朱文举

(肇源县水利工程指导中心，黑龙江 肇源 166500)

1 工程概况

某枢纽工程由碾压混凝土双曲拱坝、左岸发电厂房、坝身泄洪系统等建筑物组成。混凝土拱坝坝顶高程593.00m，最大坝高92m，正常蓄水位584m，库容量5.2亿m3。因坝体下游地质不良，断层破碎带分布且岩石完整性较差，在下游190m处设一二道坝，采用水垫塘方式解决下游消能防冲，该坝型为碾压式混凝土重力坝，坝高35m，坝长73m[1]。

2 温度应力有限元分析原理

弹性体的温度应力求解方法同一般面力和体力相互作用的应力问题，首要确定温度变化下的等效结点荷载[2]。定义弹性体单元节点温度变化为ΔT，该初应变表达式为：

(1)

总应变值为应力应变值和温度变化产生的应变值之和，表达式为：

(2)

求解σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx得:

{σ}=[D]({ε}-{ε0})=[D]{ε}-[D]{ε0}
=[D][B]{δ}e-[D]{ε0}

(3)

式中：[D]为弹性矩阵；[B]为特性矩阵；{δ}e为结点位移列阵。

结点力与结点位移关系式为：

(4)

温度变化下的等效结点荷载后，求解节点位移，表达式为：

(5)

从而求得变温应力。

3 有限元计算

3.1 模型建立

有限元模型定义：大坝上游面逆河向取30m，下游坝踵处顺河向取50m，坝基处数值向下取30m。模型单元划分采用八节点六面体SOLID45，局部采用SOLID65单元，坝体和地基共剖分单元总数21350个，节点总数24238个[3]。施工期坝体网格划分图，见图1。

图1 施工期坝体网格划分图

热边界条件为[4]：坝基底部、坝体上下游、左右侧边界面均施加绝热条件，空气接触面施加对流条件。

3.2 施工模拟

根据混凝土重力坝的施工组织设计和施工方案，大坝混凝土从计算期的第1年1月份开始浇筑，共分五段，每段长25m，持续到5月份中旬结束，期间大坝升高35m，平均每月坝体抬升8m。单层浇筑30cm时进行碾压，连续浇筑8层后浇筑间歇，然后进行混凝土养护、保温等措施。层面间隔时间理论上按混凝土初凝时间控制为6h，实际根据工程进度、初凝控制时间据实调整。计算模拟时选取最大坝高坝段，浇筑层单元厚度为1.5m，综合考虑间隔平均时间为6.05d[5]。

3.3 施工期坝体温度场计算结果

大坝混凝土浇筑施工的温度场为非稳定温度场，随着外界环境温度变化、材料水化热、工程进度等影响，温度场变化规律表现出其特殊性。坝体浇筑到第二层时的温度应力等值线图，见图2；坝体浇筑到第四层时的温度应力等值线图，见图3；坝体浇筑到第八层时的温度应力等值线图，见图4；坝体浇筑到第十层时的温度应力等值线图，见图5；坝体浇筑到第十四层时的温度应力等值线图，见图6；坝体浇筑到第十八层时的温度应力等值线图，见图7。

图2 坝体浇筑到第二层时的温度应力等值线图

图3 坝体浇筑到第四层时的温度应力等值线图

图4 坝体浇筑到第八层时的温度应力等值线图

图5 坝体浇筑到第十层时的温度应力等值线图

图6 坝体浇筑到第十四层时的温度应力等值线图

图7 坝体浇筑到第十八层时的温度应力等值线图

从坝体浇筑混凝土不同分层的温度应力等值线图可知：

1)坝体混凝土分层浇筑是的最高温度最多出现在新浇筑层上，分析原因是浇筑混凝土初期大量的水化热散热所致。因在冬季施工，故需采取一定保温措在新浇筑的混凝土层顶面，同时低温季节的混凝土表面降温过快，外界较大的温差会产生拉应力，破坏结构稳定性。浇筑至第13层前，大坝整体温度应力相差较大，从第14层开始至第18层结束，外界温度升高，高温季节的坝体混凝土整体温度较高，最高温度达到30.6℃。

2)坝体不同分层的温度应力计算图共同表现出：坝体浇筑后的内部热量聚集温度较高，冬季外界温度较低，在坝体各层的上下面产生的温度梯度大，进而形成温度温差，较大拉应力容易造成表面裂缝，故低温季节施工时应着重混凝土表面防护，降低温差的应力影响。

4 结 论

文章基于弹性体温度应力有限元计算原理，结合实际碾压混凝土重力坝工程建立三维有限元模型，模拟施工期不同浇筑层的温度应力分布及变化规律，通过提取的6个浇筑层温度应力值线图可知，坝体浇筑到各层上下结合面时的温度应力较大，故应优化混凝土配合比，合理控制层间间隔、入仓温度等措施，降低温差产生的拉应力。