（水利工程专业论文）百色水利枢纽碾压混凝土重力坝6aa坝段温度应力仿真计算分析.pdf

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冈计算结果数据量非常大，为便于成果分析，本文仅给出施工期每年2 、5 、8 、 1 1 月份和运行期第1 、5 、l o 、2 0 、3 0 年的温度等值线图，坝体不同高程典型点温度 和应力历时曲线图，最人应力沿坝高分布图，逐月最高、最低温度和最大拉应力值及 相应的位置等。通过分析上述成果，可全面了解6 a a 坝段及f 6 断层混凝土塞的温度 和应力分布规律，为结构设计和施工方案选择提供科学依据。 计算分析表明，施1 ：期和运行期6 a a 坝段及f 6 断层混凝士塞的温度应力、综合 应力均未超过该【一程碾压混凝士的设计允许抗拉强度，表明6 a a 坝段的旖1 方案和 f 6 断层的处理方案在温控和防裂方面是可行的。 关键字：碾压混凝土重力坝，三维有限元浮动网格法，温度场，应力场断层 西安理工大学工程硕士学位论文 s i m u l a t e dc a l c u l a t i o na n da n a l y s iso nt h e r m a ls t r e s so fb a i s e6 a a r 0 1 l e rc o m p a c t e dc o n c r e t eg r a y i t yd a ms e c t i o n m a j o r ：h y d r a u li c t u t o r ：p r o f e s s o r e n g i n e e r i n g l ；咖垆a b s t r ，a c t a u t h 。r ：z 砌叫 t h a t b o t ht h es t r u c t u r ea n dm a t e r i a lo fg r a y i c yd a m sa n dc o n s t r u c t i o n m e a n so fe a r t hd a m sa r eu s e di nr o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t ed a m sm a k e st h e m n c r e a s i n g l yu s e di nw a t e re n g i n e e r i n g i nt h i sp a p e r ，t e m f i e r a t u r ef i e l da n d t h er m a ls t r e s so fb a i s e6 a ar o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t eg r a y i t yd a ms e c t i o na r e c a l c u l a t e da n da n a l y z e d ，a n dt h ed is t r i b u t i o nl a w so ft h et e m p e r a t u r ef i e i d a n d t h et h e r m a ls t r e s sf i c i dd u r i n gc o n s t r u c t i o na n do p e r a l i o no f6 a a d a m s e c t i o na n di t sf o u n d a t i o nw h o s et o pi sm a d eo f f 6f a u l tc o n c r e t et u c k ，a r e m a i n l ys t u d i e d t h r e e d 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 gm e s hm e t h o disu s e dt oc a l c u l a t e t h et e m p e r a t u r ef i e i da n dt h e r m a ls t r e s so f6 a ar 0 1 1 e re o m p a c t e dc o n c r e t e g r a v i t yd a ms e e t i o na n df 6f a u l tc o n c r e t et u c ki nt h i sp a p e r t h eb a s i c t h e o r i e sa d o p t e di n c l u d eh e a tc o n d u c t i o nt h e o r y ， e l a s t i ct h e o r ya n d c o r r e s p o n d i n gf i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o ne q u a t i o n i no r d e rt os i m u l a t et h e c o n s t r u c t i o np r o c e s sa n d t h ee f f e c to fc o n c r e t ep o u r i n gt e m p e r a t u