招徕河碾压混凝土拱坝温控防裂模拟分析研究.docx
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招徕河碾压混凝土拱坝温控防裂模拟分析研究
摘要招徕河水电站是目前国内最薄的碾压混凝土双曲拱坝。
该坝在设计中有其自身的特殊性，温控防裂研究是其中的重要课题之一。
本文结合作者近两年来为招徕河工程所作的有关工作，对招徕河大坝温控防裂的关键问题作了进一步探讨，其中包括招徕河碾压混凝土拱坝施工期至运行期温度及温度徐变应力变化过程的仿真分析、水库运行期水库水温的数值分析、大坝运行期准稳定温度场的确定等。
并通过若干计算分析实例，对坝体分缝形式，温控措施、施工中仓面过水等问题，作出简要介绍。
关键词水库水温准稳定温度场仿真分析碾压混凝土水化热温升温度徐变应力
1前言
招徕河水电站位于湖北省长阳县境内、清江左岸的一级支流招徕河上。
拱坝坝高107m，顶宽6m，底宽18.5m，是国内目前最薄的碾压混凝土双曲拱坝。
该坝在设计中有其自身的特殊性，温控防裂研究是其中的重要课题之一。
中国水利水电科学研究院结构材料所，长期从事大体积混凝土温度应力及温控防裂研究工作，在老一辈科学家的开创指导下，通过几代人的开发创新，逐步形成并完善了一整套温控防裂研究方法和计算软件包。
在对招徕河碾压混凝土双曲拱坝的温控防裂研究中，即采用了《混凝土结构温控防裂研究全过程仿真计算软件包WKFLRJB》（中华人民共和国国家版权局，软著登字第020439号）。
针对招徕河碾压混凝土双曲拱坝的特点，大坝温控防裂研究的切入点及技术路线如下：
1）通过数值分析法，根据水库蓄水后库区来水量、来水温度、气温、风速、云量、蒸发量、太阳辐射、水库运行等情况，计算招徕河水库运行期各月水温分布；
2）以计算出的水库水温为边界条件，用三维有限元法计算大坝运行期的准稳定温度场，确定控制温差的计算起点；
3）根据施工的实际情况，用三维有限元法对大坝进行温度徐变应力仿真计算，根据应力情况确定缝型、缝位；
4）根据设计要求研究防裂措施，制定温控标准；
5）对施工中仓面过水等特殊问题进行分析。
通过上述分析研究，即可对招徕河碾压混凝土双曲拱坝温控防裂问题有一个比较清醒的认识，从而有针对性的按照工程实际，提出并解决问题。
2水库水温计算分析
从二十世纪六十年代起，美、前苏、日等国，对水库水温的分布，进行过不少观测，发现尽管水库的形状、长度、宽度和气候条件、水文条件有很大差异，但水库水温沿等高面上的分布却基本上是平直的。
笔者从二十世纪八十年代起，对国内已建成水库的水温分布，作了大量的调研工作，进一步证实了水库水温的分布规律。
所以，我们采用一维数值模型，来研究水库水温的分析问题，并编制了计算软件（软件包WKFLRJB-1）。
近二十年来，经过对国内数十座水库水温的计算，取得了相当满意的结果，从而为大坝温控设计和水温预报工作提供了一个较好的分析手段。
在计算分析招徕河水库水温分布时，计算软件不仅可以考虑库区的水文气象要素，如气温、云量、蒸发量、风速、太阳辐射、入库流量、来水水温等，还可以模拟水库建成后的运行情况，包括电站引用流量、各泄水口泄水情况、水库水位的变化、汛期洪水掺混等因素。
图2-1为招徕河水库水温数值分析结果（年内各月沿深度水温分布）。
通过计算分析，我们对招徕河水库水温分布有下列几点认识：
1）招徕河库区年平均气温16.40C。
水库表面的水温受气温、风速、太阳辐射等诸多因素的影响，年内在6.50C～27.50C的范围内变化。
最低库表温度为1月份的6.50C，最高库表温度为7月份的27.50C。
年平均库表温度为17.40C，比年平均气温高1.00C；
2）招徕河水库年平均水位为292m，相应库水深度约90m，属中浅型水库。
