Page 34 - 2022年第53卷第8期

４．３ 心墙相变砾质土施工控温有限元建模 以西南某砾质土直心墙堆石坝工程为例，冬季施工期大坝
某高程心墙填筑尺寸为宽 ４０．０ｍ，长 ３００．０ｍ。心墙与两岸坝肩铺设水平厚度 ４．０ｍ的接触黏土，心墙
上游设置两层水平厚度为 ４．０ｍ反滤层，下游设两层水平厚度为 ６．０ｍ的反滤层。心墙均分为 ３个施
工仓面，压实后心墙每层厚度为 ０．２７ｍ。据该坝区气象站多年冬季实测资料统计多年平均风速不大于
２．５ｍ?ｓ，因此本研究平均风速采用 ２．５ｍ?ｓ；选择坝区冬季 ３个不同的施工气温环境（最低温 － ５℃、
－ ８℃和－ １０℃），具体见图 １１、图 １３和图 １４中环境温度曲线。考虑制备经济性，且土料制备温度应
大于 ＰＣＭ相变温度，故土料初始温度选定为 ８℃。
心墙区、接触黏土区和反滤料区顶面暴露于环境气候下，当风带动空气流过填筑区表面时，产生
强制对流换热，并向环境发出热辐射。心墙、接触黏土及反滤料底面及侧面被其他分区填筑料包围，
外部温度已无法影响心墙温度，按热绝缘处理，故采用一维传热模拟。心墙相变砾质土施工温控模型
及边界条件如图 １０所示，Ａ、Ｂ、Ｃ三点分别位于心墙与接触黏土边界处、心墙与反滤料边界处和心
墙中心点。各分区材料热物性参数同表 ６。

图 １０ 心墙相变砾质土施工温控模型及边界条件（单位：ｃｍ）

４．４ 心墙相变砾质土施工控温模拟结果分析
４．４．１ 环境最低温－ ５℃下心墙防冻控温分析 不同 ＰＣＭ掺量下 Ａ点、Ｂ点及 Ｃ点的表层温度历程和
心墙最低温表面温度云图（以 ２＃仓面为例），如图 １１和图 １２所示。模拟结果表明：
（１）反滤层和接触黏土层对心墙相变砾质土防冻控温性能有不利影响。Ａ点和 Ｂ点的表层温度低
于 Ｃ点的表层温度，Ａ点和 Ｂ点温度变化近乎一致的原因是反滤料和接触黏土料主要成分为砾石和黏
土，两者的热物性参数（密度、导热系数和比热）相差不大，当环境温度工况变化相同时，接触黏土区
和反滤料区温度变化几乎一致，差别不大。心墙填筑施工中应注意心墙与其他土料边界的土体温度，
必要时刻可小范围采取措施保证心墙不发生冻结。
（ ２）６％ ＰＣＭ掺量相变砾质土具有防冻控温性能；然而，４％ ＰＣＭ 掺量相变砾质土出现土体冻结，
防冻控温性能下降。４％掺量的相变砾质土表层最低温度低于 ０℃，无法保证一整夜防冻控温效果，因
此后文施工模拟中仅分析 ６％ ＰＣＭ掺量相变砾质土控温效果。
４．４．２ 环境最低温－ ８℃下心墙防冻控温分析 日最低温－ ８℃的施工环境温度下，不同初始温度相变
砾质土心墙中心处其表层温度历程如图 １３所示。

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