r ea n d o u t s i d et e m p e r a t u r eo nt e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ls t r e s sf i e l di nt h ed a m t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ls t r e s sf i e l da r ec a l c u l a t e dl a y e rb yl a y e r t h e c a l c u l a t i o ns t e pd u r i n gc o n s t r u c t i o ni s02 5d a y ，a n dd u r i n go p e r a t i o nt h e d i f f u s i o no fh y d r a t i o nh e a to fc o n c r e t eiso v e ra n de l a s t i cm o d u l u si s b a s i c a l l ys t a b l e ，c h a n g e a b l es t e p i su s e d i nt h ei n i t i a lo fo p e r a t i o n ， c a l c u l a t i o ns t e pi so 5d a y s a n dg r a d u a l l y ，i tr e a c h e s3 0d a y ss oa st or e d u c e c a l c u l a t i o nw o r ki nt h ep r e m is eo fg u a r a n t e ec a l c u l a t i o np r e e is i o n b e c a u s eo f t h ec o m p l e x i t yo fc a l c u l a t i o nr e s u l td a t a ，a n di no r d e rt o s i m p l i f yt h ea n a l y s iso fr e s u l t s ，t h i sp a p e ro n l yp r o v i d e sa n n u a lt e m p e r a t u r e i s o l i n em a po ff e b r u a r y ，m a y ，a u g u s ta n dn o v e m b e rd u r i n gc o n s t r u c t i o n ， t e m p e r a t u r ei s o l i n em a po ft h ef i r s t ，f i f t h ，t e n t h ，t w e n t i e t ha n dt h i r t i e t h y e a rd u r i n go p e r a t i o n ，d u r a t i o nc u r v eo ft e m p e r a t u r ea n ds t r e s so ft y p i c a l p o i n ta td i f f e r e n te l e v a t i o n ，t h em a x i m a ls t r e s sd i s t r i b u t i o na l o n gd a mh e i g h t 摘要 p o i n ta td i f f e r e n te l e v a t i o n ，t h em a x i m a ls t r e s sd i s t r i b u t i o na l o n gd a mh e i g h t a n dt h em a x i m a la n dm i n i m a lt e m p e r a t u r ea n dt h em a x i m a l t e n s i v es t r e s sa n d i t sp o s i t i o no f e v e r ym o n t h t h r o u g ht h ea n a l y s i so fa b o v er e s u l t ，t h e d i s t r i b u t i o nl a wo ft h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ls t r e s sf i e l do f6 a ad a m s e c t i o na n df 6f a u l tc o n c r e t et u c kc a nb eg e n e r a l l yu n d e r s t o o d a n di tp r o v i d e s s c i e n t i f i cr e f e r e n c ef o rt h es t r u c t u r e d e s i g na n dt h es e l e c t i o no f c o n s t r u c t i o ns c h e m e s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h