（水利工程专业论文）戈兰滩碾压混凝土重力坝仿真分析.pdf

中文摘要 碾压混凝土技术是于硬性混凝土利用土石坝施工工艺，进行振动碾压密实的 一种新的混凝土施工技术，它突破了传统的混凝土浇筑法，具有机械化程度高、 工期短、节省投资等一系列优点。碾压混凝土筑坝技术2 0 世纪7 0 年代由国外首 先起用，我国于8 0 年代初开始研究，随着不断的试验研究和工程实践，碾压混凝 土筑坝技术逐步提高，筑坝经验日益积累，并且在混凝土配合比、防渗结构、施 工工艺等方面有所突破，至今该项技术有了飞速的发展，但仍然存在不少需要进 一步研究的问题，其中大仓面碾压混凝土温控设计是一个重要的研究课题。 本文结合云南省戈兰滩碾压混凝土重力坝的工程实例，采用三维有限元法对 大坝温度场和应力场进行研究，主要得出如下成果： ( 1 ) 对于同一个坝段，连续浇筑和分层浇筑方案的坝内最高温度在施工期和 运行期都比较接近，分层浇筑方案在层问间歇期内的散热时间相对于连续方案的 长，坝内的最高温度比连续方案低2 。c 左右。溢流坝段在施工期间各有两个较稳 定的高温区。冷却方案比不冷却方案的最高温度低6 。c 左右，说明通水冷却是可 行的而且必要的。 ( 2 ) 从应力场计算结果可知，温度应力最大值出现在强约束区，该区域处于 各坝段高温区的下部，温度梯度较大。因此第一个高温区的最大温度值，直接影 响到坝体温度应力最大值。故建议在坝高2 0 m 范围内，宜严格控制浇筑温度，充 分利用低温季节旋工。 ( 3 ) 高温季节施工的部位出现稳定高温区，所以在施工中还应采取其他措施 进行仓面降温等工作。 目前，戈兰滩碾压混凝土重力坝正处于施工准备期，本文通过对大坝的仿真 分析，对工程建设实施具有一定的指导意义。 关键词：碾压混凝土重力坝戈兰滩有限元温度场温度应力 a b s t r a c t t e c h n o l o g yo fr c di san e wc o n c r e t ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ew h i c hp e r f o r m s v i b r o r o l l e rc o m p a c t i n gu s i n gc o n s t r u c t i o nc r a f to fe a r t hr o c k f i l id a m t h i st e c h n o l o g y b r e a k t h r o u g h 血ec o n v e n t i o n a lp l a c e m e n tm e t h o da n d h a v eas e r i e so f a d v a n t a g e ss u c h a sh i g hl e v e lo fm e c h a n i z a t i o n ，s h o r tt i m el i m i tf o rap r o j e c t ，s a v i n gi n v e s t m e n ta n ds o o n t h et e c h n o l o g yo fr c dw i t hd a mi sf i r s tu s e db yo t h e rc o u r t t r i e si nt h es e v e n t i e t h o ft h et w e n t i e t hc e n t u r ya n di ss t u d i e di no u rc o u n t r yi nt h ee a r l ye i g h t i e s w i t ht h e c o n t i n u a le x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n de n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，t h et e c h n o l o g yo fr c d w i t hd a mm a k e sp r o g r e s s e sg r a d u a l l ya n dt h ee x p e r i e n c ea b o u td a ma c c u m u l a t e s i n c r e a s i n g l y ，m e a n w h i l e ，m a k e sb r e a k t h r o u g h i nt h ec o n c r e t em i xp r o p o r t i o n ，a n t i s e e p a g es t r u c t u r e ，c o n s t r u c t i o nc r a f t ，e t c n o w , t h i st e c h n o l o g y m a k e sg r e a t d e v e l o p m e n t s ，b u tt h e r ea r ea l s os o m