水库底部的水温受各月来水温度、电站引水口及泄水建筑物的高程、水库运行情况、水库的深度、汛期洪水掺混等因素的综合影响，年内在12.00C～15.25C的范围内变化。
年平均库底水温为13.33C。
水库运行中，年内主要是电站取水，电站引水口中心线高程为258.50m，距离库底约58m，因此，由于电站取水,将会在电站引水口附近几十米的范围内,影响水库水温的变化；
3）水库水温沿高程的分布规律不仅仅取决于气温和水深，在很大程度上，还取决于水库的运行情况和各月的来水温度、电站引水口及泄水建筑物的位置；
4）水库水温月平均垂直分布曲线，可以作为准稳定温度场计算中，各月坝体上游面的第一类边界条件。
图2-1招徕河水库月平均水温垂直分布图
3大坝运行期准稳定温度场
大坝混凝土水化热及浇筑温度影响消失后，除了大坝底部核心部位外，大坝基本上受准稳定温度场控制。
尤其是对招徕河这样的薄碾压混凝土双曲拱坝，大坝在运行期长期处于外界气温和水温的作用下，坝体混凝土不大可能形成一个稳定的温度场。
大坝内任一点的温度，将会随着外界气温和水温的周期性变化，以同一周期作简谐变化，但其变幅及相位随所处位置而异。
WKFLRJB软件包中的WKFLRJB-3软件，为大坝准稳定温度场三维有限元计算分析软件。
笔者应用该软件，对招徕河拱坝的准稳定温度场作了计算。
计算的边界条件为周期性变化的气温和上游水库水温。
计算结果说明，大坝在运行期温度场的变化，主要取决于年内气温的变化和上游水库水温变化的影响。
因此在年内，大坝从表面往里7～8m范围内，温度变化梯度较大，随着距离边界越远，温度的变化就越趋于稳定。
招徕河拱坝坝体1月份的准稳定温度场,为运行期年内最低温度场，故可以取该温度场作为温度应力仿真计算中控制温差的计算起点。
也可以参考该温度场，确定拱坝的封拱温度。
4拱坝施工期混凝土温度徐变应力仿真计算分析
在招徕河工程设计的诸阶段，我们就其温控防裂问题，做了十几个方案的计算分析工作。
由于本文篇幅有限，以下仿真分析的结果，是在招徕河工程设计的第二阶段，依据设计2003年提供的施工资料，采用WKFLRJB-4软件，计算分析得出的。
如果与实际施工情况有出入，在有条件的情况下，笔者可以根据实际施工资料，作进一步的反馈计算分析。
根据设计的要求，本阶段共做了4个方案的研究工作。
三维有限元仿真计算网格见图4-1。
计算荷载考虑坝体混凝土的自重、水压、温度荷载，计算中全程模拟混凝土的浇筑过程，考虑浇筑时间、浇筑温度、浇筑间歇期、夏季长间歇等；计算边界条件考虑了气温变化的影响等。
应力成果图中为第一主应力值（1.应力符号规定为：
拉为正，压为负。
2.坐标系规定：
坝轴线方向为x轴，从右岸指向左岸；逆水流方向为y轴，从下游指向上游；铅垂方向为z轴，指向上为正）。
在本阶段的研究工作中，对招徕河碾压混凝土拱坝的温度应力分析均采用三维有限元法。
坝体共剖分20节点等参单元10262个，节点49934个。
计算过程大坝从2003年4月10日开始浇筑（第二阶段施工进度表可见[1]，2003年5月由设计提供），直至坝体温度降至运行期准稳定温度场为止。
4个方案的计算工况见表4-1。
表4-1仿真计算工况
方案号
施工进度
计算工况
横缝灌浆
温控措施
1
ZHL2003
2003年4月10日～2004年11月30日坝体混凝土浇筑。
坝体分3条诱导缝（2#、3#、4#），2条横缝（1#、5#），5#缝264.5m以下为诱导缝。
诱导缝弹模削减至50%，地基弹模为27万（kg/cm2）
2004年底水库蓄水前灌浆，横缝灌浆后弹模为20万（kg/cm2）
1.浇筑温度控制在18C之内
2.一期水管冷却
2
ZLHE50
同上
坝体分3条诱导缝（2#、3#、4#），2条横缝（1#、5#），5#缝264.5m以下为诱导缝。
