（水利工程专业论文）广西右江百色水利枢纽碾压混凝土重力坝温度徐度应力分析.pdf

摘要 广西右江百色水利枢纽碾压混凝土坝温 度徐变应力分析 学科：水工结构工程 作者：程国银 导师：陈尧隆教授 答辩日期：2 0 0 2 9 黄强教授 摘要 碾压混凝土将混凝坝结构和材料与土石坝施工方法两者的优越性 结合起来，在水利工程中得到愈来愈多的运用。碾压混凝二【二坝技术应用 于大坝建设，始于7 0 年代初，它具有温控措施简单、施工快、水泥用量 少、投资省等优点。 本文概述了碾压混凝土坝的特点及其发展趋势，以及碾压混凝上重力 坝温度场和温度应力场的计算原理，并对广西右江百色碾压混凝二e 重力 坝施工期及运行期温度场和温度应力场进行了汁算。 采用三维有限元浮动网格法对坝体施工过程进行温度场和温度心力 的仿真计算，其计算网格和计算步长随着坝体浇筑过程有规律地从小刚 格、小步长变为大网格、大步长，既缩短计算时间节省内存，义能充分 考虑碾压混凝土分层施工的影响。 根据施工过程、边界条件、坝段的不同分别对两个方案进行了涡度和 应力计算，并绘制出稳定温度场等值线图及施【+ 期、运行期非稳定温艘 场等值线圈。用e x c e l 软件生成坝高3 m 、15 m 处水平面中心线上典型点 的。、。，、o 。时间变化图和最大o ，、。，、o 。沿坝高分布图。 分析比较计算成果，选出合理的施工方案。 关键字：碾压混凝土，温度场，应力场，三维有限元浮动网格法 西安理工大学工程硕士学位论文 a n a l y siso nt e m p e r a t u r es t r e s s0 fb a 工一s er o l l e r c o m p a c t e dc o n c r e t eg r a v i t yd a mi ng u a n g x ip r o v i n c e m a j o r ：h y d r a u l i c e 兀g i n e e r i n ga u t h o r ：c h e n gg u oy in t u t o r s ：c h e n y a ol o n gp r o f essor h u a n gq i a n gp r o f e s s o r a b s t r a c t t h a tb o t ht h es t m c t u r ea n dm a 地一a lo fc o n c r e t ed a m sa n dc o n s t f u c t i o nm e a n so fe a r t h d a m sa r eu s e di nm l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t ed a r n sm a k er o cd a ml n c r e a s i n g l yu s e di n w a t e re n g i n e e r i n g s t h et e c h n i q u eo f r c c dw a su s e dt oc o n s t r u c td a m si n1 9 7 0 s i tj se a s y t oc o n t r 0 1t e m 廿e r a c u r ea n ds a v e st i m e 、 m o n e va n dc o n c r e t e t h isp a p e ri n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r is t i c sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do fr c c d a m sa n de x p l a i n st h ec a l c u l a t i o nt h e o r yo ft e m p e r a t u r ef i e l da n dt e m p e r a t u r e s t r e s sf i e l do f r c cd a m a n da ls oc l c u l a t e st h et e m p e r a t u r ef i e l d a n d t e m p e r a t u r es t r e s sf i e l do fb a i s er o l l e rc o p a c t e dc o n c r e t e ( r c c ) g r a v i t yd a m i ng u a n g x ip r o v i n c ed u r i n gc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n t h r e ed i m e n s i o nf i n i t ee l e m e n tf l o a t i n g m e s hm e t h o di su s e dt oc a l c u l a c e t h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r a s t r e s so fr