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摘要：以大型有限元软件ANSYS为平台，考虑中期导流影响对某碾压混凝土坝进行仿真计算。根据仿真分析结果，中期导流对坝体温度应力影响由坝体表面至坝体内部逐渐减弱，主要影响范围为坝体表面5~10m；整个导流过程中，坝体上游表面应力增大0.25MPa左右。
关键词：中期导流；温度应力；仿真分析
引言：碾压混凝土筑坝技术采用干硬性混凝土和薄层碾压方法施工，单位体积混凝土所用水泥用量较少，水化热、绝热温升也较低。我国于1986年建成了第一座碾压混凝土重力坝——坑口坝以来，碾压混凝土筑坝技术得到了迅速的发展。本文以大型有限元软件ANSYS为平台，对某碾压混凝土重力坝中期导流进行仿真计算，考虑大坝浇筑过程中洪水影响，分析中期导流对碾压混凝土重力坝应力影响。
1碾压混凝土重力坝施工及其温度概述
1.1碾压混凝土重力坝施工概述
洞河水库枢纽工程位于安康市汉阴县以东8km的涧池镇境内，枢纽工程由拦河坝、泄洪表孔、泄洪底孔、引水洞、电站厂房和变电站等建筑物组成。拦河坝为碾压混凝土抛物线双曲拱坝，坝顶高程397.5m，坝基最低高程为332.0m，最大坝高65.5m，坝底宽15.645m，坝顶宽6.5m，坝顶上游弧长264.473m。水库正常蓄水位391.00m，设计洪水位394.53m。
对于碾压混凝土重力坝而言，在施工过程中，对于质地很硬的混凝土可以用土石坝碾压技术，通过平仓和填筑成坝。在施工的时候，由于充分应用了土石坝的施工技术。所以，在对水利坝体进行施工的时候，凝胶材料以及用水量的需求都较少，施工所需的成本费用也很低，施工人员能够在短期内就完工。然而，在施工过程中当，因为气候及温度因素的制约，导致浇筑混凝土温差相对比较大，从而使材料出现伸直或收缩的情况，进而导致材料结构出现变化，引起温度应力[1]。在材料拉伸值比这种应力值还要低的时候，就可能导致水坝混凝土的结构存在变形或裂缝的情况。
1.2碾压混凝土重力坝降温分析
在对重力坝进行施工的时候，可以依靠碾压设备来对混凝土展开大面积碾压施工，这个过程使用的水泥量并不是很多。在水化热反应比较少的条件之下。温差可以尽可能地控制在较低水平，从而有效地保证混凝土质量。重力坝温度应力通常在工程施工全过程中的三个阶段都有存在：首先，早期应力。这种类型的应力在浇筑作业起始阶段中开始[2]。当浇筑作业完成以及水泥放热完成以后，部分应力还会留在结构的内部。处于该时期的应力具有以下的特点：重力坝施工使用的水泥，在水的混合作用下会放出大量的热量，以此产生的温度应力无法及时有效的排出，导致混凝土的强度等性能降低，进而在浇筑材料的表面上留有较多的裂缝。同时，浇筑的物料处于弹性期时，受到外界应力的影响，使得混凝土整体结构发生变形。其次是中期应力。产生于水放热结束后，随着混凝土热量的逐步降低，联合早期应力共同对混凝土结构进行影响，直至混凝土温度完全降低且稳定时，应力会消失[3]。最后则为晚期应力。在气候、水文条件的影响下，使得浇筑温度在稳定状态下的混凝土结构温度应力会发生变化，在早期、中期残余的应力联合作用下，造成重力坝混凝土结构的诸多问题。
1.3碾压混凝土重力坝设计要点
1.3.1预制构件设计
在设计控制过程中，要想达到工程建设对施工质量与施工进度提出的目标，应将预制构件作
用于相应的位置。在设计下游碾压混凝土仓面过程中，设计人员应将预制块作为模块，进而使作用的环境结构具有安全稳定效果。
1.3.2钻孔设计
可以采用常规的坝体排水管设计，将缩小碾压混凝土施工仓面，进而严重影响实际施工建设的效率。为此，设计人员应从整体角度出发，即在完成坝体碾压混凝土全部施工后，采用坝顶钻孔，来形成坝体的排水孔，以提高施工速度
