2.2　溫度場計算成果分析

選取主河床最高擋水壩段、溢流壩段、中孔壩段、底孔壩段和岸坡壩段，進行三維有限元仿真分析，采取逐步優化的方法，進行各種溫控方案的優化組合，對其施工期、運行期溫度場和溫度徐變應力場以及氣溫驟降引起的混凝土表面應力進行計算，下面對各典型壩段計算成果進行介紹。

2.2.1　河床壩段非穩定溫度場計算成果

（1）在壩體高程624.00～625.00m常態混凝土墊層區，該部位為基礎強約束區，因采取通倉薄層澆筑，層厚僅1m，故散熱條件好，該常態混凝土墊層區最高溫度為20.99℃。按規范要求，當常態混凝土極限拉伸值不低于0.85×10-4，澆筑塊長邊長度40m以上時，基礎強約束區基礎容許溫差為16℃，該部位的穩定溫度約為7℃，則該部位的最高溫度允許達到23℃。河床壩段該常態混凝土墊層區最高溫度都未超過23℃。

（2）在壩體高程625.00～645.00m范圍內，該部位碾壓混凝土位于基礎強約束區。按規范要求，當碾壓混凝土極限拉伸值不低于0.70×10-4，澆筑塊長邊長度70m以上時，基礎強約束區基礎容許溫差為12℃，該部位的穩定溫度約為7℃，則基礎強約束區的最高溫度允許達到19℃。

在各壩段中該區域溫度較高，主河床最高擋水壩段最高溫度為31.99℃；溢流壩段最高溫度為33.24℃；中孔壩段最高溫度為33.15℃；底孔壩段最高溫度為32.16℃。

經溫控仿真計算，在各壩段中壩體溫度除上游高程645.00m以下外部混凝土（上游水位不變區）和下游水位變化區（高程650.00m以下）外部混凝土的局部區域溫度較高而超過規范基礎強約束區基礎允許溫差要求外，其他部位溫度基本滿足規范要求。

（3）在壩體高程645.00～665.00m范圍內，該部位碾壓混凝土位于基礎弱約束區。按規范要求，當碾壓混凝土極限拉伸值不低于0.70×10-4，澆筑塊長邊長度70m以上時，基礎弱約束區基礎容許溫差為14.5℃，該部位的穩定溫度約為7℃，則基礎弱約束區的最高溫度允許達到21.5℃。

在各壩段中該區域溫度較高，主河床最高擋水壩段最高溫度為33.30℃；溢流壩段最高溫度為35.28℃；中孔壩段最高溫度為34.52℃；底孔壩段最高溫度為50.13℃，出現在底孔底板耐磨層混凝土內。

在各壩段中該區域溫度較高，均超過規范基礎弱約束區基礎允許溫差要求。經溫控仿真計算，在各壩段中壩體溫度除高程675.00m以下外部混凝土的局部區域溫度較高而超過規范基礎弱約束區基礎允許溫差要求外，其他區域溫度基本滿足規范要求。

（4）在壩體高程665.00～745.50m范圍內，各壩段在該區域溫度較高，最高溫度均超過36℃。主河床最高擋水壩段最高溫度為36.66℃，；溢流壩段最高溫度為51.45℃，出現在溢流壩壩體下游耐磨層混凝土區域內；中孔壩段最高溫度為54.15℃，出現在中孔底板耐磨層混凝土內；底孔壩段最高溫度為43.19℃，出現在底孔底板耐磨層混凝土內。

（5）溢流壩的壩體上游防滲體和溢流壩下游耐磨層區域的混凝土溫度較高，壩體上游防滲體最高溫度為33.24℃，溢流壩下游耐磨層區域混凝土最高溫度達51.45℃，主要原因是壩體上游防滲體和溢流壩下游耐磨層區域混凝土標號高，水泥用量大，絕熱溫升大，而壩體內部混凝土標號低，水泥用量少，絕熱溫升小。

（6）壩體中心溫度場沿壩高出現兩個高溫區和兩個低溫區。高溫區均在6—8月施工的部位，低溫區出現在冬季停工季節以及4月和10月澆筑部位。這是因為高溫季節混凝土入倉溫度高，外界氣溫高（20～22℃），且散熱條件差，導致壩體中心溫度值大；低溫季節混凝土入倉溫度低外界氣溫低（5～7.2℃），且散熱條件好，壩體中心溫度值小；冬季停工季節，外界氣溫很低，最低達-20.6℃，靠近壩體表面的溫度與其他部位相比較低。

（7）埋設冷卻水管，水管排間距1.5m×1.5m，澆筑后2d通河水冷卻，通水歷時15d，壩體溫度可降低5～6℃，可見采取埋設冷卻水管通河水冷卻對降低壩體溫度是有效的。

