石坝河水库堆石混凝土重力坝施工期工作性态仿真
程恒1, 周秋景1, 娄诗建3, 张国新1,2, 刘毅1,2, 雷峥琦1    
1. 中国水利水电科学研究院, 北京 100038;
2. 流域水循环模拟与调控国家重点实验室, 北京 100038;
3. 遵义市水利水电勘测设计研究院有限责任公司, 遵义 563002
摘要:依托贵州省仁怀市石坝河水库堆石混凝土重力坝, 基于大坝设计资料与温度监测数据, 对大坝自密实混凝土、堆石混凝土以及常态混凝土的关键热学参数进行反演。在此基础上, 模拟大坝浇筑过程、混凝土硬化过程以及气象变化过程, 采用有限元仿真方法进行大坝施工期全过程工作性态仿真计算, 对大坝的温度场和应力场的分布和演化规律进行分析, 评估大坝整体安全性。分析结果表明, 仿真反演得到的坝体温度过程能够真实反映施工期坝体的温度变化规律, 坝体内部一般3~5 d达到最高温度, 水化热温升在4~7 ℃之间, 夏季浇筑时最高温度约为35.0~39.5 ℃, 冬季浇筑时最高温度约为25~28 ℃; 除了大坝溢流坝段表面在低温季节局部拉应力较大外, 其余部位应力均未超出混凝土的强度, 大坝整体安全可以得到保障, 说明堆石混凝土重力坝大仓面浇筑方式是可行的。
关键词堆石混凝土    重力坝    施工期    仿真    工作性态    
Simulation of the working behavior of Shibahe reservoir rock-filled concrete gravity dam during construction
CHENG Heng1, ZHOU Qiujing1, LOU Shijian3, ZHANG Guoxin1,2, LIU Yi1,2, LEI Zhengqi1    
1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China;
2. State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, Beijing 100038, China;
3. Zunyi Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower Co. Ltd., Zunyi 563002, China
Abstract: Key thermal parameters of self-compacting, rock-filled, and normal concrete of the rock-filled concrete gravity dam of Shibahe Reservoir in Renhuai City, Guizhou Province, are inverted based on its design data and temperature-monitoring data. On this basis, the finite element simulation method is used to simulate the working behavior during the construction of the dam, including the dam pouring, concrete hardening, and meteorological change processes. Next, the distribution and evolution law of the temperature field and stress field of the dam are analyzed to evaluate the overall safety of the dam. The results show that the temperature process of the dam body obtained by simulation inversion can truly reflect the temperature variation of the dam body. The maximum temperature in the dam body is typically reached within 3—5 d, and the temperature rise of hydration heat is between 4—7 ℃. The maximum temperature of pouring concrete in summer is about 35.0—39.5 ℃, while that in winter is about 25—28 ℃. Although the partial tensile stress on the spillway section surface is large in the low-temperature season, the stress in other parts does not exceed the concrete strength, and the dam safety can be guaranteed. The result indicates that pouring concrete on the large warehouse surface of the rock-filled concrete gravity dam is feasible.
Key words: rock-filled concrete    gravity dam    construction period    simulation    working behavior    

堆石混凝土作为一种新型筑坝材料,相比水利水电工程中较常使用的常态混凝土和碾压混凝土,具有水泥用量更少,骨料用量更大,低碳环保、水化热低、工艺简便、造价低廉、施工速度快等特点[1-3]。基于上述优点,堆石混凝土技术近年来逐渐应用于水利工程建设特别是坝工建设中[4-6]。为进一步推广应用,还需全面掌握堆石混凝土的材料特性和大坝的工作性态[7-13]

石坝河水库工程位于仁怀市茅台镇上坪村境内,水库所在流域属中亚热带季风湿润气候,四季分明,气候温和湿润。根据茅台水文站资料统计:多年平均降水量873.8 mm,多年平均气温15.6 ℃,实测最高气温41.3 ℃,实测最低气温-2 ℃,多年平均日照29%,多年平均相对湿度78%,多年平均无霜期330 d。水库正常蓄水位568.0 m,死水位540.0 m,相应库容21万m3,总库容149万m3

