full size|PPT slide

图5 最低温度包络图（单位：℃）

Fig.5 Minimum temperature envelope

Full size|PPT slide

图6 不同高程特征点最低温度

Fig.6 Minimum temperature of typical points at different elevations

Full size|PPT slide

温度发展历程方面，以中间高程3 360.5 m特征点为例，表面和内部温度均经历了先上升后下降直至稳定的过程。早期水泥水化放热混凝土升温，此后在冷却降、散热、导热作用下，温度下降。一冷结束后，内部温度降温至16 ℃左右，并在此后保持基本稳定。外部由于存在持续散热作用，温度因此进一步降低，越冬期间温度降低至8 ℃左右（见图7）。
图7 高程3 360.5 m不同位置特征点温度历程

Fig.7 Temperature history of typical points at different locations with an elevation of 3 360.5 m

Full size|PPT slide

3.2 岸坡段应力场时空分布特性

图8、9为2019年8月至2020年3月，岸坡段应力及抗裂安全度分布。现有施工进度及温控措施下，岸坡段最大应力集中在上下游面，尤其在与基岩接触的贴角部位（开裂风险最高），最大应力超过了2.5 MPa，坝段内部应力较小。不同高程特征点最大应力及最小抗裂安全度分布见图10、11。各部位最大应力受所在高程位置及浇筑进度影响比较明显。3 362 m高程以下，随高程上升（距离底部约束越远），最大主应力逐渐减小，至3 362 m高程时，根据进度安排，存在较长间歇期（15 d左右），下部混凝土约束较大，其上部混凝土早期最大应力较大。此后，随高程上升，应力逐渐变小。3 374 m高程时，存在较长间歇期（20 d左右），其上混凝土早期最大应力增大更为明显。上述结果表明，间歇期越长，对混凝土防裂越不利。
图8 最大应力包络图（单位：MPa）

Fig.8 Maximum stress envelope

Full size|PPT slide

图9 岸坡段最小抗裂安全度分布

Fig.9 Minimum crack safety distribution

Full size|PPT slide

图10 不同高程特征点最大主应力

Fig.10 Maximum temperature of typical points at different elevations

Full size|PPT slide

图11 不同高程特征点最小抗裂安全度

Fig.11 Maximum temperature of typical points at different elevations

Full size|PPT slide

现有措施下，上下游面尤其是贴角部位，在越冬期很难达到1.8的抗裂安全度，尤其是下游面靠近底部垫层位置，最小抗裂安全度1.0左右（开裂风险极高）。相比之下，大坝内部应力很小，最大应力均在一冷期间，最小抗裂安全度均大于2.0，说明内部再开裂风险极低。由典型高程特征点应力历程（见图12）可知，上下游面出现抗裂安全度小于1.8主要是越冬期降温所产生的应力超过了相应的允许应力所致。因此，在施工期可通过适当减小表面保温力度（切忌盲目大力度保温，确保有一定散热能力）以控制峰值温度，减小基础温差。此外应适当延长中期通水时长，减小内外温差，提升表面抗裂安全度。
图12 3 360.5 m高程不同位置特征点第一主应力σ 1历程

Fig.12 Stress σ 1 history of typical points at different locations with an elevation of 3 360.5 m

Full size|PPT slide

3.3 浇筑温度对岸坡坝段温度应力的影响

在其他条件不变情况下，浇筑温度在设计浇筑温度基础上提高2~5 ℃进行分析。
在对浇筑层平均温度的影响方面，浇筑温度上升高2 ℃和5 ℃，岸坡段不同浇筑层的峰值温度分别上升1~3 ℃左右（见图13），沿高程峰值温度均匀，浇筑温度提高，温峰时间略有提前。一冷后各层平均温度差异在1.0 ℃，降温速率差别在0.1 ℃/d以内。越冬结束后，各层平均温度差异极小（0.5 ℃左右）。
图13 浇筑温度对浇筑层均温峰值的影响

Fig.13 Influence of pouring temperature on peak average temperature

Full size|PPT slide

对应力影响方面，从浇筑至次年3月份，表面及内部第一主应力的最大值随着浇筑温度升高而增大。浇筑温度提高2 ℃和5 ℃，上、下游面力分别增加0.1到0.2 MPa。对应的抗裂安全度方面，浇筑温度越高，内部（图14）及上、下游面（图15~图16）最小抗裂安全度值越低。岸坡段靠近底部垫层的下游面最小抗裂安全度在1.0左右，浇筑温度上升5 ℃后，早期抗裂安全度仅为0.95，开裂风险极高。因此，对上下游面的机拌变态混凝土（常态混凝土），必须严格控制浇筑温度。而对于占坝体主要方量的碾压混凝土，在现有的温控措施下，浇筑温度提高2~5 ℃，对内部抗裂安全度影响较小。综合考虑，提高碾压混凝土浇筑温度控制指标，对抗裂安全影响小且可以大幅节约成本。
图14 浇筑温度对中心特征点最大应力影响

Fig.14 Influence of pouring temperature on maximum stress of center typical points

Full size|PPT slide

图15 浇筑温度对上游面特征点最大应力的影响

Fig.15 Influence of pouring temperature on maximum stress of upstream typical points

Full size|PPT slide

图16 浇筑温度对上游面裂安全度最小值的影响

Fig.16 Influence of pouring temperature on maximum stress of upstream typical points

