| 标题 | 双峰寺水库碾压混凝土坝温度场仿真计算 |
| 范文 | 王铁强 摘要：双峰寺水库大坝地处河北省承德市，属于严寒地带，冰冻期长达5个月。温度裂缝为影响碾压混凝土大坝安全及稳定性能的主要因素。利用有限单元程序ANSYS通用平台，编制了ANSYS温度场仿真分析命令流，对双峰寺水库大坝典型坝段温度场进行了仿真分析，并对浇筑期温度分布做了分析研究。 关键词：碾压混凝土；温度场；仿真分析；ANSYS软件 中图分类号：TV315文献标志码：A文章编号： 16721683（2015）002005004 碾压混凝土坝具有水泥用量少、低水化热温升的优点，而在施工过程中其采用通仓薄层浇筑、连续上升的浇筑方式，因此坝体的最高温度出现的时间比较晚，降温过程缓慢，影响时间长。而双峰寺水库大坝位于严寒地区，日气温早晚温差大、年气温变化大，气候恶劣，因此温度控制对其裂缝的控制有重要意义。因此对于承德市双峰寺水库碾压混凝土大坝，其温度场的研究对坝体稳定及安全是一个重要的课题。 目前国内外温度场的计算方法使用最多的是有限单元法。其适用于施工情况复杂、外型不规则等工程。本文研究编写了ANSYS有限元温度场仿真命令流，对双峰寺水库大坝典型坝段的温度场进行了仿真分析，并得出了浇筑期温度场的分布规律。 1工程概况 双峰寺水库位于滦河一级支流武烈河干流上，坝址位于承德市双峰寺镇小庙子村附近，距下游承德市区约12 km，水库总库容1.373亿m3，是一座以防洪为主，结合城市供水，兼顾发电和生态环境供水等综合利用的大（Ⅱ）型水利枢纽工程。工程实施后，通过水库削峰控制泄量，使承德市区防洪标准由20年一遇提高到100年一遇，多年平均为承德市提供水量5 200万m3，同时为避暑山庄湖区和城市环境景观补水，结合水库放水发电，多年平均发电量408.6万kW·h。 水库坝址控制流域面积2 303 km2，占武烈河流域面积的89.3%。流域多年平均年降水量为537.2 mm，70%～80%集中在汛期6月-9月份。坝址多年平均流量6.34 m3/s，多年平均径流量2.0亿m3，历史调查最大流量4 500 m3/s，实测最大流量为2 580 m3/s。水库设计洪水标准100年一遇，校核洪水标准2000年一遇，死水位382.0 m，汛期水位387 m，正常蓄水位3890 m，设计洪水位392.5 m，校核洪水位395.11 m。水库死库容0.34亿m3，兴利库容0.45亿m3，防洪库容0.47亿m3。 本枢纽工程主要包括拦河坝和电站，工程等别为II等，其主要建筑物拦河坝、泄水建筑物及供水、发电引水建筑物为2级，电站厂房为3级，底孔消力池和下游防护工程等次要建筑物为3级。拦河坝设计洪水标准被100年一遇，校核洪水标准为2000年一遇；电站厂房设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为200年一遇；电站厂房设计洪水标准采用50年一遇，校核洪水标准200年一遇；底孔消力池设计洪水标准50年一遇，消力池左边墙校核洪水标准采用200年一遇；下游防护工程设计洪水标准50年一遇。坝址区地震基本烈度为VI度，建筑物地震设计烈度为6度。 本工程主要工程量包括碾压混凝土56.22万m3，其中碾压混凝土38.08万m3，常态混凝土13.72万m3，变态混凝土4.47万m3；土石方开挖96.74万m3（含围堰拆除开挖量），其中土方开挖8.63万m3，砂卵石开挖48.78万m3，石方明挖39.09万m3，石方洞挖300 m3；土石方填筑43.26万m3（含围堰填筑）；钢筋制安4 820.4t；浆砌石6 792 m3；干砌石5 726 m3等。 2计算基本资料 2.1水文与气象资料 工程区处于暖温带和寒温带过渡地带，属大陆性燕山山地气候，春季干旱少雨，天气多变；夏季高温多雨，多雷雨天气；秋季天高气爽，昼暖夜凉；冬季干燥少雪，天气寒冷。春夏季多西南风，冬季多西北风。全年最大风速15～20 m/s，年平均气温8.9 ℃，极端最高气温41.5 ℃，极端最低气温-29.5 ℃。坝址区多年月平均气温见表1。全年无霜期110～ 170 d。封冻期最长89 d，最早封冻日期11月28日，最厚冻土深度1.26 m，最大河心冰厚0.96 m。 多年平均水面蒸发量约为1 000 mm，多年平均路面蒸发量为420～440 mm。武烈河流域多年平均年降水量为537.2 mm。降水量年际变化较大，年内分配极不均匀，70%～80%集中在汛期6月-9月。坝址区多年月平均气温见表1，坝址旬平均气温资料统计见表2。 为了考虑气温对混凝土温度场的影响，将多年月平均气温拟合成一条余弦曲线公式（1），通过ANSYS热分析边界条件施加气温边界。 