et h e r m a ls t r e s sa n dc o m p r e h e n s i v es t r e s so f 6 a ad a ms e c t i o na n df 8f a u l tc o n c r e t et u c kd 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 a r ea 1 1w i t h i nt h ea l l o w e dc o n c r e t et e n s i v es t r e n g t h t h er e s u l t si n d i c a t e t h a t t h ec o n s t r u c t i o ns c h e m eo f6 a ad a ms e c t i o na n d t h ed i s p o s a ls c h e m e o f f 6f a u l ti sf e a s i b l ea n dm e e tt h en e e do fd a mt e m p e r a t u r ec o n t r o la n dc r a c k p r e v e n t i o n k e yw o r d ：r c ct e m p e r a t u r ef i e l dt h e r m a ls t r e s sf i e l d3 - df i n i t ee l e m e n t f l o a t i n gm e s hm e t h o d f a u l t 1 绪论 1 绪论 1 1 碾压混凝土坝的概述 1 1 1 碾压混凝土的特点 碾压混凝土坝是近2 0 年来发展起来的一项筑坝新技术，与常态混凝土 筑坝用振捣器插入振捣密实的方法不同，碾压混凝土是利用振动碾强力振 动和碾压的共同作用，将贫配合比干硬性混凝土进行压实的一种混凝土施 工新方法。其主要特点是用水泥含量低，高掺粉煤灰的干硬性混凝土，采 用与土石坝相同的运输和铺筑设备，薄层摊铺振动碾压、逐层上升填筑。 这实质是把混凝土坝结构与材料和土石坝施工方法两者的优越性加以综 合，经过择优改进，相结合而成的一种筑坝新技术“”1 。这种筑坝方式能节 省水泥，有利于大规模机械化作业，因而能缩短工期，降低工程造价。碾 压式混凝土坝施工法的特点如下： ( 1 ) 混凝土为超干硬性混凝土。用于混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。 ( 2 ) 混凝土的单位水泥用量少。传统混凝土重力坝的水泥用量约为 2 2 0 k g m s , 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 e f 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 m 3 ，这已是很低的用量。碾压式混凝土坝施工期温度主要 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。 ( 3 1 施工工艺过程与碾压式土石坝相似。从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。 ( 4 ) 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， 西安理工大学工程硕士学位论文 不设纵缝，因而也没有级缝灌浆。 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 大体积结构。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史 由于上述优点，所以碾压混凝土坝从7 0 年代开始出现至今一直受到 坝工界的重视，有不少国家相继对这种筑坝新技术开展了试验研究。”“。 1 9 7 0 年，在美n 女n , j , l , i n 西洛玛( a s i l o m a r ) 召开的“混凝土坝快速施工会 议”上，拉斐尔( r a p h e i ) 教授提出了混凝土碾压施工的概念。1 9 7 2 年至1 9 7 3 年，美国陆军工程师团在艾克溪坝( e l kc r e e k ) 和劳斯特溪坝( l o s tc r e e k ) x l 程中分别进行了碾压混凝土现场试验。1 9 7 4 年，美国工程兵团在巴基斯坦 塔贝拉( t a r b e l a ) t 程中用碾压混凝土快速修复泄洪洞出l l 消力池。这进一步 证明了碾爪淞凝十快遮施i 的t q ：i ? 性。r 、本扶1 9 7 5 午”始研究碾煺混擦十 筑眇术，并i j 卜 程实践。1 9 8 1 、q ：- 口水修域了i 蛙界上第座碟址蹴凝士 坝岛t ：电j i l 坝( 8 9 m 3 坝工界迎束了人粪筑坝史上的第二个哩程碑。此后 世界各国竟耜修建碾压混凝坝。1 9 8 2 年，美国陆军工程师团仅用不到五个 月的时间建成了世界上第一座全碾压式混凝土坝一一柳溪坝( 5 2 m ) 。我国 从1 9 7 8 年开始研究碾压混凝土筑坝技术。1 9 8 3 年至1 9 8 5 年分别在铜街子 工程和沙溪口工程中做了碾压混凝土局部应用试验。1 9 8 6 年建成了我国第 一座碾压混凝土坝一福建省大罔县坑口坝( 5 6 8 m ) 。