大坝为堆石混凝土重力坝,坝顶高程568.5 m,最大坝高57.0 m,坝顶宽7.0 m,最大坝底宽52.3 m,坝顶总长227.0 m,其中在坝0+192.0桩号处转向上游,转角50°,该段坝顶宽5.0 m。上游坝坡536.0 m高程以上铅直,536.0 m高程以下坡度1∶0.2;下游坝坡563.20 m高程以上铅直,563.20 m高程以下坡度1∶0.8。大坝设有3个溢流表孔,溢流净宽15.0 m。大坝主体材料采用C9015堆石混凝土,上游面设置厚0.5 m的C9015一级配自密实混凝土防渗面板,防渗面板与坝基垫层连接,河床基础设置1.0 m厚的二级配C2820混凝土垫层,坝顶设置0.3 m厚C9015自密实混凝土路面。坝体共设3条横缝,分别位于坝0+152.0、坝0+046.0和坝0+191.0桩号。上游防渗面板共设7条短缝,间距20~39 m不等。大坝填筑于2018年11月14日开始坝基垫层混凝土浇筑,2018年11月22日开始浇筑堆石混凝土坝体,2020年9月底大坝封顶,累计完成堆石混凝土约20万m3。坝体总体分8个仓面施工,以上游防渗面板分缝为界。

为揭示石坝河堆石混凝土重力坝施工期真实性态,本文依据大坝工程的设计资料和施工进度,采用有限元仿真分析方法,进行了堆石混凝土坝施工期工作性态的全过程仿真分析,研究了大坝的温度场和应力场的分布和演化规律,对施工期大坝的整体安全性进行了评估。

1 仿真分析模型建立 1.1 有限元网格

按照石坝河堆石混凝土重力坝和基岩的结构特征、材料分区、浇筑层厚等,建立堆石混凝土重力坝—地基三维精细有限元网格模型,包括:上游自密实混凝土防渗面板、坝基混凝土垫层、堆石混凝土大坝、结构缝面、孔口等,如图 14所示。模型主要为六面体单元,含有少量棱柱体单元,大坝厚度方向共切分10层,高度方向每0.5 m剖分一层,模型共包含单元262 029个,节点277 096个。模型坐标系为:x轴指向下游,y轴指向左岸,z轴竖直向上。仿真计算时有限元网格底面施加全约束,侧面施加法向约束。

图 1 堆石混凝土重力坝—地基整体有限元模型

图 2 坝体有限元网格

图 3 上游防渗面板及坝基混凝土垫层

图 4 坝体横缝及防渗面板短缝

1.2 计算参数

根据设计方提供资料,综合比较地址相近、材料相似的堆石混凝土坝工程,参照绿塘工程堆石混凝土的材料力学性能试验成果[14]确定大坝和基岩的基本热学和力学计算参数,如表 1所示。坝体的导热系数、表面散热系数、绝热温升等关键热学参数将进一步根据坝体的温度监测资料进行反演。

表 1 大坝与基岩热学和力学参数
材料类型 容重 Poisson比 线胀系数 比热容 导热系数 表面散热系数 弹性模量
kg·m-3 -1 kJ·kg-1·℃-1 kJ·m-1·h-1·℃-1 kJ·m-2·h-1·℃-1 GPa
C15自密实混凝土 2 250 0.167 1.0×10-5 0.96 8.90 48 20.0
C15堆石混凝土 2 467 0.200 0.7×10-5 0.87 10.60 48 22.0
C20常态混凝土 2 400 0.167 0.7×10-5 0.96 8.90 48 25.5
C25常态混凝土 2 400 0.167 0.7×10-5 0.96 8.90 48 28.0
C30常态混凝土 2 400 0.167 0.7×10-5 0.96 8.90 48 30.0
基岩 2 600 0.230 0.9×10-6 0.84 15.04 48 5.0

1.3 仿真分析方法

基于监测数据,采用自主研发的结构多场仿真与非线性分析软件SAPTIS[15-17],按照大坝实际施工进度,模拟每仓混凝土的浇筑过程、水化发热过程、硬化过程以及环境温度变化过程,进行堆石混凝土大坝施工期全过程仿真计算。将温度仿真计算值与监测值进行对比分析,以计算值与监测值差异最小为目标函数,反演得到大坝的热学参数。

1) 边界条件选取。

地基表面和大坝上、下游面以及仓面取气温边界条件,气温取多年月平均气温,气温边界条件如表 2所示。

表 2 多年月平均气温 
月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 年均
气温 12.0 15.0 19.0 22.0 23.0 24.0 27.0 32.0 27.0 19.0 17.0 15.0 21.0

2) 初始温度确定。

在大坝施工过程中,自密实混凝土的入仓温度监测值在28~35 ℃之间,由于自密实混凝土的比热高于堆石,堆石混凝土的入仓温度可计算如下[18]

$ T_{\mathrm{Rc}}=T_{\mathrm{Rs}} \times r+T_{\mathrm{Rscc}} \times(1-r). $ (1)