c c dt h ec a l c u l a t i o nm e s ha n ds t e p a o n gw i t hd a mp o u r i n gp r o c e s sc h a n g ef r o ms m a llm e s ha n ds t e pt ol a r g eo n e s r e g u l a r l yi nt h i sw a yi tc a n s a v et i m ea n d e o r y ，a n da l s oc a nc o s i d e rt h e c f f e c to fl 栅i n a t i o n 口l a c e m e n to f r c cd a m a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c eo fc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，b o u n d a r yc o n d i t i o n a n d m o n 0 1 i t h ，t h et e m p e r a t u r ef i e l d a n dt h c r m a lf i e l do ft w os c h e m e sa r e c a l c u l a t e d a n dt h eis o l i n em a do fs t a b l et e m d e r a t u r ef i e l d a n d t h eis o l i n e m a po fu n s t a b l et e m p e r a t u r ef i e l dd u r i n gc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o na r ed r a w n r e s p e c t i v e l yt h ec h a n g ec u r v ea l o n gw i t ht i m eo fo ”o ，a n do 。o ft y p i c a l p o i n t si nt h ec e n t r a ll i n eo ft h eh e i g h l3 ma n d1 5 mo fda 【r ia n dt h ed i s t r i b u t i o n c u r v ea l o n gw i t hh e i g h to fd a mo ft h em a x i m a lo 。、o ，a n do ：a r ed r a w ni ne x c e l s o f t w a r e t h r o u g ht h ea n a l y s l sa n dc o m p a r is o no f t h er e s u l t s，r e a s o n a b l e c o n s t r u c t i o ns c h e m eiss e l e c t e d k e yw o r d ：r c c ， t e m p e r a t u r ef i e l d ， s t r e s sf i e l d ， 3 一df i n i t ee l e m e n tf l o a t i n g m e s hm e t h o d 前言 1 l l 日u吾 百色水利枢纽工程是珠江流域防洪规划中确定的郁江堤库结合防洪 工程体系中的骨干工程，是一座以防洪为主，兼顾发电、灌溉、航运、 供水等综合利用的大型水利枢纽。该工程位于百色市上游2 2 k m 的右江河 流上，坝址以上流域面积1 9 6 0 0 k m 2 ，多年平均流量为2 6 3 m s ，多年平均 径流量为8 2 9 1 0 8 m ，水库正常高水位2 2 8 o o m ，死水位2 0 3 o o m 防洪限 制水位2 2 0 o o m ，设计洪水位2 3 2 4 6 m ，校核洪水位2 3 3 3 5 m ，总库容5 6 1 0 8 m 。，其中防洪库容1 6 4 l o ”m 3 ，属于多年调节水库。工程综合利用效 益大：防洪效益，发电效益，航运效益，水库可改善和扩大电 力提灌面积。百色水利枢纽工程总投资4 8 6 4 亿元，工程采用分期建设 的方式，第一期工程修建挡水、泄水和发电建筑物：第二二期工程修建通 航建筑物。百色枢纽工程由重力坝地下发电厂房系统，两座副坝和通航 建筑物组成。 用三维有限元浮动网格法对坝体施工过程进行温度场和温度应力的 仿真计算，研究广西右江百色碾压混凝土重力坝施工期及运行期温度场 和温度应力场，根据施工过程、边界条件、坝段的不同分别对两个，案 进行了温度和应力计算，并绘制出稳定温度场等值线图及施工期、运jj ： 期非稳定温度场等值线图。通过分析、比较，选择合理的方案。为设引 和施工提供合理依据。 绪论 1 绪论 1 1 碾压混凝土坝概述 1 1 1 碾压混凝土坝特点 碾压混凝土是利用强力振动和重型机械碾压的共同作用，使超干硬 性混凝土密实的一种混凝土施工新方法。由于碾压混凝土凝固后的性能 与常态混凝土非常接近，因此，碾压混凝土坝在结构和功能上具有常态 混凝土的优点。