到1 9 9 8 年底世界上已 有2 8 个国家完建和在建超过1 5 m 坝高的碾压混凝土共2 1 0 余座，其中以r 本和中国为最多，美国次之，欧洲以西班牙为最多。我国碾压混凝土筑坝 技术发展速度较快，到目前为止，我国已建成的超过2 5 m 坝高的碾压混凝 土坝有4 1 座，在建的有1 5 座，正在设计中的有1 8 座，其中超过1 0 0 m 坝 高的有1 8 座，1 3 2 m 高的沙牌碾压混凝土拱坝和2 1 6 5 m 高的龙潍碾压混凝 土重力坝分别是目前世界上最高的碾压混凝土拱坝和重力坝。 1 1 3 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 2 1 绪论 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。 ( 1 ) 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 水泥硬化发热量少，发热缓慢。3 抗 裂性能较好。4 水泥水硬化效率高。混凝土中粉煤狄用量不超过6 0 , y o n i j - ， 每公斤水泥能获得的混凝土强度效率高。5r c c d 层间接缝做好，其粘结 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。 在碾压混凝土筑坝施工方面：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，另种方法是在水平i f - 缝面上用风钻沿横缝线削隔钻孔，以 诱导成横缝；目前r c c d 设计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，浇筑时适毡：的气温为 4 2 5 ( 2 ) 同本式碾压混凝土筑坝一r c d k c d 和r c c d 在许多方面都是相同，现仅就其区- n s u 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，他们认为已能够 满足层间粘结要求，粉煤灰用量不宜超过胶结料的3 0 ，混凝士强度主 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 筑坝的个! j _ i ! 普 特点是，连续浇筑，平仓几层，然后一次碾压，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 设常念混凝土层。 ( 3 ) 欧美式碾压混凝土筑坝r c e 欧美各国的碾压混凝土筑坝技术各有特点，美国的k c c 可作为代表。 西安理工大学工程硕士学位论文 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，层间抗剪强度也消弱，所以特别重视层间的粘接。即使在美 国，肯务局和陆军工程师团对r c c 的做法也有所不同。 肯务局r c c 粗骨料最大粒径5 0 n m l ，二级配，其中4 7 5 2 5 m m 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3 0 c m ，混凝土大面 积连续浇筑3 4 层后间歇，顼而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5 0 一，7 5 m m ，用二或三级配。浇筑层厚3 0 c m ，施工特 点是浇筑每一层新混凝土前，不论问歇时间民短，必须用高压水枪冲洗 1 i 卧混凝土层面，铺1 2 、5 r n m 厚的水泥砂浆。 1 1 4 碾压混凝十筑坝技术的发展趋势 随着筑坝技术的发展，碾压混凝二1 二坝的地区分布日益广泛，坝体规模 日益扩大，设计与施工方法日趋完善。主要表现在以下几个方面”。： ( 1 ) 目前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， 坝高越来越高，碾压混凝土最越来越大。我国目前在建的碾压混凝土坝， 平均坝高8 7 m ，碾压混凝土量达4 5 5 万m 3 。 ( 2 ) 坝体设计、高坝应力与承载能力计算方面日趋完善；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。近1 0 年来，碾 压混凝土拱坝在我国有了很大的发展。 ( 3 、温度应力与温度控制的研究取得很大进展，尤其我国在这方面作了 大量开创性的研究工作。 ( 4 ) 碾压混凝土坝胶凝材料用量不断改进。早期的碾压混凝土坝多采用 低胶凝材料用量，目前多采用高胶凝材料用量。在中国，一开始就采用高 掺粉煤灰，尽量少用水泥，根据多年研究结果，粉煤荻的掺量可以达到三分 4 同时总结出，如果在使用粉煤灰条件有困难的地区，可采用矿渣和磷灰岩磨 细作j , j - l 参合料( 已在大朝山碾压混凝土坝成功采用) 代替。另外，还发展并推 广在碾压混凝土拌合时掺用1 7 的岩粉，不仅对强度没有影响，而且增加了 和易性并改善了工作强度。 ( 5 ) 变态混凝土施工工艺已成为实现全断面碾压混凝土坝这一目的而 成功地应用于如江垭等多个碾压混凝土坝中。