某碾压混凝土重力坝温控仿真分析研究

如图 2 所示，坝体在中上部存在一个高温区，最大温度 为 3 3.8 1℃；在强弱约束区交界附近存在一个低温区，最小 温度为 2 4.2 4℃；整体看从下到上最大温度逐步上升，底部
关键词：温度场；温度应力场；仿真计算；有限元法
中图分类号：TV544. 92
文献标识码：A
文章编号：1006- 7973（2011）09- 0088- 02
一、工程概况 某水电站位于 云南境内，工程是以发电为 主的水电枢纽 工程，电站装机容量为 2,1 00 MW。拦河坝为碾压混凝土重 力坝，坝顶高程 1,0 82 .00 m ，最大坝高 16 5 .0 0 m ，为高碾 压混凝土坝。 二、计算模型及基本资料 1．计算模型 以溢流坝段建 立三维有限元模型网格。建 基面高程以下 基岩厚度取 1 .5 倍坝高，上下游方向取 1 .5 倍坝高。离散坝 体及坝基岩体采用空间 8 节点等参实体单元，坝段铅直向单 元层厚 0 .5 m ，上下游方向分为 10 层单元，上下游面处较 密，中心较稀。整个坝段模型共剖分单元 11 ,09 0 个，节点 9 ,01 8 个，其中大坝坝体剖分单元 1 0,4 30 个，基岩结构剖 分单元 6 60 个。 2．基本计算资料 溢流坝段混凝土开始浇筑时间为第 3 年 7 月上旬，第 5 年 1 1 月中旬导流洞下闸封堵。坝址多年平均气温 1 6 .9 ℃， 多年平均水温 1 4.2 ℃。温控计算分析方案如下： ① 强约束区混凝土：全年浇筑温度不超过 17 ℃，1 .5 m 浇筑层厚，5 ~7 d 间歇期。4~ 10 月施工时，水管间距 1.5 m ×1 .5m （水平 ×铅直），在开始 浇筑的同时通 1 2 ℃制冷水 2 1~ 25 d，仓面喷雾，仓面保温。1 1 ～翌年 3 月施工时，水 管间距 1.5 m ×3 .0m （水平×铅直），在浇筑 12 h 后通 12 ℃制冷水 2 1~ 25 d 。 ② 弱约束区混凝土：全年浇筑温度不超过 17 ℃，3 .0 m 浇筑层厚，5 ~7 d 间歇期。4~ 10 月施工时，水管间距 1.5 m ×1 .5m （水平 ×铅直），在开始 浇筑的同时通 1 2 ℃制冷水 2 1~ 25 d，仓面喷雾，仓面保温。1 1~ 翌年 3 月施工时，水管 间距 1 .5m ×3.0 m（水平×铅直），在浇筑 1 2h 后通 12 ℃制 冷水 2 1~ 25 d 。 ③ 非约束区混凝土：全年浇筑温度不超过 20 ℃，3 .0 m 浇筑层厚，5 ~7 d 间歇期。当 5 ~9 月施工时，水管间距 1 .5 m × 3.0 m （ 水平 × 铅 直）， 在 浇 筑 12 h 后 通 1 4 ℃ 制冷 水 2 1~ 25 d，仓面喷雾，仓面保温。 依据该工程的实验资料，仿真计算参数如表 1 所示。
冷却强度相对较弱，综合因素造成了较高的温升。
从 图 1 各 特征 点 温度 历 程曲 线 可以 看 出， 当 计算 到
1 ,10 0d（约 3 年）时，坝体内部各点均未达到稳定温度，要
达到稳定温度场还需要相当长的时间。
37
35 33
31
29
℃ 27
度 温2523211917
15
13 0
垫层 50 米
8. 5 米 73 米
18 米 11 0 米
30 米
30 0 6 0 0 9 00 12 0 0 1 5 00 18 0 0 2 1 00 2 40 0 2 7 00 3 00 0 3 3 0 0 3 60 0 39 0 0 4 2 00 4 50 0 4 8 0 0 5 10 0 时 间（ 天）
图 1 某碾压混凝土溢流坝段内部中心部位特征点温度历程线
收稿日期：2 01 1- 0 6- 18 作者简介：杨道林，青海省乐都县水务局。
表 1 某碾压混凝土溢流坝段仿真计算参数
参数
α 导温系数 / （m2/ d） λ 导热系数 / （kJ/ d·m·℃）
坝 体混 凝土 0.068 231
基岩 0.09 220
比热 C/ （kJ/ kg·℃）
热 交换 系数 β/（kJ/（ m2·d·℃））
第 11 卷 第 9 期 2011 年 9 月
中国水运 Chi na Wat er Tr a ns por t
Vol . 11 Se pt embe r
No. 9 2011
某碾压混凝土重力坝温控仿真分析研究
杨道林 1，宋维见 2，张庆苓 3，郝中立 2
（1 青海省乐都县水务局，青海 乐都 81 0700；2 山东临沂水利工程总公司，山东 临沂 276006；
3 山东费县马庄水库管理所，山东 费县 273400）
摘 要：文中以某碾压混凝土坝溢流坝段为研究 对象，采用三维有限元法，对其温度场及温度应力进行全过程仿真
分析，得到了其温度场及温度应力变化的一般规律。仿 真中考虑了混凝土绝热温升随时间的变化、通水冷却、分层
浇筑和气温环境的变化等因素，仿真结果提出了该大坝温控方案，可为同类工程的设计与施工提供参考。
α 线膨胀系数 / 10- 6℃
0.91 1000 8.0
0.95 1200
9
混凝土绝热温升公式/ ℃
ρ 密度 / （kg/ m3）
θ= 1（ 8 1 e 0. 13τ）
2420
2600
弹性模量 E/ MPa
E = 35 00 0 (1 e ) 0 .42 t 0.5
25000
泊 松比 ν 徐变度 C/ 10- 6
0.167
0.26
[ ] C = (1 1 .85 + 12 6 .15 /τ) 1 e 0. 18 ( t τ)
三、温度场计算结果分析
如图 1 所示， 强约束区（特征点为图 1 所示的垫层 、
8 .5m 和 1 8m ）最高温度均小于 2 7℃的最高温度控制标准 。
弱约束区（特征点为图 1 所示的 30 m 和 50 m ）最高温度为
2 6.2 ℃，小于最高温度控制标准 28 ℃，分析原因为：弱约束
区浇注时 是在冬季进行的，外界环境温 度低，另外，冬季情
况下 浇注的混凝 土通冷水降温 。非约束区 最高温度达到 3 4
℃，但能满足最高温度控制标准 。由于非约束区浇注温度高，
且浇注一 般在春夏季节，浇注时或浇注 完后混凝土处于气温
较高的环 境下，不利于散热，另外由于 非约束区浇注时水管