在施工方面，碾压混凝土坝采用通仓薄层浇筑并以在浇 筑层面上振动碾压密实代替常态混凝土浇筑用振捣器插入振捣密实的 施工方法，这样将混凝土坝结构和材料与土石坝施工方法两者的优越性 结合起来，实现快速、大仓面碾压施工。与常态混凝土坝相比，碾压混 凝土坝具有节省水泥、施工简单易行、工期短、造价低等优点。它是混 凝土筑坝技术的一项革新，在技术和经济上具有显著的优越性。 碾压式混凝土坝施工法的特点如下：混凝土为超干硬性混凝土。用于 凝土重力坝的混凝土，通常用振捣器振捣，故用流态混凝土。但是，碾压 式混凝土是用振动碾碾压，为使振动碾能在浇筑面上行使，混凝土采用 超干硬性混凝土。 混凝土的单位水泥用量少。传统土重力坝的水泥用量约 2 3 k g m 4 ，1 9 4 0 年竣工的田那西流域管理局的h i w a s s e e 坝首次打破了这个 水泥用量而采用1 6 8 k g m 3 ，1 9 5 4 年完成的由美国陆军工程师团修建的 p i n ef l a t 坝，采用了1 4 0 k g m 3 ，1 9 5 9 年竣工的日本田子仓坝的内部混凝 土也采用了1 4 0 k g 皿3 ，这是很低的用量。碾压式混凝土坝施工温度，主要 利用表面散热，不用冷却水管。因此，尽可能少用水泥，以减少水化热。 其单位水泥用量约为1 0 0 k g m 3 左右，掺入2 0 6 0 的粉煤灰，以保证和易 性。 施工工艺过程与碾压式土石坝相似。碾压混凝土拌和楼到浇筑仓面 的运输，一般采用固定缆车起重机，斜坡轨道，自卸汽车等。 坝段间的伸缩缝在混凝土摊铺后或在压实后用切缝的方法设置，不 设纵缝，因而也没有纵缝灌浆。 碾压混凝土因采用通用机械，所以也可以适合大坝以外的其他各种 西安理工大学工程硕士学位论文 大体积混凝土结构。例如：飞机场的跑道，公路路面，石油基地的基础 等，有着广阔的发展前景。 1 1 2 碾压混凝土坝的发展概况 碾压混凝土坝具有温控措施简单、旆工快、水泥用量少、投资省等 优点。碾压混凝土坝技术应用于大坝建筑，始于7 0 年代初，1 9 8 5 年至 1 9 9 5 年的1 0 年间，碾压混凝土坝数量增加不多，但筑坝技术得到稳步发 展和提高，坝型也突破了单纯重力坝的局限，出现了重力拱坝、拱坝、 硬填坝等。从1 9 9 5 年开始，特别是近3 年中，碾压混凝土坝的规模迅速 增加，目前世界各国在建的碾压混凝土坝平均坝高达到8 0 9 0 m ，平均方 量达到4 0 万、5 0 万m 3 目前碾压混凝土坝浇筑方量最大的是阿尔及利亚的b e n i h a r o u n 坝，总方量为1 9 6 万m 3 ，但这一纪录将被泰国t h ad a n 坝刷新。中国水利 电力对外公司参加了t h ad a n 坝的投标，该坝的碾压混凝土方量达5 4 0 万m 。现在世界上最高的碾压混凝土坝是的哥伦比亚m i e l 坝，坝高1 1 8 m 。 而这一纪录很快将被我国龙滩碾压混凝土坝改写，其坝高达到2 1 7 m ，一、 二期碾压混凝土总方量达到7 5 0 万m 3 。 迄今全世界完建和在建的坝高超过1 5 m 的碾压混凝土坝已超过2 1 0 座，它们分布在5 大洲的2 8 个国家中，其中亚洲数量最多( 占总数的4 0 ) ， 其他地区分布比较平均。中国己建成和在建的碾压混凝土坝共有4 0 多座， 数量和规模均居世界之首。 在碾压混凝土坝建设中，规模、数量和技术居于世界领先地位的 几个国家分别是中国、日本、美国、西班牙和巴西。 1 1 3 碾压混凝土坝设计的发展趋势 碾压混凝土坝的设计思想，原创于在允许的条件下，采用土石坝的 施工方法进行干硬性混凝土的运输、摊铺、碾压，已达到快速施工的目 的。随着实践经验的积累，碾压混凝土坝的设计原理不断获得新的发展。 a 碾压混凝土配合比 碾压混凝土的配合比是借助于经验并根据施工条件通过现场实验来 决定的。早期的碾压混凝土大坝大多采用胶凝材料用量较低的贫浆碾压 混凝土( 水泥+ 活性掺和料在1 0 0 k g m 3 以下) ，现在大多采用胶凝材料用 量较高的富浆碾压混凝土( 水泥+ 活性掺和料在1 5 0 k g m 3 以上) 。富浆碾 压混凝土坝是当今世界上比较流行的趋势。 综合世界上已建成的碾压混凝土坝的平均水平，胶凝材料用量在 1 5 0 k g m 3 以上的碾压混凝土坝占4 5 左右，胶凝材料低于l o o k g t 1 3 的碾压 混凝土坝不足1 3 。中国碾压混凝土坝的平均胶凝材料用量是1 7 3 k g m 3 ， 其中水泥7 9 k g m 3 、活性参和料9 4 k g m 3 。 近年来胶凝材料的概念也出现了新的变化。过去人们认为胶凝材料 绪论 是指水泥加活性掺和料，最早使用的活性掺和料多为粉煤灰。随后人们 发现了更多有价值的掺和料，并认识到了适当的石粉掺量( 7 5 左右) 对提高碾压混凝土强度的作用。最近出现了由多种活性掺和料混合而成 的胶凝材料，其中可以完全没有水泥成分，而且世界上已有7 座碾压混 凝土坝使用了这项技术。 b 上游面的防渗控制 碾压混凝土浇筑层间的水平缝是大坝渗水的主要通道，必须采用相 应的措施，增加上游面的不透水性和耐久性。 