eq u e s t i o n st h a ts h o u l db es t u d i e di nd e p t h ，o f w h i c ht h et e m p e r a t u r ec o n t r o lo f r c df o rb i ga r e a si sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c t t h i sp a d e rs t u d i e st h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do ft h ed a mc o m b i n i n g w i t he n g i n e e r i n ge x a m p l eo fr o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t eg r a v i t yd a mo fg l a n t a ni n y u n n a np r o v i n c e t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) f o rt h es c h e m eo fc o n t i n u o u sp l a c i n ga n dl i f tb yl i f t ，t h eh i 曲e s tt e m p e r a t u r ei n t h ed a mi sa l m o s ts a m ei nc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i n gp e r i o d ；f o rt h es c h e m eo fl i f lb y l i r m eh e a tr a d i a t i o nt i m eo ft i m ei n t e r v a l i sl o n g e rt h a nt h a to fc o n t i n u o u sp l a c i n g s c h e m e a n dt h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ei nt h ed a mi s2 l o w e rt h a nt h a to ft h eo t h e r s c h e m e t h e r ea r et w os t a b l eh i g ht e m p e r a t u r er e g i o n sf o rt h eo v e r f a l ld a mi n c o n s t r u c t i o n t h eh i g h e s tt e m p e r a t u r eo fc o o l i n gs c h e m ei s6 l o w e rt h a nt h a to fn o c o o l i n gs c h e m e s ow a t e ri n f u s i o nc o o l i n gi sf e a s i b l ea n dn e c e s s a r y 2 1f r o mt h er e s u l to fs t r e s sf i e l d ，w ek n o wt h a tt h em a x i m u mo ft h e r n l a ls f f e s s a p p e a r si nt h eh i g hc o n s t r a i n tf i e l dw h i c hl o c a t e si nt h eb o t t o mo f h i g l lt e m p e r a t u r e d i s t r i c to fe a c h m o n o l i t ha n dt h eg r a d so ft e m p e r a t u r ei s r e l a t i v e l yb i g s ot h e m a x i m u mt e m p e r a t u r eo ft h ef i r s th i g ht e m p e r a t u r ez o n ed i r e c t l ya f f e c t st h em a x i m u m t h e r m a ls t r e s so ft h ed a m i t sa na d v i c et h a tt h ep l a c i n gt e m p e r a t u r es h o u l db e c o n t r o l l e ds t r i c t l yi nt h es c o p eo ft w e n t ym e t e r sh i 西o ft h ed a m ，a n dt h ec o n s t r u c t i o n s h o