2仿真计算模型
某碾压混凝土重力坝坝高65.5m。其中建基面高程以下基岩厚度取1.5倍坝高，坝轴线上、下游侧顺河向范围取1.5倍坝高。坝体及坝基岩体均采用空间8节点等参实体单元，整个计算域共离散为34335个节点27564个单元，其中坝体33320个节点、26784个单元。温度计算中，取基岩的底面及4个侧面为绝热面，基岩顶面与大气接触的为第3类散热面，坝体上下游面及顶面为散热面，两个横侧面为绝热面。应力计算中，取基岩底面三向全约束，左右侧面及下游面为法向单向约束，上游面自由，坝体的4个侧面及顶面自由。
3仿真计算分析
本工程中期导流过程如下：坝体修建到度汛高程368.4m时，在溢流坝段预留宽34m、高程351.0m的缺口，以便中期导流，该阶段由坝体挡水，导流隧洞及坝体缺口共同泄水，此时坝体度汛拦洪水位为368.4m，拦洪水位随大坝浇筑及坝体缺口高程的上升而上升，坝体浇筑至369.0m高程时，坝体不再设置缺口溢流，由导流洞泄流。采用三维有限元ANSYS软件，动态模拟坝体施工、加载过程及气温、水温等变化条件，考虑坝体中期导流，得到坝体浇筑至预定高程时刻、中期导流坝体泄流完成时刻、中期导流后时刻3个时刻的坝段顺河向剖面与坝体上游表面的温度场及应力场包络图。坝体浇筑至预定高程时刻、中期导流坝体泄流完成时刻、中期导流后时刻3个时刻的坝段顺河向剖面温度场包络图。坝体浇筑至预定高程时刻、中期导流坝体泄流完成时刻、中期导流后时刻3个时刻的坝段顺河向剖面与坝体上游表面应力场包络图[4]。
4仿真结果分析
在中期导流时，由于坝体挡水作用，坝体上游表面边界条件由气温变成了水温，此时水温低于混凝土温度，呈现出水温对上游坝体温度的影响，该影响由坝体表面至坝体内部逐渐减弱，影响范围为坝体表面5~10m范围，且随着水位的升高对底部坝体的影响增大。中期导流对坝体表面混凝土的影响大于内部混凝土的影响，主要表现在导流挡水对表面混凝土的冷击作用[5]。在坝体表面，新浇筑的混凝土受到的影响较大，因为新浇筑的混凝土温度较高，受水温冷击作用明显；在坝体内部，底高程的混凝土受到影响稍大，因为底部水温较上部低，冷击的影响范围较上部大。
由于坝体挡水过程中水温冷击的影响，坝体上游表面的应力大于坝体内部应力，且主要集中在新浇筑的浇筑层表面，因为刚浇筑的混凝土温度较高，受到相对低温库水的冷击作用使得混凝土与环境温差变大，导致应力的上升[6]。但整个坝体的应力较低，应力最大的部位约为1.06MPa。坝体内部受中期导流影响较小，坝体上游表面受中期导流影响大于内部，根据EL118.5m与EL143.2m上游表面点的应力过程线，可以看出拉应力在施工导流过程中均有上升趋势，上升幅度约为0.25MPa左右。
结束语
本文考虑中期导流影响对坝段进行仿真计算，根据仿真计算分析结果，中期导流对坝体温度应力的影响由坝体表面至坝体内部逐渐减弱，主要影响范围为坝体表面5~10m范围。整个导流过程中，坝体上游表面应力增大0.25MPa左右。总体而言，中期导流过程中整个坝体应力水平较低，应力最大的部位为1.06MPa。
参考文献：
[1]漆焕然.浇筑厚度、间歇时间对碾压混凝土重力坝温度和应力的影响研究[D].西安理工大学，2017.
[2]焦海棠.坝基爆破开挖对碾压混凝土坝的振动响应研究[J].山西建筑，2016，42（05）：232-233.
[3]李丽霞.官地水电站碾压混凝土重力坝快速施工及温控防裂施工技术[D].河北工程大学，2015.
[4]彭冈，高鹏，王毅.向家坝水电站碾压混凝土关键施工技术探索[J].人民长江，2015，46（02）：10-13+18.
[5]张辰，刘道文，刘艳波.枕头坝碾压混凝土围堰温控与防裂研究[J].人民长江，2014，45（24）：37-39.