世界上大多数碾压混凝土坝( 约占5 7 ) 采用与碾压混凝土同步上升 的常规混凝土做护面防渗：约有1 0 的坝直接使用碾压混凝土防渗，具体 做法是在碾压混凝土中掺入较高含量的无黏性细粉来提高碾压混凝土的 可靠性，这种防渗形式在西班牙比较普遍；还有少数( 约5 ) 采用常规 混凝土预制面板加p v c 膜防渗；近年来采用变态混凝土防渗坝面的做法 也有所增加，具体做法是在碾压混凝土摊铺前或摊铺后，向碾压混凝土 中注入水泥浆，使用插入式振捣棒振实。常规混凝士护面和变态混凝土 护面是目前最为流行的两大技术趋势。 碾压混凝土的防渗设计不应只依赖上游护面系统来解决，应使整个 坝体形成一个挡水体。坝体渗漏完全可以通过合理的设计和施工加以控 制，如采用恰当的配合比、控制摊铺碾压质量、层面处理以及排水、集 水措施等。 对于碾压混凝土层间的水平缝防渗处理，常见以下几种： 有人提出了“成熟度”的概念，即浇筑时的表面华氏温度乘以两层 之间覆盖间隔的小时数： t ( h ) t ( 下) = 2 0 0 0 这个乘积作为计算层间最大间隔时间的标准只是一个参考值，每个 工程的环境条件不同，“成熟度”有较大的变化范围。有专家认为：小于 2 4 h 的层间缝是“热缝”，无需处理，只需除去表面碎屑、即可覆盖上层 混凝土；而暴露2 4 4 8 h ( 有人认为可达7 2 h ) 的层间缝，称为“准备缝”， 需要用钢丝刷清扫、除去碎屑并保持干洁；超过4 8 h ( 或7 2 h ) 的层间缝 即为“冷缝”，必须用高压水枪冲洗，除去碎屑并保持湿润。 美国陆军工程师团对层间缝的设计要求是：所有需持续蓄水的大坝 的层间缝的上游区必须进行砂浆或混凝土垫层处理；当层问需要一定胶 结力时，层间缝应全面进行砂浆处理。 起源于日本的r c d 施工法与r c c 旋工法的层间缝处理方法不同。r c d 施工法对层间缝的处理与常规混凝土几乎一样，需要凿毛、铺洒水泥砂 浆，并且每隔1 5 m 设置横向收缩缝，因此r c d 坝的造价一般高于r c c 坝。 1 1 4 碾压混凝土施工方法 碾压混凝土筑坝目前有三种主要的类型，即中国的r c c d 、日本的r c d 西安理工大学工程硕士学位论文 和欧美的r c c 。、虽然他们有许多共同点，但各自都适应本国国情，积累经 验，发展并形成了有本国特色的筑坝技术。 a 中国式碾压混凝土筑坝一r c c d 中国r c c d 混凝土的特性，根据实验室试验和原形观测的结果如下： 1 强度增长缓慢，后期继续增长。2 水泥化发热量少，发热缓慢。3 抗裂 性能较好。4 水泥水硬化效率高。混凝土中粉煤灰用量不超过6 0 时，每 公斤水泥能获得的混凝土强度效率高。5 r c c d 层间接缝做好，其结性能 良好，抗剪强度，弹模和不透水性与碾压混凝土本身一样。 在碾压混凝土筑坝旌工方面：拌和楼尽量靠近大坝，以缩短混凝土 运输距离：混凝土从拌和楼到仓面的运输一般用自卸汽车和皮带两种方 法，r c c d 采用大面积推土机平仓，摊铺厚度一般为3 0 c m ：连续碾压3 4 层，约需1 8 “2 0 小时，宜间歇2 3 天：温度收缩缝有两种做法，一是在 混凝土浇筑平仓后用切缝机切缝，缝中插入钢板或塑料版，然后在层面 碾压，另一种方法是在水平工作缝面上用风钻沿横缝线间隔钻孔，以诱 导成横缝；目前r c c d 设计一般在上下游坝面设置常态混凝土，坝面通常 用滑动模板浇筑；r c c d 筑坝温度控制十分重要，浇筑时适宜的气温为4 2 5 。 b 日本式碾压混凝土筑坝一r c d r c d 和r c c d 在许多方面都是相同，现仅就其区别和特点加以说明 在材料方面：r c d 混凝土胶结料砂浆比r c c d 少，他们认为己能够满 足层问粘结要求，粉煤灰用量不宜超过胶结料的3 0 ，混凝土强度主要靠 水泥，水泥用量比r c c d 多。 在施工方面：r c d 多采用双轴强迫式拌合机。r c d 筑坝的一个显著特 点是，连续浇筑，平仓几层，然后一次碾压，一次碾压厚度多为7 5 c m ， 碾压后的顶面作为水平工作缝，进行凿毛清洗。坝上下游多用钢模板， 设常态混凝土层。 c 欧美式碾压混凝土筑坝一r c c 欧美各国的碾压混凝土筑坝技术各有特点，美国的r c c 可作为代表。 r c c 在许多方面与r c d 和r c c d 相同，但因早期的碾压混凝土坝层间接缝 漏水，层间抗剪强度也削弱，所以特别重视层间的粘接。即使在美国， 绪论 垦务局和陆军工程师团对r c c 的做法也有所不同。 垦务局r c c 粗骨料最大粒径5 0 m m ，二级配，其中4 7 5 2 5 咖的较多， 以减少分离。胶结料用量一般由层间接缝不透水和抗剪、抗拉强度要求 决定，而不是由抗压强度决定。浇筑层厚度一般为o 3 i i 】，混凝土大面积 连续浇筑3 4 层后间歇，项面按水平面工作缝处理。混凝土材料用量稍 多，灰胶比较小，v c 值略高，更为干硬性。 陆军工程师团为防止层间接缝漏水，采取两种措施，一是在上游面 做常态混凝土防渗层，二是对层面进行处理，不需要考虑层间接缝的粘 结。粗骨料最大粒径为5 0 7 5 m m ，用二或三级配。浇筑层厚o 3 m ，施工 特点是浇筑每层新混凝土前，不论间歇时间长短，必须用高压水枪冲切 下卧混凝土层面，铺1 2 5 m m 厚的水泥砂浆 1 1 5 碾压混凝土筑坝技术的发展趋势 下面从三个方面分析碾压混凝土筑坝技术的发展趋势。 