首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 水利水电工程论文 > 高寒地区混凝土重力坝温控防裂仿真分析

高寒地区混凝土重力坝温控防裂仿真分析

2025-05-05 52 上传者：管理员

摘要：高寒、高海拔外部环境条件下混凝土重力坝温控防裂问题尤为重要。以高寒地区某抽水蓄能电站的下水库拦河坝段为例，研究施工期浇筑温度及冷却水管布置对坝体混凝土温度场、应力场的影响，并确定合理的温控措施。结果表明，采用浇筑温度12℃,冷却水管1.5 m×1.5 m(水平向间距×竖直向间距)布置，及接通10℃制冷水等温控措施，能有效降低坝体混凝土最大温度及最大应力，防止混凝土开裂。

关键词：
水利工程
温度裂缝
温控措施
防裂
高寒地区
加入收藏

随着我国经济的高速发展,对于水利工程中的各大基础设施的需求越来越迫切,对其的投入越来越多,其规模也是越来越庞大,但大体积混凝土施工的温度及应力控制是一个不可回避的问题｡由于大体积混凝土体积庞大､浇筑量大､施工条件复杂､工期周期长,加之自身水化放热产生大量热量,内部温度不容易散发,固化过程中又因为内部与外部的散热条件不同,导致散热速率不一致,当温差达到一定条件时,混凝土就会因应力作用形成温度裂缝,从而导致工程隐患｡大体积混凝土出现温度裂缝的重要原因之一是没有选择合适的温控措施｡近几年为达到能源充分有效利用,大力建设抽水蓄能储能工程,尤其在西北高寒､高海拔地区水资源丰富,需要储能工程调峰填谷｡而混凝土重力坝作为抽水蓄能工程的重要挡水建筑物,在高寒､高海拔的严峻外部环境条件下,温控防裂问题尤为突出｡刘毅[1]认为主要有以下三个问题:①年平均气温低,导致大坝稳定温度场低,夏季施工很难控制;②冬季温度低,过冬面防裂与冬季长间歇过冬问题突出;③冬夏温差大,运行期温度荷载大｡曾淏[2]对外界气温､浇筑材料热力学特性､入仓温度､浇筑层间间歇及常规保温措施等因素进行了研究,认为混凝土采用自然入仓,不专门采用保温和通水措施的情况下,坝体大部分区域的应力小于允许应力,局部应力略大于允许应力,建议该区域合力调整浇筑层厚及间歇期｡张国新[3]就混凝土越冬保温的方法进行了研究,最后,提出了一种新型的混凝土越冬保温方法,即利用高寒地区的气候特点,采用一定厚度的雪层进行保温｡朱伯芳[4]则提出了小温差､早冷却､缓慢冷却的新冷却方式｡以上学者缺少研究不同浇筑温度与不同冷却水管的排列方式对温度场的影响,为此,本文以高寒地区某抽水蓄能电站工程下水库拦河坝为例,分析施工期在不同浇筑温度及不同冷却水管布置形式相互组合等四种工况下的温度场和应力场,并研究了它们对混凝土的影响程度,提出了合理的保温措施[5]｡

1、工程概况

该工程的拦河坝采用常态混凝土重力坝,坝轴线直线布置,与河流接近正交｡坝顶高程2015m,河床部位建基面高程1944m,最大坝高71m,下水库正常蓄水位2010m,死水位1982m｡大坝坝顶总长210m,坝顶宽度10m,坝底最大宽度为89.35m｡大坝上游坝坡自坝顶高程以下采用一坡到底形式,坡比为1∶0.4;下游坝坡,高程2001.5m以下为1∶0.9,以上为铅直面,下游坝面折坡点处采用半径10m的圆弧过渡｡

该工程属大陆性温带干旱气候,具有寒冷､干燥､多风的特性｡多年平均气温5.2℃,极端最高气温34.7℃,极端最低气温-29℃｡平均风速3.6m/s,历年最大风速平均值17.7m/s｡

2、计算参数

2.1模型参数

本文选取拦河坝典型坝段进行温度应力及温控防裂计算｡模型选取地基深度为1.5倍坝高,坝踵上游和坝址下游分别取1倍坝高,模型共包含单元110751个,节点123700个,坝体分区共8区,有限元模型如图1所示｡

图1拦河坝典型坝段有限元模型

2.2热力学参数

本工程基岩及混凝土热力学参数见表1｡

表1混凝土和基岩的热学､力学性能

混凝土绝热温升表达式采用双曲线公式,混凝土绝热温升表达式[5]为

式中:Q(τ)为混凝土绝热温升,℃;τ为混凝土龄期,d;θ0､d均为常数,通过试验数据拟合得到｡

混凝土弹性模量表达式采用复合指数公式,混凝土弹性模量表达式[5]为

式中,E0､a､b均为常数｡

本工程年平均气温为5.4℃,最低月平均气温是一月(-10℃),最高月平均气温是七月(18.3℃)｡日平均气温Ta拟合时需考虑2℃的太阳辐射,公式[5]为

浇筑计划为下水库拦河坝2026年3月开始坝体混凝土施工,2027年4月坝体全断面浇筑至坝顶高程｡2026年3月开始浇筑垫层混凝土,间隔90d后,6月份启浇坝体常态混凝土,其中12月至次年2月低温季节停止混凝土浇筑施工｡基础约束区混凝土浇筑层厚按1.5m控制,非约束区按3m层厚控制,浇筑块层间间歇时间为7d,在施工过程中,各坝块应均匀上升｡

3、仿真结果与分析

3.1温控标准

结合该工程坝址区年平均气温及库水水温等边界条件,基础约束区稳定温度取7℃｡根据规范及该工程浇筑块结构尺寸确定,坝体强约束区容许温差按15℃控制,弱约束区按18℃控制,则坝体强约束区(0<h≤0.2L)容许最高温度为22℃,弱约束区(0.2L<h≤0.4L)容许最高温度为25℃｡h为浇筑块距离建基面高度,L为建基面的水平投影最大边长｡