其中:TRs为堆石的入仓温度,可以认为是日平均气温;TRscc为高自密实混凝土的入仓温度;r为堆石率,取0.53。

在进行温度场仿真计算时,堆石混凝土的初始温度取入仓温度。

3) 水化发热过程模拟。

采用双指数模型模拟大坝混凝土的水化热温升过程[19]

$ \theta_{\mathrm{c}}(\tau)=\theta_{\mathrm{c} 0}\left(1-\mathrm{e}^{-\alpha \tau^{\beta}}\right). $ (2)

其中:αβ为绝热温升参数,根据温度监测资料反馈确定;θc0为大坝混凝土的最终绝热温升值。

4) 硬化过程模拟。

仿真计算采用指数模型模拟堆石混凝土的弹性模量硬化过程:

$ {E_{\rm{c}}}(\tau ) = {E_{{\rm{c}}0}}\left( {1 - {{\rm{e}}^{ - {\beta _1}{\tau ^{{\beta _2}}}}}} \right). $ (3)

其中:Ec(τ)、Ec0分别为堆石混凝土龄期为τ时的弹性模量、最终弹性模量;β1β2为堆石混凝土的弹性模量增长率参数。

绿塘大坝C9015堆石混凝土实测弹性模量平均值为34.01 GPa[14]。试验得到的是瞬时弹性模量,仿真计算时应考虑堆石混凝土的徐变效应,计算弹性模量取0.6~0.7倍瞬时弹性模量,约为20.4~23.8 GPa,参照绿塘大坝弹模试验成果,考虑本工程具体情况,通过与设计人员沟通,堆石混凝土的最终弹性模量Ec0取为22 GPa。

堆石混凝土弹性模量增长率参数根据已有工程试验数据[12]β1取0.44,β2取0.42。

2 大坝施工期温度场仿真反馈分析

图 5为大坝温度监测点布置图。图 6为大坝温度仿真值与监测值对比。可以看出,仿真计算得到的监测点的温度变化规律与实测的温度变化规律一致,且温度计算值与实测值吻合较好,表明采用的仿真分析方法和选取的热学参数是合理可靠的。仿真反演得到以下3种混凝土的水化温升。

图 5 大坝温度监测点布置图

图 6 大坝温度仿真值与监测值对比

自密实混凝土:θc1(τ)=30×(1-e-0.27τ);

堆石混凝土:θc2(τ)=14×(1-e-0.41τ0.78);

常态混凝土:θc3(τ)=22×(1-e-0.27τ)。

从温度变化过程来看,坝体靠近表面部位在浇筑后很快升至最高温度,之后逐渐降至环境温度,并随着环境温度呈现周期性变化;坝体内部在浇筑后受水化热作用温度升高,在升至最高温度后温度逐渐下降,受新浇筑混凝土温升的影响,温度在下降过程中又有所升高,之后逐渐向坝体稳定温度场演变。坝体混凝土达到最高温度的时间和温升幅值与所处部位密切相关,坝体底部厚度较大,受环境温度影响较小,一般4~5 d达到最高温度,温升幅度一般在6~7 ℃之间;坝体上部厚度较小,受环境温度影响较大,一般3 d达到最高温度,温升幅度一般在4 ℃左右。

图 7为坝体最大温度包络云图。图 9为坝体典型剖面最大温度包络云图(典型剖面位置见图 8)。可以看出,坝体表面温度受气温控制,冬季坝体表面温度较低,上游面约14~16 ℃,下游面约16~18 ℃;夏季坝体表面温度较高,上游面约26~28 ℃,下游面约28~30 ℃;大坝顶面和下游坝面考虑了太阳辐射影响,温度比上游面高2 ℃左右。夏季浇筑时混凝土的浇筑温度和环境温度高,坝体内部堆石混凝土的最高温度较高,最高约为35.0~39.5 ℃;冬季浇筑时混凝土的浇筑温度和环境温度低,坝体内部堆石混凝土的最高温度较低,最高约为25~28 ℃。

图 7 坝体最大温度包络云图

图 8 坝体典型剖面位置示意图

图 9 典型剖面最大温度包络云图

3 大坝施工期应力场仿真分析

图 1011分别为坝体第一主应力、第三主应力包络云图。可以看出,坝体下游溢流面的第一主应力较大,最大约4 MPa,其余部位最大主拉应力一般在2 MPa以内。坝体主压应力水平不高,上游坝—基交界部位主压应力存在集中现象,最大约7 MPa,坝体其余部位最大压应力普遍在3 MPa以内。