a 碾压混凝土坝地区分布广泛，规模日益扩大 碾压混凝土坝可修建在各种不同气候条件下的世界各个地区。在高 温地区、阿尔及利亚的b e n ih a r 。u n 坝( 坝高1 2 1 m ，碾压混凝土量1 6 9 万m 3 ) ，所处地区最高气温可达4 3 ；在低温地区，美国的上静水坝( u p p e r s t i l l w a t e r 。坝高9 1 m ，碾压混凝土量1 1 2 万【3 ) 和加拿大的l a c r o b e r t s o n 坝( 坝高4 0 m ，碾压混凝土量2 8 万m 3 ) ，两坝所处地区冬季 最低气温可达一3 5 以下；在多雨地区，智利的潘戈坝( p a n g u e ，坝高 1 1 3 m ，碾压混凝土量6 6 万m “) ，在1 3 个月的施工期内总降水最高达 4 4 3 6 i f i m ，最集中的3 个月降水量达3 1 3 0 m m 。 在1 9 9 4 年以前，每年建成的碾压混凝土坝平均坝高在4 0 5 0 m 之间， 平均碾压混凝土量在l o 万m 3 2 0 万m 3 之间。1 9 9 8 年建成的碾压混凝土 坝平均坝高为7 0 m ，平均碾压混凝土量为4 2 5 万m 3 。1 9 9 9 年建成的碾压 混凝土坝平均高8 7 m ，平均碾压混凝土量为4 5 5 万m 3 。 1 9 9 8 年，碾压混凝土量最大的阿尔及利亚的b e n i h a r o u n 坝开工建 设，碾压混凝土量达1 6 9 万3 ( 超过日本的m i y a g a s e 坝，坝高1 5 5 m ，碾 压混凝土量为1 5 3 7 万m 3 ) ：1 9 9 9 年哥伦比亚的m i e e l 坝开工建设，其坝 高达到1 8 8 m ( 超过世界上已建成的最高的日本l i r y a a m a 坝( 坝高1 5 6 m ， 西安理工大学工程硕士学位论文 碾压混凝土量为1 2 9 4 万m 3 ) ，碾压混凝土量为1 6 6 9 万m 1 ：泰国的t h ad a n 坝于1 9 9 9 年1 月进行招标，并于2 0 0 0 年开始碾压混凝土施工，碾压混 凝土量为5 4 0 万m 3 ；我国在2 0 0 1 年开工的龙滩碾压混凝土坝，坝高 2 1 6 5 m ，碾压混凝土量为6 8 0 万m 3 ，是目前世界上最高的碾压混凝土坝。 可见，碾压混凝土坝的规模正在日益扩大。 b 碾压混凝土材料与筑坝技术在发展中相互促进 早期的碾压混凝土坝多采用低胶凝材料用量的贫浆碾压混凝土，而 从目前的发展趋势看，当今的碾压混凝土多采用高胶凝材料用量的富浆 碾压混凝土，自1 9 9 2 年以来采用不同胶凝材料用量修建的碾压混凝土占 总数的比例为：富浆碾压混凝土( 胶凝材料用量1 5 0 k g m 3 以上) 占4 5 左右；中等胶凝材料用量的碾压混凝土坝( 胶凝材料用量1 0 0 、1 4 9 k g m 3 ) 占2 3 左右；r c d 坝占1 6 左右：贫浆碾压混凝土坝( 胶凝材料用量低于 9 9 k g m 3 ) 占1 2 5 左右。 我国碾压混凝土从一开始就采用了高掺粉煤灰，少用水泥，以减少 水化热，防止出现裂缝。根据多年来的研究和实践，粉煤灰的掺量可以 达到胶凝材料用量的三分之二。在使用粉煤灰有困难的地区，采用磷矿 渣和凝灰岩磨细作为掺和料己在大朝山碾压混凝土坝成功应用。 在中国、日本、美国和西班牙这四个碾压混凝土坝最多的国家，碾 压混凝土坝的平均水泥用量大致相当，基本上在7 5 8 5 k g m 3 的范围内。 胶凝材料用量的差异，主要是活性掺和料( 粉煤灰) 用量不同的。日本 碾压混凝土胶凝材料用量较低，活性掺和料的掺量也最低，而西班牙胶 凝材料用量最高，活性掺和料的掺量也最高。 c 高碾压混凝土坝设计与旌工方法日趋完善 ( 1 ) 碾压混凝土坝的设计 碾压混凝土坝设计要考虑的因素有：便于碾压混凝土施工、加快进 度、缩短工期；保证坝体稳定、满足强度、抗渗和耐久性要求：做好防 渗、排水、廊道等构造；确定温控要求，设置温度收缩缝，防止坝体裂 缝：降低造价等。根据上述要求和高坝的特点，正在研究高碾压混凝土 坝完善的设计方法。 ( 2 ) 高坝的应力和承载能力计算分析 碾压混凝土重力坝的应力和稳定计算，可用常态混凝土坝的计算方 绪论 法。在传统的重力坝结构计算方法中，坝体应力计算采用材料力学法， 抗滑稳定计算采用刚体极限平衡法，对于高混凝土重力坝，需要用有限 元法计算分析坝体应力和坝基应力状态，综合评价大坝的安全性。因此， 非线性有限元分析已成为大坝设计中应力分析和稳定分析的重要手段。 根据弹塑性力学和非线性断裂力学的最新进展，采用非线性弹性理 论、弹塑性增量理论和非线性断裂理论研究重力坝的应力状态和承载能 力，已成为高混凝土坝的重要分析研究方法。 ( 3 ) 碾压混凝土重力坝的温度应力和温控防裂措施 碾压混凝土坝的温度场，温度应力场分析和温控设计方法，有以美 国为代表的有限元时间过程分析方法和以日本为代表的约束系数矩阵法 英国和法国一般采用a n s y s 、a d i n a 和a b a c u s 等专用程序。 世界上最早把有限元时间过程分析法引入混凝土温度应力分析的是 美国加州大学的威尔逊教授。