变态混凝土的最大优点是对 于靠近坝肩和紧靠上、下游模板的地段以及坝体g r l n 周边不需再用常态混 凝土进行浇筑，而仅对碾压混凝土进行注入胶浆该性即可，简化了碾压混 凝：lf y , j 施工工艺；同时还能使坝体上游面的混凝土防渗能力得到加强，坝面 更加光洁美观，解决了异种混凝土之间结合的矛盾。变态混凝二匕在碾压混凝 土筑坝中将逐渐扩大应用到其他领域。 ( 6 ) 坝体的层面处理技术f 1 益受到重视。由于碾压混凝土施工采用通 仓、薄层连续浇筑，各浇筑层面处理往往是坝体的薄弱环节。试验和工程实 践表明，在下层混凝土初凝以前即浇筑上层碾压混凝土可获得良好的层间结 合强度。但是，这一点在大型的碾压混凝土坝施工中不容易做到，尤其是高灞 季节施工时，碾压混凝土的初凝时间将显著缩短。在这种情况下，为提高层闻 结合强度，在实际工掘中往往采用层面铺设砂浆和挚层混凝土进行处理。我 国对于缝面控制主要是按初凝时间控制。这种控制方法使混凝土层问结合 较好，有利于抗剪和防渗，但在一定程度上加大了混凝土的入仓强度，增加了 缝面处理工作量与立模面积，在某种意义上是不经济的。为了克服初凝时制 与上升速度的矛盾，我国在江垭大坝首创t g i 层铺筑方法。 ( 7 ) 斜层平推销筑法这种施工新工艺于1 9 9 6 年在江垭： = 程施工中提出 并首先采用后，棉花滩、汾河二库、大朝山等工程的碾压混凝土坝出采用 了斜层平推铺筑法。采用斜层平推销筑法这种新工艺，可以用较小的浇筑 强度覆盏较大的坝体浇筑面积，减小坝体分块面积过小的影响和模板工程 量，可进行大面积持续浇筑，在降低成本的同时，捉商了工效，1 j l ：l l 尖了：l 程进度。由于斜层平推铺筑碾压混凝土的层f 刚间隔时间可大大缩短，盟箸 西安理工托学工程硕士学位论文 程进度。由于斜层平推铺筑碾压混凝土的层间间隔时间可大大缩短，显著 改善了混凝土层面之阏的结合质量，特尉适宜于碾压混凝土的夏季施工。 ( 8 ) 碾压混凝土坝的防渗一直是很受关注的问题，通常从上游面防渗和 层问防渗两方面考虑。国内已建碾压混凝土坝采用的防渗技术有： 1 ) 碾压混凝土自身防渗，即在上游面采用二级配富胶凝材料碾压混凝 土( 强度标号为r c c _ r 9 0 2 0 0 号，抗渗标号为$ 1 0 ，并喷洒水泥粉煤灰浆) 。 该法不仅可简化施工，而且能保证坝体没有渗漏。国内最先在荣地坝，以 后又在酱定、山仔等工程使用。 2 ) 上游常态混凝土防渗。它是由日本的模式发展起来的，在结构上与常 态混凝土无明显差别，通过碾压混凝土外围一定厚度的常态混凝土达到防渗 目的。此类防渗型式可提高碾压混凝土坝的抗冻性和删久性，防渗效果好， 如岩滩、水口、铜街予等碾压混凝土坝。 3 ) 渤青混合荆防渗。录用沥青砂浆作为碾压混蕊上坝防渗，该砂浆适 腹变形能力大，施工干扰少，自身防渗能力强，效果好。固内坑l j 碾压混 凝土坝即采用这种型式防渗，该坝l i 运行r l 年，基木上束发现鞍大渗漏。 4 ) 混凝二匕预制模摄防渗。在碾压混凝土模板块深勾缝中填充面模水泥 防渗层，外面用抗渗性能较好的丙乳浆勾缝，如福建水东坝。 5 ) 补偿收缩混凝土防渗。采用复合膨胀剂配制补偿收缩混凝土为上游 防渗面层，该混凝土抗裂性强，防渗能力比常态混凝土好，施工速度快， 与周边基础结台也好，龙门潍坝首先采用。 6 ) 坝面喷涂防渗技术。在碾压混凝土坝上游面喷涂高分子聚合物防水 材料以达到防渗目的，一般喷涂的品种有橡胶、塑料、煤焦油塑料、沥青 橡胶等。碾压混凝土坝防渗常见的几种措施是根据工程坊渗要求和层面结 合状况而定的。在坝基渗漏、层面缝渗漏、碾压混凝土本身透水性和施工 中出现的坝面裂缝等几方面，宜加强防渗及层间结合的研究，并力求与施 工工艺、严格控制施工质量相结合。 ( 9 1 坝体廊道对大坝碾压混凝土的施工影响很大，可使碾压混凝的生 1 绪论 产效率降低1 5 4 0 。美国陆军工程兵团对大坝廊道施工提出了几种施 工方法： 1 ) 用砾石或骨料充填廊道，待其周围碾压混凝土硬化后挖出砾石或骨 料而形成廊道。不过，廊道边墙表面可能很粗糙，可在碾压混凝土与填料之 间加上木制隔板来克服这一缺点。 2 ) 用路缘滑模机施工边墙，加上预制钢筋混凝土顶板而形成廊道。 3 ) 使用常规模板系统浇筑边墙，顶板为钢筋混凝土预制块。 4 ) 使用充气袋作模板。 ( 1 0 ) 台阶式溢流坝面在水东碾压混凝土重力坝设计中突破国外通常单 宽流量不大于2 0 m 3 s 的惯例，采用了高达1 2 0 m 3 s 的单宽流量，并设计成复 合式台阶型结构，经过实际达7 5 m 3 s 单宽流量的泄流考验，溢流消能效果 和抗冲刷能力都比较好，表面完好无损，这样高的单宽流量是目前碾压混 凝土台阶溢流设计中最大的。它的成功将为碾压混凝土重力坝的溢流结构 设计提供新的途径，可以大量取消传统平滑式的泄槽和相应的二期常态混 凝土。百龙滩已采用，百色坝也将采用。 ( 1 1 ) 运输方式进行了革新。负压溜槽应用于碾压混凝土的垂直运输， 对于窄河谷碾碾压混凝土坝施工是十分有效的方法，较好地避免混凝土在垂 直输送过程中的分离。 总之，在近2 0 多年中，碾压混凝土筑坝技术得到了很大的发展，尤其 我国自1 9 8 1 年开始，对碾压混凝土筑坝技术进行全面的探索研究和建设实 践，在科学技术研究及筑坝建设方面都取得了令人瞩目的丰硕成果，形成 一整套较成熟的筑坝新技术，在水利水电工程建设中发挥了积极的作用。 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 混凝土坝温度应力之前先考察一下常规混凝土坝的温度应力问题“o “3 。 