（8）采用保溫材料進行保溫，保溫材料為厚8cm的XPS擠塑板，保溫后的等效熱交換系數βs=1.241kJ/（m2·h·℃），混凝土初凝后開始保溫，全年保溫。經溫控仿真計算，壩體溫度和應力的情況將得到改善，可見采取厚8cm的XPS擠塑板保溫材料進行保溫是有效的。

（9）從溫度等值線圖可看出：壩體由表及里溫度逐漸增大，靠近表面的溫度梯度大，壩體內部的溫度梯度小。其原因是環境溫度和庫水溫度對壩體表層混凝土的溫度影響較大，而對內部混凝土的溫度影響較小。壩體內部最高溫度值僅與混凝土澆筑溫度和齡期有關，隨著時間的推移，壩體內部同一部位的溫度逐漸降低，但降溫速度比較緩慢。

（10）壩體表層溫度隨外界環境溫度變化比較明顯，壩體內部溫度受外界環境溫度的影響很小，其溫度在混凝土澆筑后一個月左右達到最高值并開始緩慢下降，而且從歷時曲線可以看到水庫上、下游變化對壩體表面溫度有明顯影響。

2.2.2　岸坡壩段非穩定溫度場仿真計算成果

（1）在壩體高程681.10～682.10m常態混凝土墊層區，該部位為基礎強約束區，因采取通倉薄層澆筑，層厚僅1m，故散熱條件好，在岸坡壩段中該常態混凝土墊層區最高溫度未超過13.62℃。按規范要求，當常態混凝土極限拉伸值不低于0.85×10-4，澆筑塊長邊長度40m以上時，基礎強約束區容許溫差為16℃，該部位的穩定溫度約為7℃，則該部位的最高溫度允許達到23℃。岸坡壩段常態混凝土墊層區最高溫度滿足規范要求。

（2）在壩體高程682.10～690.70m范圍內，該部位碾壓混凝土位于基礎強約束區。按規范要求，當碾壓混凝土極限拉伸值不低于0.70×10-4，澆筑塊長邊長度在30～70m時，基礎強約束區基礎容許溫差為14.5℃，該部位的穩定溫度約為15℃，則基礎強約束區的最高溫度允許達到29.5℃。

在岸坡壩段中該區域局部區域溫度較高，最高溫度為32.76℃，局部區域超過基礎強約束區基礎容許溫差要求。溢流壩段最高溫度為33.24℃；中孔壩段最高溫度為33.15℃；底孔壩段最高溫度為32.16℃。其他區域溫度基本滿足規范要求。

（3）在壩體高程690.70～700.30m范圍內，該部位為基礎弱約束區。按規范要求，當碾壓混凝土極限拉伸值不低于0.70×10-4，澆筑塊長邊長30～70m時，基礎弱約束區基礎容許溫差為16.5℃，該部位的穩定溫度約為15℃，則基礎弱約束區的最高溫度允許達到31.5℃。

在岸坡壩段中該區域除個別點之局部區域溫度達32.56℃外，局部區域最高溫度稍微超過規范基礎弱約束區基礎允許溫差1.06℃，基本滿足規范要求，其他區域溫度滿足規范要求。

（4）在壩體高程700.30～745.50m范圍內，該部位為非約束區，在岸坡壩段中該區域的局部區域最高溫度達40.73℃，而稍微超過允許最高溫度要求外，其他區域溫度基本滿足允許最高溫度要求。

（5）埋設冷卻水管，水管排間距1.5m×1.5m，澆筑后2d通河水降溫，通水歷時15d，可將壩體溫度降低，可見采取埋設冷卻水管通河水冷卻對降低壩體溫度是有效的。

（6）采用保溫材料進行保溫，保溫材料為厚8cm的XPS擠塑板，保溫后的等效熱交換系數βs=1.241kJ/（m2·h·℃），混凝土初凝后開始保溫，全年保溫。經溫控仿真計算，壩體溫度和應力的情況將得到改善，可見采取厚8cm的XPS擠塑板保溫材料進行保溫是有效的，但壩體表面最低溫度在最寒冷的月份仍然在-3℃左右。

（7）壩體由表及里溫度逐漸增大，靠近表面的溫度梯度大，壩體內部的溫度梯度小。其原因是環境溫度和庫水溫度對壩體表層混凝土的溫度影響較大，而對內部混凝土的溫度影響較小。壩體內部最高溫度值僅與混凝土澆筑溫度和齡期有關，隨著時間的推移，壩體內部同一部位的溫度逐漸降低，但降溫速度比較緩慢。

（8）壩體表層溫度隨外界環境溫度變化比較明顯，壩體內部溫度受外界環境溫度的影響很小，其溫度在混凝土澆筑后一個月左右達到最高值并開始緩慢下降，而且從歷時曲線可以看到水庫上、下游變化對壩體表面溫度有明顯影響。

2.2.3　寒潮引起的溫度場計算成果

根據寒潮資料，假設在壩體施工過程中每年2月與5月各發生一次寒潮，2月寒潮發生在2月16—21日，歷時6d，氣溫驟降30.2℃；5月寒潮發生在5月12—18日，歷時7d，氣溫驟降9.86℃。