他在1 9 6 8 年为美国陆军工程师团研制出可 模拟大体积混凝土结构分期施工温度场的二维有限元程序，并用于德沃 歇克坝温度场的计算。威尔逊还和他人合作研制了考虑混凝土徐变应力 分析程序。 我国在研究碾压混凝土坝温度场和温度徐变应力场有限元计算方法 方面，做了大量开创性研究工作。1 9 8 5 年第1 5 届国际大坝会议上，朱伯 芳院士发表了题为“大体积混凝土中考虑徐变效应的温度应力计算”的 论文，在此以后，还提出了并层复合单元、并层坝块接缝单元、应力场 和温度场分区异步长解法、考虑水管冷却效果的混凝土等效热传导方程 等混凝土坝温度应力计算方法，并研制出计算程序。西安理工大学在研 究碾压混凝土坝施工特点的基础上，提出三维有限元浮动网格法，能够 模拟碾压混凝土坝薄层浇筑的施工过程，可根据设计要求计算出任意时 刻的坝体温度场和应力场，研究开发的计算软件，可在微机上计算高碾 压混凝土坝施工期和运行期的温度场和考虑混凝土徐变的温度应力场。 河海大学在约束系数矩阵法的基础上，提出了碾压混凝土坝温度控制设 计的广义约束矩阵法。约束系数矩阵法只能反映温度和约束应力沿坝高 方向的变化，而广义约束系数矩阵法既能反映温度和应力沿坝高方向的 变化规律，又能反映温度和应力沿水平方向的变化规律，不仅能用来研 究防止贯穿性裂缝和深层裂缝，而且能够用来研究防止由于上、下游表 西安理工大学工程硕士学位论文 面环境温度变化与内部约束引起的表面裂缝。 碾压混凝土坝温度场和温度应力场研究的发展趋势是研究开发能在 微机上实施的二维、三维线性和非线性有限元全过程仿真计算方法和程 序，计算中能模拟碾压混凝土坝薄层施工的实际情况，分析施工期和运 行期的坝体温度、应力、位移情况，并有良好的人机交互界面，使用户 在施工过程中能根据各种因素的变化，随时了解坝体温度场和温度应力 的变化情况，以便采取相应的温控方法和防裂措施，在计算程序的后处 理方面，建立与计算结果相配套的图形处理功能，从浩繁的计算结果中， 按用户需要的图形输出成果，达到简便、实用、快捷的目的。 ( 4 ) 变态混凝土 由于常态混凝土与碾压混凝土的施工工艺不同，施工时常常互相干 扰，影响施工进度，同时在材料制备、结构分缝、温控措旌等方面也各 不相同，增加了出现裂缝的可能性。因此，在碾压混凝土坝的一些特殊 部位宜采用变态混凝土。 所谓变态混凝土，是指在碾压混凝土中额外注入水泥粉煤灰浆，以 便可以用插入式振捣器进行振实的混凝土。这种工艺，1 9 9 0 年先后在荣 地和普定碾压混凝土上游面和止水片附近得到应用，这种工艺为实现全 断面碾压混凝土坝鉴定了基础，已在江垭等碾压混凝土坝中得到应用。 采用这种方法，可将碾压混凝土改性，以利于形成平整的外部表面和良 好的内部结合面，有效地避免在紧靠上、下游坝面模板附近及靠近坝肩 部位的碾压不密实问题。利用变态混凝土施工时，在靠近坝肩等不易碾 压密实的部位，先铺设一层水泥砂浆，再摊铺碾压混凝土，然后在碾压 混凝土中注入水泥粉煤灰浆，最后用插入式振捣器进行振实。 ( 5 ) 碾压混凝土坝的层面处理 碾压混凝土坝的主要特点之一是具有大量的碾压层面，特别是高坝， 若层面处理不当，不仅影响坝身的整体强度和防渗效果，而且对施工进 度也有影响。层面抗剪强度过低会影响大坝安全。碾压混凝土层面是否 需要处理及其处理方式，与层面的状态有关，而层面的状态与很多因素 有关，其中最重要的因素是碾压层之间的暴露时间、碾压混凝土材料的 性质、碾压层的铺筑方法、施工期的环境条件等。 根据层面处理方式的不同，国外通常将层面缝分为热缝、冷缝和温 绪论 缝。最初用层面的外界温度与层问间隔时间的乘积作为层面的硬化指标， 据此确定层面所处的状态和相应的处理方式。当硬化指标低于某一确定 值时，层面缝被假定为热缝，由于层面热缝是在下层未凝固之前就被上 层覆盖时产生的，整个碾压层在凝固前再次被振动碾压，不需要对层面 处理：当硬化指标高于某一确定值时，层面缝被假定为冷缝，由于层面 冷缝是下层凝固后铺筑上层而产生的，在这种情况下，采用高压水流冲 掉下层表面砂浆但不使骨料移动，再铺砂浆进行处理：而层面温缝是介 于热缝和冷缝之间的状态，处理方法是用高压水流冲掉表面砂浆而不使 大粒径骨料产生移位，在碾压上层铺筑层时，不损坏正处于凝固期的下 层混凝土。 我国对碾压混凝土层面的处理方式，是根据现场测定的碾压混凝土 的初凝时间来确定。 ( 6 ) 碾压混凝土坝的斜层铺筑 碾压混凝土重力坝施工的斜层平推铺筑法，在施工方法上与常态混 凝土重力坝的台阶施工法相似。采用斜层平推铺筑法这种新工艺，可以 用较小的浇筑强度覆盖较大的坝体铺筑面积，减小坝块面积过小的影响 和模板工程量，可以进行大面积持续铺筑，因此，在降低成本的同时， 提高了工效，加快了工程进度，这是突出的优点。斜层平推铺筑与分仓 平层铺筑的工艺水平，基本上没有差别。由于斜层平推铺筑法碾压混凝 土的层面间隔时间可以大大缩短，显著改善了混凝土层面之间的结合质 量，特别适用于碾压混凝土的夏季施工。对于碾压混凝土坝的夏季施工， 研究延长混凝土的初凝时间具有现实的意义。夏季在阳光直接照射下， 碾压混凝土表面失水是一个问题，层间间隔时间越长，表面失水越严重。 采用斜层平推铺筑法，碾压混凝土的层间间歇时间可根据需要调整。采 用斜层平推铺筑法，在高温环境条件下，由于层面暴露时间短，预冷混凝 土的冷量损失也将减小，施工过程中遇到降雨时，临时保护的层面面积 小，并有利用斜层表面排水，对于雨季施工同样有利。 ( 7 ) 碾压混凝土施工系统的计算机仿真 碾压混凝土施工系统是一个复杂的大系统，通常由混凝土拌和、运 输、铺筑等系统组成。由于这些系统之间存在着相互影响和相互制约的 复杂性和状态变化的随机性，同时由于碾压混凝土工程量大，温度控制 西安理工大学工程硕士学位论文 要求严格，施工工期较紧，铺筑强度较集中，因而施工技术和计划安排 具有相当大的难度。仿真技术在碾压混凝土坝施工中的应用，主要目的 是用计算机仿真来考察混凝土施工的动态过程，按仿真的实际施工过程 计算确定系统中的一些性能指标，作为控制和设计系统的依据，利用计 算机来减轻设计人员的工作强度，缩短比选施工方案的设计周期。 目前，对碾压混凝土坝施工系统的计算机仿真研究，是寻求碾压混 凝土坝施工的总体最优化方案。从研究碾压混凝土坝动态施工过程入手， 将施工机械配各技术、施工技术、系统决策优化理论以及离散事件系统 仿真理论相结合，以计算机技术为手段，开发通用性和智能化的碾压混 凝土坝施工方案辅助决策支持环境，为在施工中合理科学地安排人力和 机械资源，安排施工进度提供可靠的科学依据。 1 2 碾压混凝土坝的温度应力问题 1 2 1 混凝土坝的温度应力问题 碾压混凝土坝在结构上与常规混凝土坝基本相同，因此在研究碾压 混凝土坝度应力之前首先应考察一下常规混凝土坝的温度应力问题。 一切混凝土结构随着温度的变化会发出热胀冷缩，当这种体积变形 受到结构外部或内部约束的限制而不能自由发生时，结构内将产生温度 应力。因此，温度应力的产生须具备两个基本条件：变温和约束。 引起混凝土坝体内温度变化的因素有外因和内因两方面因素。外因 即环境温度，包括水温、气温和日照辐射等。内因即混凝土自身的水化 热，混凝土的水泥在水化过程中会放出大量的水化热，导致混凝土温度 升高，然后通过散热，混凝土的温度再缓慢降下来。 混凝土坝温度变形所受的约束可分为内部约束和外部约束。当混凝 土温度升高时，基础会阻碍混凝土膨胀，混凝土因此受压；当温度降低 时，基础又阻碍混凝土的收缩，使混凝土受拉，基础的这种约束就是外 部约束。另外，混凝土坝属大体积混凝土结构，坝体内部各个部位的散 热条件不同，变温过程也不同，因而坝体内部不同部位的混凝土互相约 束也可导致温度应力产生，这种约束即为内部约束。 混凝土坝的温度应力受到两个重要因素的影响：1 混凝土弹性模量。 假设结构的弹性模量是常量，则当温度场经变化并复原时，温度应力就 绪论 会消失。而混凝土的弹性模量随龄期增长而增长，这使得早期生成的温 度应力在温度场复原时不会完全消失。2 混凝土徐变特性。混凝土在受 力变形过程中具有徐变特性，即在荷载持续不变作用时，混凝土会发生 随时间增长的非线性徐变变形。徐变对温度应力是有利的，而且影响较 大，一般可使温度应力减小。 混凝土是种脆性材料，其抗拉强度只有抗压强度的十分之一左右， 当坝体内的温度应力为拉应力且超过混凝土的抗拉强度时，坝体就会开 裂。文献中介绍，世界上几乎所有的混凝土坝都发生过程度不同的裂缝。 引起裂缝的原因是多方面的，而温度应力是最主要的原因之一。 混凝土坝体开裂，其后果是相当严重的，它不仅直接影响结构外观 及整体性，而且改变结构的受力条件和应力状态，降低结构防渗、抗冻 性能、缩短结构寿命，甚至影响结构的正常运行。例如侵窝水库由于坝 体开裂，不能关闭溢洪道闸门，使水库上层6 8 米范围的库容多年不能 发挥效益。然而在早期，人们修建混凝土坝时对温度应力却知之甚少。 世界上开始用混凝土修筑重力坝是在二十世纪初，那时对混凝土质量， 包括混凝土浇筑温度还没有任何控制指标。随着对混凝土坝裂缝的观测 和试验，人们逐渐认识到温度应力是混凝土开裂的主要原因。1 9 3 0 年当 美国建造当时世界最高的混凝土坝一一鲍尔德坝( 现改称胡佛坝) 时， 对温控问题开始进行较系统的研究，采取了分缝分块柱状浇筑混凝土， 通水冷却，表面自然散热等温控措施，收到一定的效果。从那以后的几 十年间，世界各国坝工界在鲍尔德坝温控技术基础上不断完善，从结构、 材料、施工多方面综合处理取得了许多成果，但客观地说，温度应力问 题远未完全解决。因为到目前为止，世界上仅有两座坝( 美国4 4 米高的 约翰契尔坝和前苏联2 1 5 米高的托克古坝) 宣称没有发现裂缝，且不 论这两座坝从什么意义上被认为是无裂缝的，只从世界上成百上千座混 凝土坝中仅两座不裂这一点可以看出，尽管已实施了许多温控措施，但 混凝土坝开裂仍是一个普遍现象，如果进一步强化温控，无论从经济上 还是在施工上都是困难且不易被接受的。 1 2 2 碾压混凝土坝的温度应力问题 碾压混凝土坝产生温度应力的机理与常规混凝土坝相同，但碾压混 凝土以低热著称，容易使人产生错觉，认为碾压混凝土温度应力较小， 西安理工大学工程硕士学位论文 不必注意其温度控制问题。