Full size|PPT slide

4 结 论

（1）采取设计温控措施条件下，岸坡段温度场分布基本均匀，各浇筑层间的平均温度差别不大。内部峰值温度基本控制在20~21 ℃，一期通水冷却结束时，普遍在16 ℃左右，外部在越冬结束时表面能够达到8 ℃左右，峰值温度、降温速率均满足设计要求。
（2）应力方面，根据目前的施工进度及防裂方案，岸坡段混凝土最大应力基本出现在上下游表面，开裂风险最高的是表面与贴角部位。内部点最大应力很小，历史最大应力均出现在一期通水冷却时，且无开裂风险。两个较长的施工间歇面上下混凝土应力较大，建议调整施工进度安排，缩短施工间歇。
（3）对于岸坡坝段而言，一期通水后岸坡段内部温度在16~17 ℃，建议延迟岸坡段通水冷却时长，进一步减小越冬期的内外温差。同时对于4-10月浇筑的混凝土，切忌在施工期间盲目大力度表面保温，要确保表面抵御昼夜温差变温前提下有一定的散热能力，否则越冬期表面开裂风险更高。
（4）浇筑温度方面，浇筑温度对峰值温度和温峰时间有一定影响，但对降温速率、一期结束时的坝体平均温度影响有限。应力方面，浇筑温度上升对上下游面防裂不利，但由于岸坡段内部应力水平较低，浇筑温度适当上升对岸坡段内部应力及抗裂安全影响有限。因此，建议严格控制机拌变态混凝土浇筑温度前提下，岸坡段碾压浇筑混凝土控制标准可提高2~5 ℃，以控制成本。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
1
李新宇，谢国帅，姜宏军. 西藏大古水电站原材料优选与混凝土性能试验［C］// 国际碾压混凝土坝技术新进展与水库大坝高质量建设管理—中国大坝工程学会2019学术年会论文集. 北京：中国三峡出版社， 2019：247-253.
本文引用 [1]
2
姜宏军，吴世勇，周廷清，等. 西藏大古水电站RCC重力坝温控及防裂设计研究［C］//国际碾压混凝土坝技术新进展与水库大坝高质量建设管理—中国大坝工程学会2019学术年会论文集. 北京：中国三峡出版社， 2019：125-132.
本文引用 [1]
3
蒋小健，秦明豪，王立成. 新疆某工程碾压混凝土坝施工期温控防裂［J］. 大坝与安全，2020（4）：57-63.
4
苏鹏，王荣荣，王晓峰，等. 西藏高海拔寒冷地区碾压混凝土筑坝影响因素及施工温控措施［J］. 红水河， 2020（2）：15-19.
5
蔡畅，路明.大古水电站碾压混凝土试验研究［J］.水利建设与管理，2020（3）：45-52，79.
本文引用 [1]
6
胡中阔.西藏高海拔复杂气候条件下碾压混凝土筑坝关键技术［J］.红水河，2021（4）：6-11，31.
7
朱伯芳. 大体积混凝土温度应力与温度控制［M］. 北京： 中国电力出版社， 1999.
本文引用 [2]
8
林鹏，李庆斌，周绍武，等. 大体积混凝土通水冷却智能温度控制方法与系统［J］. 水利学报， 2013，44（8）：950-957.
本文引用 [1]
9
张磊，王建，范瑞朋，等.基于智能温控的混凝土坝个性化温控优化方法研究［J］.水利水电技术（中英文），2021，52（8）：11-16.
本文引用 [1]
10
朱岳明，贺金仁，刘勇军. 龙滩高RCC重力坝夏季不同浇筑温度的温控防裂研究［J］. 水力发电， 2002（11）：32-36，73.
本文引用 [1]
11
杨映，景霞娟，朱振泱.高寒地区混凝土坝高温度峰值区域的温控防裂［J］.水利水电技术（中英文），2021，52（8）：17-26.
12
盛瑶. 考虑粉煤灰掺量的碾压混凝土绝热温升试验及温控仿真研究［D］. 西安：西安理工大学，2021.
本文引用 [1]
13
任喜平. 三河口碾压混凝土大坝浇筑温度有限元分析［J］. 人民黄河， 2021，43（6）：131-135.
本文引用 [1]
14
LIN S Z， XIE Z Q. A Jacobi_PCG solver for sparse linear systems on multi-GPU cluster［J］. Supercomputing， 2017，73（1）：433-454.
本文引用 [1]
15
XIE Z Q， WANG L， ZHU Z Y， et al. Simulation of the temperature field for massive concrete structures using an interval finite element method［J］. Engineering Computations， 37（7）：2 467-2486.
16
颉志强. 多CPU+多GPU 并行在温度应力仿真分析中的应用［R］. 武汉：长江科学院， 2016.
本文引用 [1]
17
颉志强. 水工混凝土温控仿真若干关键算法研究及应用［D］. 南京：河海大学， 2012.
本文引用 [1]
PDF(2488 KB)

573

访问

0

引用

详细情况
段落导航
相关文章
鄂公网安备 42010602001274号　鄂ICP备14015464号-1
网站版权所有 © 《中国农村水利水电》编辑部
地址：武汉大学二区《中国农村水利水电》编辑部　邮编：430072
电话：(027)68776133　传真：xsdbjb@188.com　
本系统由北京玛格泰克科技发展有限公司设计开发　技术支持：support@magtech.com.cn

/

〈 〉