诱导缝弹模削减50%，地基弹模为27万（kg/cm2），在大坝左、右岸坝肩下游与基岩之间预留缝。
同上
同上
3
HF5
同上
坝体分5条横缝，地基弹模为27万（kg/cm2），在大坝左、右岸坝肩下游与基岩之间预留缝。
2004年底水库蓄水前灌浆，横缝灌浆后弹模为10万（kg/cm2）
同上
4
ZLH2H3Y
同上
坝体分3条诱导缝（2#、3#、4#），2条横缝（1#、5#）。
诱导缝弹模削减至40%，地基弹模为12万（kg/cm2），在大坝左、右岸坝肩下游与基岩之间预留缝。
同上
同上
图4-2为大坝缝位及部分断面示意图，5条缝的编号从右岸开始向左岸依次编排，靠近右岸的第一条缝为1#缝，靠近左岸的缝为5#缝。
f31-f31～f38-f38为垂直于坝轴线的8个断面。
位置依次为：
f31-f31为距离右岸坝肩约6m的断面；
f32-f32为距离右岸坝肩约12m的断面；
f33-f33为距离右岸坝肩约27m的断面；
f34-f34为距离右岸坝肩约55m的断面；
f35-f35为距离左岸坝肩约81m的断面；
f36-f36为距离左岸坝肩约34m的断面；
f37-f37为距离左岸坝肩约11m的断面；
f38-f38为距离左岸坝肩约4m的断面。
图4-1三维计算网格图（坝体部分）
通过对本阶段4个方案进行的仿真计算分析（详细计算情况可参见[1]），我们有如下认识：
4.1方案1（ZHL2003）
1）混凝土内部最高温度约为28C左右。
时间为2004年的8月份。
2）拱坝上游面早期拉应力比较小，2003年冬季在靠近基岩处，拉应力比较集中，最大拉应力为1.0MPa，2004年12月完建期最大拉应力为1.6MPa位置在右岸270m高程附近。
12月上旬横缝灌浆前，最大拉应力为2.0MPa，其作用范围较小，位置在右岸270m高程附近，左岸260m高程附近。
至12月中旬横缝灌浆，在右岸270m高程、左岸260m高程附近局部拉应力为2.0MPa。
12月中旬蓄水至266m高程时，最大拉应力为2.1MPa，位置在上游面右岸240m～250m高程之间的3#缝上。
当水蓄至296m高程时，其上游面右岸3#缝（该缝为诱导缝）拉应力超过2.0MPa，且作用范围较大，该诱导缝有拉开的可能性。
3）平行于坝轴线方向中间剖面的应力，从整个过程可以看出，最大拉应力约为2.3MPa，发生在左岸坝肩处。
4）与上游面同期主应力相比较，拱坝下游面拉应力较上游面要大。
由于下游面附近结构的复杂性，以及受基础陡坡强约束作用，部分部位拉应力范围较大，此规律一直保持至运行期。
该现象应引起重视，只有采取切实可行的防裂措施，方可做到不裂缝或少裂缝。
5）距左岸坝肩约11m处横截面（垂直于坝轴线方向f37-f37剖面，该剖面在坝中的具体位置见图4-2）上的应力变化比较剧烈，最大拉应力值超过2.0MPa的时间也较早，从2004年11月底始至12月蓄水到266m高程前，在接近上游高程262m～272m范围内，拉应力在2.0～3.0MPa之间变化；蓄水至266m高程到蓄水至296m高程前，最大拉应力值增至3.4MPa，蓄水至266m高程后，在该高程范围内下游面的最大拉应力值可达2.4MPa；蓄水至296m高程后上游面最大拉应力达到3.8MPa；到运行期大坝温度场降至准稳定温度场时，上游面最大拉应力达到4.0MPa，位于265m高程附近。
在262m～272m高程范围内，几乎从上游至下游，拉应力均在2.2MPa以上，这就意味着该部位有产生贯穿性裂缝的可能性，应采取行之有效的措施，从根本上解决问题（建议：
第5#横缝缝位应略微向左岸移动）。