u l db ed o n ei nt h el o wt e m p e r a t u r es e a s o n s 3 、t h ep a r tw h i c hi sc o n s t r u c t e di nt h es e a s o no fh i 【g ht e m p e r a t u r ew i l la p p e a r s t a b l et h e r m a lz o n e s oi ts h o u l dt a k eo t h e rs t e p sc o o l i n gt h ec o n c r e t i n ga r e ai nt h et i m e o f c o n s t r u c t i o n n o w , i t si nt h ep r e p a r a t i o ns t a g eo ft h er o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t eg r a v i t yd a mo f g e l a n t a n t h r o u g ht h ee m u l a t i o na n a l y s e s ，t h i sp a p e rh a ss o m ei n s t r u c t i o nf o rt h e e n g i n e e r i n gc o n s t m c t i o n k e vw o r d sr o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t eg r a v i t yd a m f m i t ee l e m e n t t e m p e r a t u r ef i e l d g e l a n t a n t h e r m a ls t r e s s 独创性声明 本入声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得丞盗太堂或其他教育机构的学位或证件而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文巾作了明确的说明并表示了感谢。 学位论文作者签名 ，积 签字日期：砷f 年岁月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权区 洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：、习 套晚 导师签名 签字日期：* 畛年，月w 口 签字日期矿日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 1 1 1 大体积混凝土温度应力的重要意义 大体积混凝土在现代工程建设，特别是水利水电建设中，占有重要地位。我 国每年仅在水利水电工程中所浇筑的大体积混凝土就在1 千万m 3 以上。 大体积混凝土结构具有下列重要特点： ( 1 ) 混凝土是脆性材料，抗拉强度只有抗压强度的1 1 0 左右；拉伸变形能 力也很小，短期加载时的极限拉伸变形只有( 0 6 1 0 ) 1 0 一，约相当于温度降低 6 1 0 的变形；长期加载时的极限拉伸变形也只有( 1 2 2 0 ) x1 0 。 ( 2 ) 大体积混凝土结构断面尺寸比较大，混凝土浇筑以后，由于水泥的水化 热，内部温度急剧上升：此时混凝土弹性模量很小，徐变较大，升温引起的压应 力并不大：但在日后温度逐渐降低时，弹性模量比较大，徐变较小，在一定的约 束条件下会产生相当大的拉应力。 ( 3 ) 大体积混凝土通常是暴露在外面的，表面与空气或水接触，一年四季中 气温和水温的变化在大体积混凝土结构中会引起相当大的拉应力。 ( 4 ) 大体积混凝土结构通常是不配钢筋的，或只在表面或孔洞附近配置少量 钢筋，与结构的巨大断商相比，含钢率是极低的。在钢筋混凝土结构中，拉应力 主要由钢筋承担，混凝土只承受压应力。在大体积混凝土结构内，由于没有配置 钢筋，如果出现了拉应力，就要依靠混凝土本身来承受。 基于上述特点，在大体积混凝土结构的设计中，通常要求不出现拉应力( 如重 力坝的设计) 或者只出现很小的拉应力，对于自重、水压力等外荷载，要做到这点 一般并不困难。但在施工过程中和运行期间，在大体积混凝土结构中往往会由于 温度的变化而产生很大的拉应力，要把这种温度变化所引起的拉应力限制在允许 范围以内是颇不容易的。正是由于这个原因，在大体积混凝土结构中往往会出现 裂缝。 大体积混凝土内出现的裂缝，按其深度的不同，一般可分为贯穿裂缝、深层 裂缝及表面裂缝三类。贯穿裂缝切断了结构断面，可能破坏结构的整体性和稳定 性，其危害性是严重的，如与迎水面相通，还可能引起漏水。深层裂缝部分地切 断了结构的断面，也有一定的危害性。表面裂缝一般危害性较小。但处于基础或 者老混凝土约束范围以内的表面裂缝，在内部混凝士降温过程中，可能发展为深 1 第一章绪论 1 i 问题的提出 第一章绪论 i i 1 大体积混凝土温度应力的重要意义 大体积混凝土在现代工程建设，特别是水利水电建设中，占有重要地位。