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 西安理工大学工程硕士学位论文 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各两个基本条件：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、气温和曰照辐射等。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疑二| 二互相约 束也可导致温度应力产生，这利，约束即为内部约束。 混凝十圳的温度厦力受到两铲重要因素的影i 蝴iq - 1 混凝j ：弹性摸量。 假设结构的弹性模量是常= 晕= ，则当温度场经变化并复原时，温度应力就 会消失。而混凝土的掸性模量随龄； l j j 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。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。 混凝土是一种脆性材料，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，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 体丌裂，不能关闭溢洪道闸门，使水库上层6 - 8 m 范围的库容多年不能发 l 绪论 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 界上丌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 括混凝二匕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i ：i | = 界最高的混凝土坝鲍尔德坝( 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 年问，世界各国坝工界在鲍尔德坝温控技术基础一l - 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，但客观地观，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 m 高的 约翰契尔坝和前苏联2 1 5 m 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 凝土坝丌裂仍是一个普遍现象，如果进一步强化温控，无论从经济一i - 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， 不必注意其温度控制问题”1 。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：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 。c ，仅为常态混凝土的5 0 7 0 ，特别是在早龄期( 3 d 以 内) ，温升仅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：碾压混凝土含水量低，且掺有相当数量的粉煤狄，因 而水化热发生延迟，这使得施工面自然散热效率降低；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- y ，这方面减少 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姐， 西安理工大学工程硕士学位论文 且施工面散热时问短对减少温度应力不利；碾压混凝土的受拉徐变 随粉煤默掺量的增加而减少，所以碾压混凝土坝的温度应力松弛也较常 规混凝土小，对涡度应力不利；碾压混凝土坝般在低温季节浇筑， 但列高坝，要么在高温季节停浇，以牺牲施工速度换取温控简化，要么 高瀛季节连续浇筑，但夏在冷却骨料、降低入仓温度、分缝等方面采取 措施。 在碾压混撩土坝发展早期；荚固1 ：程界对碾眶捏凝土坝温度应力问 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碟正 混凝士坝大多稗度矸；同地出现馈向裂缝。象荚j 到的中艾= i ：| j l ( m i d a l ef o r k ， 3 8 m j 、盖斯威尔坝( g a i e s v i l l e 5 0 1 1 1 ) 、温彻斯特坝( w i n c h e s t e id a m 。：1 1 1 1 ) 、 澜是制、1 勺 ! | 1 4 i 坝f ( 1 0 p p e rf i e l d 。4 0 1 1 1 ) 、me i | j ! ( p , u c c a 、1 2 1 1 1 1 ，浊l l i l l ：1 9 l ”约坝( r i o u 2 6 m 、等部垃翻i 此。陋肴筑坝经骑的积累，8 0 年l i 煳 二l 后茭欧各豳对没酣横缝已小：l 呼持韵外l j , 议，皿对微缝的位置、m 趴、形一弋 等却未有定论，以横缝m j 距为例，其变化范围从15 o m 到1o o m 旌至更火。 | _ _ 1 本工程界刈碾压混凝二【：坝的设计和施1 j 南持谨慎态度i 睦持沿 用常态混凝二l 坝的做法即设置横缝( 一般按1 5 m 生行间隔设胃) 、限制 浇筑速度、规定层面自然冷却间隔时f 刚等等。这些做法同然l ，以保证坝 体的防渗防裂婴求，但却是以放慢施工速度、损失碾压 6 凝土坝快速、 经济优越性为代价的。 总之，碾压混凝土坝不容置疑地存在着温度应力问题，山于其材料、 施工等0 ：同j ：常j ：混凝l 坝，一碾n 三混凝上坝的温度应力i u 能f r 蔚1 州r 觇 混凝一 二坝温度成力不同的特点，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： ( 1 ) 研究混凝二l 坝温度应力发生发展的般规律、器种影响凶求的 影n l a j j g 理及其计算方法、以及i , - 1 4 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i j 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。 ( 2 ) 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。i 哥前工程设 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。 ( 3 ) 研究如何简化温控措施。为了控制混凝二匕坝的温度应力，过去 几十年罩逐步发展起一套比较有效但费时费力的温控措施，如伺简化温 控措施直是温度应力研究的重要内容。可以浇碾压混凝二l 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 l 。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。 近似方法包括数值解法、图解法、电热模拟和水热模拟等。出于后 面几种方法近年束很少应用，因此近似方法一般多指数值解法。数值方 西安理工大学工程硕士学位论文 法根据其计算原理又可分为差分法、边界元法和有限元法。 ( 1 ) 差分法是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。 ( 2 ) 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 特别适嗣于均匀无限域或半无限域问题；另外边界元法还贝钶计算 * 发商、数据准备少等洮点。崩边界，i 法求解非稳定温度场：岛三种方法： 拉氏积分变换法，驯通过拉氏变换将导热方程转变为与时间尤关的椭 圆方程，然后化为边界积分方程，但当边界条件随时间有复杂变化时， 此方法不再有效；边界元一差分解法，即在空间域用边界元离散， 在时间域用差分处理；采用与时间有关的基本解。尽管在理论上已为 用边界元计算混凝土坝非稳定温度场作好了准备，但要用此方法模拟棍 凝土坝的施工过程及多种材利还比较困难“4 “。 ( 3 ) 有限元法是随着计算机的出现而迅速发展起来的数值方法，目 前用在几乎所有的工程结构计算中6 。0 1 。解一定边值条件下的温度场转 化为求解一个泛函的极值问题，先把计算域离散为有限个单元，在单元 内采用一定搔值函数，则单元内温度可近似由单元的节点温度插值得到， 然后建立单元结点温度的线性方程组，再解方程求解结点的温度值。有 限单元法易于适应不规则边界和多种介质混合域问题，且易于在局部调 整单元尺度以提高计算精度；另外，用有限元法计算温度场可以与温度 1 2 l 绪论 应力场的计算嵌套进行，这是其他数值方法目前尚难以做到的，用有限 元法求解；急定温度场时，一般采用有限元一一差分解法，即用有限元 法离敞空间域，用差分法离散时间域。有文献提到建立时空有限元，即 在时削域也采用有限元离敞。 1 3 2 温度应力场的研究方法 对混凝土温度应力分析的方法可分为理论解法、实用算法和数值方 法。 ( 1 ) 理论解法 由于混凝土坝边界和坝内材料的复杂性，要求解满足所有条件的温 度应力解答几乎是不可能的。 ( 2 ) 实用算法 在实际工程中为了简单迅速地估算出温度应力，常采用- 一些实用算 法，包括约束系数法、约束矩阵法、温度应力因素法。 1 ) 约束系数法 目前国内外工程界多采用这一方法，即 o - = r a n 。a t 式中t 为计算体的变温( ) ；e c 为混凝土的弹性模量；n 为混凝 二l 线膨胀系数；r 为约束系数。 r 的取值是约束系数法的关键，一般认为r 值主要与浇筑块的高长比 h l 以及混疑土和基岩的弹模比e c e r 有关。可以表示为： r = f ( e c e r ，h l ) 根据应力计算结果可以绘出约束系数曲线。 约束系数法计算简单，易于操作。但由于坝体内各部分的约束是不 同的，而且升温过程中混凝土的压力未被考虑，因而约束系数法的估算 偏于保守。再则，混凝土的丌裂不但与应力过程有关，也与混凝土强度 过程有关，也就是龇开裂不一定发生在最大变温时刻，而约束系数法无 法考虑变温或应力的过程。 西安理工大学工程硕士学位论文 2 ) 约束矩阵方法 这一方法假定坝体内任意高度上沿水平方向的温度是均匀分布的， 将坝体沿高度方向分为几个水平祭块，当条块i ( i = l ，2 ，n ) 的温度 均匀下降一单位时，在条块j 中产生的应力为残= a 雹，当各条块i 温度下降t i 时，祭块j 中的总应力为a ，为 哆= 乏心z = a e