6）距左岸坝肩约4m处横截面（垂直于坝轴线方向f38-f38剖面，该剖面在坝中的具体位置见图4-2）上的主应力从，2004年11月开始，该剖面在临近上游面处最大拉应力值达到2.0MPa，之后至2004年12月蓄水前，最大拉应力值可达到4.0MPa；随着蓄水水位的不断增高，上游面拉应力逐渐增大，故左岸坝肩处的大拉应力应引起高度重视。
说明横缝5#缝灌浆后有再次被拉开的可能性，需设置重复灌浆系统。
4.2方案2
鉴于方案1的某些部位（尤其是下游面及坝肩部位）拉应力较大，分析认为，主要原因是招徕河拱坝在左、右岸的坝肩处，有部分大坝是嵌在基岩中，蓄水后大坝沿上下游方向变形受到制约所至，为此，施工中应在大坝左、右岸坝肩下游与基岩之间预留缝，确保大坝蓄水后有足够的变形空间，为此，我们作了方案2的研究工作。
计算结果显示，与方案1同时段、同部位的应力情况相比较，当降低基岩弹模后，原有的拉应力区范围有所减小，但最大拉应力值并未减小。
4.3方案3
在上述两方案（方案1、2）均不能满足强度要求的情况下，我们研究了方案3，即5条横缝方案，因为横缝是释放拉应力最有效的措施，详细成果可见[1]。
本方案的结果说明：
1）上游面第一主应力，在横缝灌浆前后直到蓄水至296m高程前一天（龄期在604～678天，冬季），最大拉应力均为1.1MPa，蓄水至296m高程后，直至运行期最大拉应力为2.0MPa。
2）平行于坝轴线方向中间剖面的第一主应力，从施工期直至运行期，其最大拉应力为1.4MPa，但在两岸坝肩处，对比方案1、2，最大拉应力值没有明显改善，原因是前2个方案的缝1#及缝5#也为横缝，条件相同故应力状态自然相似。
3）下游面第一主应力，在横缝灌浆前后直到蓄水至296m高程前一天（龄期在604～678天，冬季），最大拉应力为1.6MPa，蓄水至296m高程后，靠近基岩陡坡处局部拉应力超过2.0MPa；除去应力集中的影响，在距基岩10m左右的部分陡坡区域内最大拉应力值可达到4MPa；考虑到一旦上游面蓄水，坝体在水温、水压等诸多因素的共同作用下，灌浆后的横缝有被拉开的可能性，使得原有应力重新分布，变化后的拉应力值要比现有图中显示小，因此其缝间区域的混凝土是比较安全的。
4）垂直于坝轴线方向的8个横截面（f31-31～f38-38剖面）的应力，在距右岸坝肩12m和27m的剖面上，拉应力无论是其作用范围还是其量值上，均比前两个方案有所改善，主要是下游面在蓄水至296m高程后，直至运行期拉应力分布变化较大。
4.4方案4
由于设计不准备采取设5条横缝方案，我们又作了方案4的研究工作。
该方案与方案1同为2条横缝3条诱导缝工况，不同之处是，本方案将基岩弹模全部改为12万kg/cm2，在大坝左、右岸坝肩下游与基岩之间预留缝，诱导缝削弱到40%，灌浆后横缝弹模为10万kg/cm2，详细成果图可见[1]。
1）上游面第一主应力，2004年12月横缝灌浆后，在右岸270m高程附近最大拉应力值达到1.9MPa；蓄水至266m高程时，在该部位最大拉应力值达到2.1MPa；蓄水后该部位最大拉应力值达到2.3MPa，但作用范围极小；蓄水至296m高程时，右岸第3条缝（具体缝位见示意图4-2、该缝为诱导缝）上最大拉应力值达到3.0MPa以上，诱导缝有拉开的可能性，一旦诱导缝被拉开，右岸第2与右岸第3条缝之间区域的应力将重新分布，原有的最大拉应力值2.2MPa会相应减小，建议在该部位提高混凝土自身的抗裂能力。
2）平行于坝轴线方向中间剖面的应力，从施工开始至蓄水至296m高程前，该剖面上的拉应力最大为1.3MPa；蓄水至296m高程后，两岸坝肩处在较小范围内的拉应力超过2.0MPa，应加强左右坝肩处混凝土的抗拉强度，提高抗裂能力。
3）下游面的应力变化比较剧烈，受温度及水压的共同作用后，反映较敏感。
2003年12月下旬，右岸203m高程附近有超过2.0MPa拉应力，其原因是大坝上下游201.5m以下嵌在基岩里。