我 国每年仅在水利水电工程中所浇筑的大体积混凝土就在l 千万一以上。 大体积混凝土结构具有下列重要特点： ( i ) 混凝土是脆性材料，抗拉强度只有抗压强度的l l o 左右：拉伸变形能 力也很小，短期加载时的极限拉伸变形只有( o 6 1 o ) x i 0 。，约相当于温度降低 6 一1 0 的变形；长期加载时的极限拉伸变形也只有( 1 2 2 o ) x1 0 。 ( 2 ) 大体积混凝土结构断面尺寸比较大，混凝土浇筑以后，由于水泥的水化 热，内部温度急剧上升：此时混凝土弹性模量很小，徐变较大，升温引起的压应 力并不大；但在日后温度逐渐降低时，弹性模量比较大，徐变较小，在一定的约 束条件下会产生相当大的拉应力。 ( 3 ) 大体积混凝土通常是暴露在外面的，表面与空气或水接触，一年四季中 气温和水温的变化在大体积混凝土结构中会引起相当大的拉应力。 ( 4 ) 大体积混凝土结构通常是不配钢筋的，或只在表面或孔洞附近配置少量 钢筋，与结构的巨大断面相比，含钢率是极低的。在钢筋混凝土结构中，拉应力 主要由钢筋承担，混凝土只承受压应力。在大体积混凝土结构内，由于没有配置 钢筋，如果出现了拉应力，就要依靠混凝士本身来承受。 基于上述特点，在大体积混凝土结构的设计中，通常要求不出现拉应力( 如蘑 力坝的设计1 或者只山现很小的拉应力，对于自重、水压力等外荷载，要做到这点 一般并4 i 困难。但在施工过程中和运行期间，在大体积混凝土结构中往往会由于 温度的变化而产牛很大的拉应力，要把这种温度变化所引起的拉应力限制在允许 范围以内是颇不容易的。正是由于这个原因，在大体积掘凝土结构中往往会出现 裂缝。 大体积混凝土内出现的裂缝按其深度的不同，一般可分为贯穿裂缝、深层 裂缝及表面裂缝三类。贯穿裂缝切断了结构断面，可能破坏结构的整体性和稳定 性其危害性是严重的，如与迎水面相通，还可能引起漏水。深层裂缝部分地切 断了结构的断面，也有一定的危害性。表面裂缝一般危害性较小。但处于基础或 者老混凝士约束范围以内的表面裂缝，在内部混凝土降温过程中，可能发展为深 者老混凝士约束范围以内的表而裂缝，在内部混凝土降温过程中，口j 能发展为深 1 第一章绪论 层甚至贯穿裂缝。 干缩也是引起混凝土裂缝的一个原因，但大体积混凝土内部湿度变化很小， 湿度的变化局限在表面很浅范围内，只要加强养护，就不难解决于缩裂缝问题。 国内外实际工程经验表明，要在大体积混凝土结构内防止出现危害性裂缝， 既有可能，又很不容易，需要精心设计，精心施工。有的工程，如青铜峡水电站， 系建国初期设计的，因缺乏经验，对温度应力的重要性认识不够，在寒冷地区采 用了河床式电站薄壁结构，又没有采取有效的温度控制措施，开工以后产生了严 重裂缝现象，被迫停工处理，延误工期数年。有的工程在施工过程中对温度控制 重视不够，出现大量裂缝后被迫停工处理。前苏联5 0 年代在寒冷的西伯利亚修建 了几座宽缝重力坝，无一例外地出现了严重裂缝，以后修建水电站时，改用实体 重力坝并发展了一套利用活动帐篷浇筑混凝土的托克托古尔施工法，才使裂缝得 到控制。 在大体积混凝土结构中，温度变化不但可能引起裂缝，对结构的应力状态也 具有重要影响，有时温度应力在数值上可能超过其他外荷载引起的应力。例如， 对三门峡重力坝孔口应力的研究结果表明，按照荷载产生应力的大小排列，各种 荷载的次序是：温度、内水压力、自重、外水压力，而且温度应力比其他各种荷 载产生应力的总和还要大。温度变化对拱坝应力状态的影响也是十分显著的。 温度应力与结构形式、气候条件、施工过程、材料特性及运行条件等多种因 素有密切关系；温度应力的变化是复杂的，温度应力的分析比水压力、自重等其 他外荷载应力的分析要复杂得多。 1 1 2 碾压混凝土筑坝的特点 碾压混凝土技术是干硬性混凝土利用土石坝施工工艺，进行振动碾压密实的 一种新的旌工技术，它突破了传统的混凝土浇注法，具有机械化程度高、工期短、 节省投资等一系列优点。碾压混凝士重力坝的温控工作没有常态混凝土复杂，但 在施工中同样要采取相应得温控措施。 我国碾压混凝土筑坝技术具有以下特点： ( 1 ) 建坝数量多、坝型多，发展速度快。已建成超过l o o m 的高坝达7 座， 已经向2 0 0 m 级的大坝迈进。 ( 2 ) 我国碾压混凝土筑坝技术从引进到推广应用，始终处于新技术前沿，从 坑口开始到普定、温泉堡、棉花滩和沙牌等工程实践，我国碾压混凝土筑坝技术 得到了飞速发展。 ( 3 ) 施工制约因素越来越少。通过对施工方法、材料和工艺的不断改进和优 化，特别是高效复合外加剂的使用及v c 值动态控制等，使亚热带高温季节和严寒 ， 第一章绪论 地区冬季碾压混凝土坝施工都成为可能。 ( 4 ) 通过高掺粉煤灰及其它掺和料，降低了水泥用量、减少了水化热、简化 了温控措施，大大加快了施工进度。 ( 5 ) 在拌和、运输、摊铺、碾压成缝、防护及养护等工序上积累了丰富经验， 逐步形成了一套成熟的方法、工艺和机具。