图 10 坝体第一主应力包络云图

图 11 坝体第三主应力包络云图

图 1214分别为典型剖面1、4、8的第一和第三主应力包络云图。可以看出,坝体高主拉应力主要产生于坝体表面,局部最大主拉应力约2.7 MPa,出现在剖面4下游侧顶部和下部的局部区域,但高拉应力沿坝厚延伸深度很小,最大约5 cm,其余部位最大拉应力均小于2 MPa;坝体整体压应力水平不高,上、下游坝面下部压应力较大,最大压应力出现在剖面4的坝踵部位,最大约6.2 MPa;坝体内部拉、压应力较小,拉应力基本在1.5 MPa以内,压应力基本在2 MPa以内。

图 12 典型剖面1的主应力包络云图

图 13 典型剖面4的主应力包络云图

图 14 典型剖面8的主应力包络云图

图 15为溢流坝段剖面4的529.5 m高程上、中、下游点的主应力变化过程线。可以看出,坝体表面应力主要受环境温度影响,夏季气温较高,坝体表面拉应力最小,压应力最大,随着气温逐渐降低坝体表面拉应力逐渐增大,压应力逐渐减小,冬季时,坝体表面拉应力增大至最大值,压应力减小至最小值。坝体内部由最高温度向准稳定温度场演变过程中产生一定拉、压应力,但应力值较小,最大拉应力为0.7 MPa,最大压应力为0.6 MPa。

图 15 剖面4的529.5 m高程上、中、下游测点的主应力计算值

4 大坝完建情况

水库大坝于2020年9月底封顶,根据目前坝体内部温度监测结果显示,坝体已趋于稳定温度场,坝体内部温度23.5~26.7 ℃,如图 16所示。水库于2021年10月下闸蓄水,目前蓄水至542.00 m。石坝河水库坝址处海拔在贵州省内相对较低,浇筑期高温天气入仓温度28.5~32.9 ℃,实测夏季最高温度35.0~39.5 ℃。通过合理安排浇筑时间,高温天气自密实浇筑时段多在下午5点至次日10点,同时在砂石骨料区设置了遮阳棚,堆石仓面采取洒水降温等措施,总体温升控制较好,施工期在坝体表面未见明显裂缝或开裂现象,仅在大坝上部直墙段下游表面出现几条细小温度裂缝。表面裂缝产生一般是由于表面保温措施不当,气温骤降或寒潮引起的拉应力叠加仿真应力引起,因此,如果表面仿真计算结果有拉应力存在,考虑寒潮影响后,可能会产生裂缝。总体上,大坝施工期温度场与应力场仿真计算结果与大坝实际情况较为一致,通过近期蓄水检验,目前水库蓄水良好,大坝性态正常。

图 16 坝体中部温度监测过程线

5 结论

本文以石坝河水库工程堆石混凝土重力坝为研究对象,根据设计资料及温度监测结果,考虑真实的浇筑进度和边界条件,反演得到大坝的真实热学参数,对大坝施工期温度场与应力场进行了仿真分析,根据计算分析结果得出如下几点结论:

1) 仿真计算得到的监测点的温度变化过程与监测值吻合较好,表明采用的仿真分析方法和反演得到的热学参数是合理可靠的。

2) 从坝体的温度变化规律来看,坝体靠近表面部位在浇筑后很快升至最高温度,之后逐渐降至环境温度,并随着环境温度呈现周期性变化;坝体内部在浇筑后受水化热作用温度升高,在升至最高温度后温度逐渐下降,受新浇筑混凝土温升的影响,温度在下降过程中又有所升高,之后逐渐向坝体稳定温度场演变。坝体内部堆石混凝土一般3~5 d达到最高温度,水化热温升在4~7 ℃之间,夏季浇筑时最高温度约为35.0~39.5 ℃,冬季浇筑时最高温度约为25~28 ℃。

3) 施工期大坝表面、坝踵、坝趾部位应力水平较高,溢流坝段表面局部最大主拉应力约4 MPa,其余部位在2 MPa以内;上游坝—基交界部位主压应力较大,最大约7 MPa,坝面其余部位最大主压应力普遍在3 MPa以内。坝体内部拉、压应力较小,拉应力基本在1.5 MPa以内,压应力基本在2 MPa以内。总体上,除了大坝溢流坝段表面在低温季节局部拉应力较大外,其余部位应力均未超出混凝土的强度,大坝整体安全可以得到保障,表明堆石混凝土重力坝大仓面浇筑方式是可行的。研究成果对今后堆石混凝土重力坝设计具有一定的科技支撑作用。

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