2004年1月～2月在外界气温的作用下，下游面的拉应力局部达到1.8～2.2MPa，比同期上游面的拉应力大；2004年12月横缝灌浆前后，在右岸260m～270m高程范围内，在靠近基岩陡坡处拉应力值较大，应力集中现象明显；在200m高程基础约束部位亦有较大的应力区；在拱坝下游的5#逢处拉应力较集中，且数值较大；当蓄水至266m高程后，上述大拉应力区范围有所减小，局部拉应力值有所增加；在上游266m高程水位及外界较冷气温的共同作用下，2005年1月份，下游面的拉应力增加到2.3～2.9MPa；当拱坝温度降至准稳定温度场时，右岸靠近基岩陡坡处基本上拉应力均超过2.5MPa，且有一定深度，左岸5#逢在230m～270m高程附近有较集中的大拉应力。
（参见图ZLH2H3Y-26、28，为方便与研究报告对照，图号同[1]）。
将本方案与方案1、方案2作一比较，不难看出，在大坝左、右岸坝肩下游与基岩之间预留缝，仅能改善坝体受基岩强约束区较大拉应力产生的范围，并不能从量值上有较大的改善，这与招徕河拱坝结构及大坝与基岩接触面的受力状态有关，建议在大拉应力发生部位，采用聚苯乙烯纤维混凝土，以提高其抗裂能力。
4）垂直于坝轴线方向的8个横截面（f31-31～f38-38剖面）的应力，在量值上和变化规律上，与方案1、方案2基本相似，局部略有改善。
5初步意见和建议
1）招徕河碾压混凝土拱坝的结构，决定了其对应力的敏感性，在不同时期、不同部位的拉应力规律不尽相同，没有共同规律，这一点从垂直于坝轴线方向的8个横截面的应力分布情况中可以看出。
由于结构的极度不对称，在上、下游面局部都有大拉应力区，且随着荷载及温度的变化而变化。
2）蓄水296m高程后，右岸下游面的应力状况比上游面恶化，左岸上游坝肩处的应力较大，这主要是由于结构应力及温度应力的共同作用的结果，建议对下游面一定范围内采用聚笨乙烯纤维混凝土。
3）上游面混凝土的抗裂性直接关系到整个大坝的安全，建议采用高强、低热、防渗性能好的混凝土，方可满足防裂防渗的要求。
4）在左右两岸坝肩及沿地基轮廓线10～15m范围内全断面采用聚苯乙烯纤维高强混凝土。
5）按目前的施工方案，混凝土最高温升为28C左右。
6）上下游贴坡基岩距坝体的距离，应满足坝体变形的要求，在该方向应尽量减少基岩对坝体的强约束，这样才有利于减小坝体由于约束而产生的较大拉应力。
7）坝体5#缝（缝的具体位置见剖面示意图4-2）的位置，最好向左岸移至拉应力最大处，有利于改善应力状态。
8）目前的温控措施是因地制宜，可行的措施都已采用，若工程选择3条诱导缝2条横缝方案，则需按部位增加混凝土的抗裂能力，提高工程的安全度。
9）建议根据招徕河碾压混凝土拱坝实际的施工和分缝情况，对温度应力进行反馈计算分析。
1月2月3月4月5月6月
图3-1招徕河水电站拱冠梁准温定温度场（C）
（611天，2004年12月蓄水至266m后，可保证年底发电）
（635天，2005年1月）
（650天，2005年1月底）
图zlh2h3y–26招徕河拱坝下游面第一主应力图
（改变浇筑方案、加冷却水管、2横3诱；单位：
0.1MPa）
（运行期蓄水至正常高水位后）
（运行期）
图zlh2h3y–28招徕河拱坝下游面第一主应力图
（改变浇筑方案、加冷却水管、2横3诱；单位：
0.1MPa）
参考文献：
[1]招徕河碾压混凝土拱坝温控防裂研究,中国水利水电科学研究院,2003年8月。
[2]普定碾压混凝土拱坝整体碾压温控技术研究，水力发电，1995年第10期，黄淑萍、岳耀真、胡平等。
[3]碾压混凝土拱坝温度荷载的确定，水力发电，1992年第8期，岳耀真。
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