施工期混凝土温度应力应满足下式要求:

式中:σ为不同区域的混凝土浇筑块最大温度应力或表层混凝土最大温度应力,MPa;ε为混凝土极限拉伸值,由试验确定;E为混凝土弹性模量,MPa,由试验确定;Kf为综合安全系数,中､高坝宜采用1.5~1.8,表面混凝土温度应力控制标准宜取1.3~1.5｡

3.2结果分析

根据以上计算参数,输入基本单元信息､材料参数､浇筑计划,后处理后得大坝的温度场､应力场,最后导出数据结果｡本工程分别选取四种工况进行对比:

①case1:浇筑温度14℃､水管布置基础垫层1.0m×1.0m,约束区1.5m×3.0m(水平向间距×竖直向间距)､冷却时间21d､冷却水温10℃;

②case2:浇筑温度12℃,水管布置基础垫层1.0m×1.0m,约束区1.5m×3.0m(水平向间距×竖直向间距)､冷却时间21d､冷却水温10℃;

③case3:浇筑温度12℃,水管布置基础垫层1.0m×1.0m,约束区1.5m×1.5m(水平向间距×竖直向间距)､冷却时间21d､冷却水温10℃;

④case4:浇筑温度12℃,不布置冷却水管｡

因坝体上下游表面均布置永久保温板,表面温差变化并不显著,为研究典型坝段每个约束区(高程从低到高,分别为强约束区､弱约束区､自由区)温度､应力变化趋势,取约束区典型高程中心位置作为典型点,依次为典型点1(强约束区中心点)､典型点2(弱约束区中心点)､典型点3(自由区中心点);并且研究典型点的温度范围和应力大小,在施工期的变化趋势｡

拦河坝段的各个典型点,对于不布置冷却水管和布置冷却水管的两种工况,布置冷却水管的情况下的典型点最大应力较不布置冷却水管时的最大应力低;在布置冷却水管的工况下,冷却水管排布更密集的最大应力低;浇筑温度低的,最大应力低｡

四种工况的温度场､应力场计算结果如表2所示｡

表2温度场､应力场计算结果

混凝土重力坝各温控方案对比分析结果如下:1)推荐工况:case3通水水温为10℃,浇筑温度为12℃,冷却水管布置为1.5m×1.5m;强约束区典型点在4d内达到最高温度18.44℃,最大拉应力为1.35MPa,各典型点安全系数均高于1.5,此工况下温控效果最佳｡

2)不通水工况:case4不采取通水冷却,浇筑温度为14℃;强约束区典型点在100d达到最高温度29.70℃,最大拉应力为2.3MPa,各典型点安全系数均低于1.5｡由此可见,不通水的工况下,最大拉应力过大,产生的最大应力龄期比推荐工况延迟3个月以上,特点不同,做出针对性的修改完善,最终在整体模版框架下形成统一的标准化过程文件｡

技改过程标准化的实施,为电厂二次设备大型改造提供了相应的参考模版｡特别是通过编制对应改造项目现场作业风险管控实施细则,精准管控了改造项目过程中可能存在的细节性､关键性风险,同时通过编制改造项目具体的现场验收细则,实现了项目的过程化验收,更细致､更具体地弥补了之前集中验收的漏洞,增强了项目改造最后一道关卡的厚度｡

4、结语

本文以大型水电厂电气二次设备运维班组管理创新与实践为案例,如文中提到的“图纸就地化”､“设备手册制”､“设备主人制”,本质上是为了夯实电厂相关专业的基础技术资料体系的建立和完善,提升现场技术､设备管理的标准化､流程化,最大限度减少人为因素的影响｡通过以制度的形式让各专业骨干的关键技术资料和心得能够得到交流和共享,为“共享型”班组的建设进行了探索,实现了“离人不离技术”的建设目标,最大限度减小了新形势下大型水电厂人员流动大､运行维护队伍不稳定的不利因素影响｡“技改过程标准化”､“关键设备辨识及运行状态趋势分析”､“防非停检查制”,本质上是为了进一步消除大型水电厂设备先天性不足､改造难度风险偏大,采用多重手段标准化项目管理流程､深度挖掘分析数据､提升设备运行状态研判能力和班组设备管理水平,进而进一步增强机组安全稳定性的有力举措｡

以上管理创新与实践,执行主体全部为班组青年员工,通过深度参与班组技术和设备管理创新工作,青年员工实现了业务技能和管理意识的同步提升,提高了青年员工的成长成才效率,实现了人力资源的高效利用｡且本项目具有高度的可移植性和借鉴性,可以在系统内推荐应用,而这也将为新形势下大型水电厂的管理效力提升做出有益促进,其潜在应用效益较大｡

参考文献:

[1]刘刚,王德军,廖孟江,等.基于安全生产三道防线的班组管理模式[J].水电站机电技术,2021,44(1):99-104.

[2]魏朝阳.浅谈小水电厂技术管理[J].小水电,2003(1):10-11.

[3]孙勇,谭勇.流域电厂班组标准化管理浅析[J].水电与新能源,2011(4):36-38.

[4]李乐,林显,赵焱,等.梯级电站集控中心调度运行班组管理探讨[J].水电与新能源,2016(5):64-66.

[5]潘道明,王靖欧.基于目标管理的班组建设———以柬埔寨达岱电厂为例[J].水电与新能源,2015(10):46-47,52.

文章来源:李宇佳,高东红,熊志豪.高寒地区混凝土重力坝温控防裂仿真分析[J].水电与新能源,2025,39(04):46-48+61.