Ta=9.48+15.7×cos[π[]6（r-6.0）]（1） 2.2水温 根据统计，坝址区多年平均水温见表3。 2.3材料参数 （1）热学参数。 碾压混凝土的各项热学参数如混凝土导温系数α、导热系数λ、比热c、热膨胀系数α、混凝土表面放热系数β、混凝土绝热温升由室内试验获得。 双峰寺水库大坝坝体碾压混凝土采用的配合比见表4，混凝土各项热学参数如下：导热系数：λ=9.12 kJ/（m·h·℃）。比热： c=0.88 kJ/（kg·℃）。密度：ρ=2 417.7 kg/m3。导温系数：α=λ[]cρ=4.288×103 m2/h。混凝土表面在空气中放热系数取42 kJ/（m2·h·℃）。绝热温升：Q（t）=13.5 t[]5.57+t （2）混凝土力学参数。 3有限元模型的建立与计算方案的选取 碾压混凝土大坝的浇筑层，其有限元模型的建立是一个复杂的过程，为了后续的有限元模型的网格剖分和减少计算量，本文取浇筑块体强约束区顶面作为建模的基准面。首先建立混凝土结构模型，再通过坐标平面的移动和旋转来简历地基模型。选取X向设置为坝体上下游方向，Y向正向竖直向上，Z向平行于坝体。整个模型地基计算范围上下游延伸15 m，地基取18 m。 网格剖分时， 为了保证计算精度且减少计算量，本文采用了六面体映射网格划分的方法，其中典型块体的X向划分为15份，Y向都划分为18份，混凝土和地基均采用solid70单元，其中混凝土典型浇筑体单元总数3 134个，地基单元总数2 310个，整个仿真模型的单元总数为5 444个，结点总数为5 936个。其有限元模型见图1-图4。 为了准确模拟承德市双峰寺水库大坝碾压混凝土结构分层分块浇筑的施工过程，在仿真程序中响因素有机结合在一起并实时的进行动态更新。计算中坝体浇筑层为17层，层厚3 m对其进行模拟。地基四个侧面取为绝热边界条件。在仿真计算中将混凝土与空气接触的面在在仿真计算中设置为第三类边界条件。 4双峰寺水库大坝计算结果分析 整个有限元模型采用瞬态分析方法，每4 d设置一个计算时间步长。考虑到整个模型求解时间和计算结果数据的复杂性，本文只输出了浇筑第4 d、第8 d、第12 d、第16 d、第32 d浇筑层的温度场云图见图5-图9。 从图5至9可以看出，随着碾压混凝土的浇筑，浇筑层的温度由内部到外部温度逐渐降低，坝体换外部温度等于周围环境温度，浇筑中心由于水化热的产生且不容易散发，温度最高，对坝体的稳定和防渗性能影响较大，因此在碾压混凝土浇筑过程中应做好温控工作同时优化碾压混凝土配合比，避免产生温度裂缝及贯穿性裂缝。 由于各层浇筑块体在浇筑期内表层与大气接触，混凝土水化作用产生的一部分热量散发至空气中。受上述因素的影响，混凝土浇筑体内部与散热表层之间也呈现出一个明显的温度梯度，为了合理控制好该部分的温差，必要时其接触表面应该采取一定的保温措施。混凝土浇筑块体与基岩接触面属于第四类边界条件，浇筑块体一部分水化热量是通过该边界传递给基岩。 从图中可以看出当整个块体混凝土浇筑完毕后，混凝土内部温度场渐趋于一个准稳定温度场。到仿真计算时间结束即第72 d时，混凝土块体的最高温度出现在其内部，其最高温度为47 ℃，温度较坝体表面温度高20 ℃，说明碾压混凝土浇筑过程中水化热温升不可忽视，该浇筑层处于6月份，初始温度定为18 ℃，该工程位于河北省承德市双峰寺水库，年平均气温较低，每年11月-次年4月温度均在零下，因此碾压混凝土坝内外温差较大，应做好保温措施和坝体冷却措施。 以上分析了施工期混凝土的温度场云图分布规律，本文选取了两个不同位置的结点为研究对象，输出了其温度时间历程曲线见图10、图11。 可以看出，结点温度历时曲线在整个仿真期内也即浇筑期内都有一定的波动，温度先上升后下降，其温度最高可达70 ℃仿真期结束时温度趋于平稳为18 ℃。 5论结 （1）严寒地区碾压混凝土温度场分布为在其浇筑过程中其内部温度梯度高，且降温速度快，最终稳定温度场的形成需要很长时间。 （2）碾压混凝土坝体内最高温度场受外界环境温度的影响较大，而坝内温度则需要自身降温。 参考文献： [1]郭迎旗.高寒地区碾压混凝土坝施工工艺研究[D].西安：西安理工大学，2005. [2]贺金仁.高碾压混凝土重力坝的温控防裂研究[D].南京：河海大学，2003. [3]叶仙磊，史亚杰.ANSYS工程分析软件应用实例[M].北京：清华大学出版社，2003. [4]刘相心，梦宪颐.ANSYS基础及应用教程[M].北京：科学出版社，2006. [5]黄淑华，胡平，岳耀珍.观音阁水库碾压混凝土大坝温度应力仿真计算研究[J].水利发电，1994（4）：2225. |
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