但是认真研究碾压混凝土材料的特性和碾压 混凝土坝的施工特点，便可发现碾压混凝土坝的温度应力问题并不简单： 1 碾压混凝土确为低热筑坝材料，由于含水泥量少，其水化热温升一般 为1 5 2 5 ，仅为常态混凝土的5 0 7 0 ，特别是在早龄期( 3 d 以内) ， 温升仪为常态混凝土的三分之一左右，这些对降低大坝水化热温升是十 分有利的；2 碾压混凝土含水量低，且掺有相当数量的粉煤灰，因而水 化热发生延迟，这使得施工面自然散热效率降低；3 碾压混凝土坝不设 纵缝，甚至不设横缝，施工采用通仓浇筑快速上升，这一方面减少了暴 露面，对减少温度应力有利，但在另一方面使混凝土内外约束增强，且 施工面散热时间短，对减少温度应力不利；4 碾压混凝土的受拉徐变随 粉煤灰掺量的增加而减少，所以碾压混凝土坝的温度应力松弛也较常规 混凝土小，对温度应力不利；5 碾压混凝土坝一般在低温季节浇筑但 对高坝，要么在高温季节停浇，以牺牲施工速度换取温控简化，要么高 温季节连续浇筑，但要在冷却骨料、降低入仓温度、分缝等方面采取措 施。 在碾压混凝土坝发展早期，美国工程界对碾压混凝土坝温度应力问 题持乐观态度，为了充分体现碾压混凝土经济、快速的优越性而大力简 化坝内结构，包括取消冷却水管、纵缝、甚至横缝等等，而代之以预冷 骨料，低温季节浇筑等措施。但结果是许多早期修建的不设横缝的碾压 混凝土坝大多程度不同地出现横向裂缝。象美国的中叉坝( m i d a l ef o r k ， 3 8 i i ) ) 、盖斯威尔坝( g a l e s v i l l e ，5 0 1 ) 、温彻斯特坝( w i n c h e s t e rd a m ，2 1 f r 【) 、 澳大利亚的铜田坝( c o p p e rf i e l d ，4 0 m ) 、布卡坝( b u c c a ，1 2 m ) ，法国的 里约坝( r i o u ，2 6 m ) 等都是如此。随着筑坝经验的积累，8 0 年代中期以 后美欧各国对设置横缝已不再持有异议，但对横缝的位置、间距、形式 等却未有定论，以横缝间距为例，其变化范围从1 5 o 米到1 0 0 米甚至更 大。 日本工程界对碾压混凝土坝的设计和旆工一直持谨慎态度，坚持沿 用常态混凝土坝的做法，即设置横缝( 一般按1 5 米左右间隔设置) 、限 制浇筑速度、规定层面自然冷却间隔时间等等。这些做法固然可以保证 坝体的防渗防裂要求，但却是以放慢施工速度、损失碾压混凝土坝快速、 经济优越性为代价的。 绪论 总之，碾压混凝土坝不容置疑地存在着温度应力问题，由于其材料、 施工等不同于常规混凝土坝，碾压混凝土坝的温度应力可能有着与常规 混凝土坝温度应力不同的特点，还有待于进一步研究。 1 2 3 混凝土坝温度应力研究的任务 混凝土坝温度应力研究的任务大体包括下面三个方面： 研究混凝土坝温度应力发生发展的一般规律、各种影响因素的影响 机理及其计算方法、以及计算温度场和应力场的新的更有效的数值计算 方法。虽然对温度应力的研究已有半个多世纪的时间，但真正从定性研 究转为定量研究的时间并不长，有许多地方还未认识清楚，有许多计算 是在理想条件下进行的，与实际还有出入，因此，在温度应力基础研究 方面还有许多工作要做。 根据实际工程给出的条件，研究工程结构的温度应力状况，判断设 计、施工的合理性，提出满足温控要求的建议和方案。目前工程设计人 员虽然已认识到温度应力问题的重要性，但由于温度应力计算的复杂性 以及一些问题尚在研究之中，我国现行重力坝设计规范尚不考虑温度荷 载，只做施工期的温控计算，而前苏联在1 9 7 9 年和1 9 8 3 年颁布的设计 指南中就已将温度荷载列为基本荷载。 研究如何简化温控措施。为了控制混凝土坝的温度应力，过去几十 年里逐步发展起一套比较有效但费时费力的温控措施，如何简化温控措 施一直是温度应力研究的重要内容。可以说碾压混凝土筑坝方式是在混 凝土坝施工温控简化方面的重大进展，但随着新材料、新技术的出现， 还会出现更有效、更经济的温控技术。 1 3 混凝土坝温度场及温度应力场的研究方法 1 3 1 温度场的研究方法 对混凝土坝温度场的研究方法大体上可分为两大类：解析方法和近 似方法。 解析方法的理论根据是固体热传导理论，对于具体的工程问题，可 根据实际情况研究其边界条件和初始条件，然后求得函数形式的解答。 但是水工结构实际中遇到的问题大多数边界条件比较复杂，难以求出理 论解答。 西安理工大学工程硕士学位论文 近似方法包括数值解法、图解法、电热模拟和水热模拟等。由于后 面几种方法近年来很少应用，因此近似方法一般多指数值解法。数值方 法根据其计算原理又可分为差分法、边界元法和有限元法。 差分法是一种古典的近似数值计算方法。它从微分方程出发，经过 区域离散化处理后，近似地用差分、差商来代替微分、微商，把对微分 方程及其边界条件的求解，归结为求解一个线性代数方程组。差分过程 简单，计算量小，适用于一些边界规则简单的低维问题，而对边界复杂、 材料多样的多维问题则比较困难。另外，差分解的收敛性及稳定性与差 分网格的尺度、差分格式、计算步长等相关，也给计算带来困难。实际 中可用于浇筑层( 块) 的一维稳定温度场计算。 边界元法是2 0 世纪6 0 年代后期发展起来的数值方法，它把微分方 程及其边界条件以域内积分及边界积分的形式表达，然后对边界离散， 将求解积分方程转化为求解以边界结点值为未知量的一组线性方程。边 界元法最突出的特点是沿计算域边界离散、使问题的维数降低，因而特 别适用于均匀无限域或半无限域问题；另外，边界元法还具有计算精度 高、数据准备少等优点。用边界元法求解非稳定温度场有三种方法：1 f 拉氏积分变换法，即通过拉氏变换将导热方程转变为与时间无关的椭圆 方程，然后化为边界积分方程，但当边界条件随时间有