（1）寒潮對壩體混凝土的影響深度不大，對壩體中心溫度影響很小，約降低0.24℃。

（2）寒潮對壩體表面混凝土的拉應力影響較大，由于寒潮影響產生的拉應力將超過相應齡期的混凝土的抗拉強度。因此，應加強剛剛澆筑的混凝土表面的保護，否則，混凝土表面將會產生大量的表面裂縫。

另外，寒潮對壩體混凝土溫度的影響深度一般在1～1.5m范圍內。

（3）兩次寒潮對壩體表面和壩體內部混凝土溫度的影響，當2月寒潮發生時，由于寒潮使氣溫驟降30.2℃，而使壩體表面溫度由0.32℃降低到-3.59℃，溫度降低3.91℃；5月寒潮發生時，由于寒潮的影響，壩體表面溫度由0.83℃降低到1.53℃，溫度降低2.36℃。由于對混凝土表面采取了保溫材料為厚8cm的XPS擠塑板保溫，混凝土初凝后保溫，因此寒潮對表面溫度影響比沒有保溫時影響小得多，由此可見保溫材料為厚8cm的XPS擠塑板有效的保溫作用。

（4）由于混凝土表面采取了保溫材料為厚8cm的XPS擠塑板保溫，寒潮對壩體中心溫度幾乎沒有影響。

2.2.4　越冬層面的溫度場仿真計算成果

河床壩段第一個越冬層面高程為645.00m，第二個越冬層面高程為699.00m；岸坡壩段第一個越冬層面高程為699.00m，第二個越冬層面高程為714.00m。

在壩址區，由于冬季長時間停歇而造成越冬層面，無論在河床壩段還是在岸坡壩段，壩體長時間間歇越冬層面部位出現低溫。由于冬季氣溫很低，尤其是上下游棱角部位處于雙向散熱狀態，致使上下游棱角部位超冷。冬季混凝土表面溫度很低，第二年春天混凝土澆筑時層面混凝土溫度低，而混凝土入倉溫度較高，加之水化熱的影響，新澆混凝土的溫度較高，因而形成了較大的上下層溫差和內外溫差。

因此，提高越冬層面的溫度，能有效減少越冬層面的拉應力。

2.2.5　河床壩段應力場計算成果分析

對碾壓混凝土重力壩進行了施工期和運行期溫度徐變應力場仿真計算，根據施工期和運行期溫度應力及綜合應力計算成果，經分析可以看出：

（1）河床壩段基礎常態混凝土墊層的溫度應力均較大。

最高擋水壩段基礎常態混凝土墊層施工期最大溫度應力σzmax=3.60MPa。

溢流壩段基礎常態混凝土墊層施工期最大溫度應力σzmax=3.38MPa。

中孔壩段基礎常態混凝土墊層施工期最大溫度應力σzmax=3.31MPa。

底孔壩段基礎常態混凝土墊層施工期最大溫度應力σzmax=3.39MPa。

寒潮方案基礎常態混凝土墊層施工期最大溫度應力σzmax=3.61MPa。

最高擋水壩段基礎常態混凝土墊層運行期最大溫度應力σzmax=3.45MPa。

溢流壩段基礎常態混凝土墊層運行期最大溫度應力σzmax=2.63MPa。

中孔壩段基礎常態混凝土墊層運行期最大溫度應力σzmax=3.10MPa。

底孔壩段基礎常態混凝土墊層運行期最大溫度應力σzmax=3.28MPa。

寒潮方案基礎常態混凝土墊層運行期最大溫度應力σzmax=3.47MPa。

壩體基礎常態混凝土墊層部位出現較大的拉應力區的主要原因是，施工期需要在墊層上面進行壩基固結灌漿，造成墊層混凝土長間歇，在外溫變化及基巖約束雙重作用下出現較大的拉應力。

（2）壩體因為在冬季無法施工，長時間停歇而造成越冬面，壩體在高程645.00m（2007年11月1日—2008年3月31日）長間歇和高程699.00m（2008年11月1日—2010年3月31日）長間歇時，壩體的溫度應力、綜合應力均較大。

壩體長間歇層面部位出現較大拉應力區的主要原因是，由于冬季長時間停歇而造成越冬面，尤其是上下游棱角部位過冷，造成過大的上下層溫差，加之內外溫差的作用，在越冬層面出現較大的拉應力。

（3）溢流壩段壩體下游面耐磨層混凝土的溫度應力、綜合應力均較大。溢流壩段壩體下游面耐磨層局部部位的施工期最大溫度應力σzmax=3.38MPa，施工期最大綜合應力σzmax=2.47MPa。

溫度應力、綜合應力較大的原因是下游面耐磨層混凝土標號高，絕熱溫升大（達52.33℃），由于溫降產生的拉應力大。