如交替翻升摸板、负压溜槽、深槽胶 带机、斜层平推铺筑法、加浆振捣技术、零坍落度混凝土技术以及2 0 0 m 3 连续搅 拌机等都在施工中发挥了重要作用。 ( 6 ) 用碾压混凝土技术修筑围堰的优越性日益显现。 ( 7 ) 上游坝面防渗技术多样化。常态混凝土、沥青砂浆、钢筋混凝土面板、 预制混凝土模板勾缝、p v c 塑料薄膜和二级配碾压混凝土防渗层等均积累了丰富 的经验。其中以二级配碾压混凝土防渗层最为常用且最为经济。 碾压混凝土水泥用量小，大量使用掺合料，碾压混凝土坝一般不设纵缝，不 设或少设横缝，一般采用薄层碾压，上升速度较快，难以通过浇注层面散发热量， 因此，碾压混凝土温控应根据不同的旋工条件、气候、环境温度等进行计算分析， 并采取合适的温控手段。碾压混凝土施工主要温控方法有： ( 1 ) 采用低热或中热水泥，高效复合外加剂、高掺粉煤灰或其他活性材料等， 降低水泥水化热。 ( 2 ) 合理分缝分块，薄层浇注。 ( 3 ) 降低碾压混凝土入仓温度和浇注温度。 ( 4 ) 加强仓面、坝体表面防护措施。如喷雾降温、保温模板保温等。 ( 5 ) 坝体通水冷却。 1 1 3 混凝土温度场和温度应力的分析 为了掌握混凝土温度应力的发展过程和分布规律，首先要分析温度场。根据 当地气候条件、施工方法及混凝土的热学特性，按热传导原理进行计算。问题归 结为在给定的边界条件和初始条件下求解一个热传导方程。对于比较简单的情况， 可求出理论解，对于比较复杂的情况，可采用差分法或有限单元方法求解。 根据已知的温度场分析温度应力是一项比较复杂的工作，只在比较简单的情 况下才能求得理论解，在大多数情况下需要采用数值计算方法，目前主要用有限 单元法。 混凝土的徐变使温度应力有相当大的松弛，计算混凝士温度应力时，必须考 虑徐变的影响。 干缩应力与温度应力在数学上是相似的：分析温度应力的方法也可用于干缩 应力的分析。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 碾压混凝土技术是干硬性混凝土利用土石坝施工工艺，进行振动碾压密实的 一种新的混凝土施工技术，它突破了传统的混凝土浇筑法，具有机械化程度高、 工期短、节省投资等一系列优点，其应用范围已越来越广1 1 1 2 ”。 碾压混凝土筑坝技术2 0 世纪7 0 年代由国外首先起用，我国于8 0 年代初开始 研究，并于1 9 8 6 年建成了第一座碾压混凝土重力坝福建省坑口大坝”1 。在 推广初期，部分学者对层间结合和坝体防渗等问题十分担心，曾一度减缓了碾压 混凝土坝的应用进程。随着不断的试验研究和工程实践，碾压混凝土筑坝技术逐 步提高，筑坝经验日益积累，对各类问题的担心己渐渐消除，并且在以下几方面 有所突破： ( 1 ) 采用高掺粉煤灰等外掺料，选用适宜的水泥、砂石骨料、优质复合型外 加剂； ( 2 ) 针对具体工程特点，确定优化的混凝土配合比，研究石粉对碾压混凝土 性能的影响规律； ( 3 ) 对碾压混凝土拌和、运输、摊铺、压实机械设备不断改进，调整了混凝 土稠度v 。值的控制范围： ( 4 ) 坝体防渗结构不断优化； ( 5 ) 混凝土摊铺、浇筑、分缝处理、分层碾压和模板工程等施工工艺不断改 进和提高，研究了斜层平摊铺筑、诱导缝施工及恶劣环境下的施工技术等新工艺， 进一步提高了碾压混凝土大坝的质量1 3 ； ( 6 ) 对垂直、水平及其他方向的混凝土进行取芯检查，芯样长度已达l o r e 以上，压水试验的透水率平均小于jl u ； ( 7 ) 抗剪断试验的破坏面不在层间结合面，说明层间结合状态良好： ( 8 ) 在坝型方面也越来越多，除重力坝外，有拱坝等坝型，包括设计指标 很先进的双曲拱坝。 至今该项技术有了飞速的发展，但仍然存在不少需要进一步研究的问题。其 中大仓面碾压混凝土温控设计的数值分析方法是一个重要的研究课题。 目前用于温控设计的数值分析方法主要有以下几类：有限元的时间过程分析 方法，约束度分析方法以及以有限元为基础的求热学和辩解性质参数的后分析方 法。传统方法依然为有限元法。现在的计算机技术有了突飞猛进的发展，计算速 度大大提高，可以建立比较复杂的三维模型进行仿真计算。 4 第一章绪论 1 2 1 混凝土温度应力的特点 可以用一个简单的例子来说明混凝土温度应力的特点。设有一两端固定的钢 杆件a b ，杆内发生温度变化t ( 引，t 是时间f 的函数：当r ：0 时，t ( o ) - o ，开 始阶段，t ( f ) 随着时间而升高，过了最高温度兀后，逐渐冷却，最终变为丁( ) ：o 。 钢的弹性模量e 一为常数，因两端固定，由材料力学可知，杆件a b 内的温度应力 为： o s ( r ) = 一e 哎丁( r ) 钢杆件温度应力t 1 7j 与温度t 1 7 j 是成比例的，比例常数为一占s 哆，其中a s 为钢 的线胀系数。当温度从0 上升到最高温度时，应力也从0 开始上升到最大压应 力，当温度再逐渐降低到0 时，应力值也逐渐降低到0 ，即恢复到初始状态。 对于两端固定的混凝土杆件a b ，由于混凝土弹性模量也l 2j 是随着龄期r 而变化的，温度应力不能再用上式计算；而应采用增量法计算；把时间f 划分为 一系列时段a r ，( i = 1 1 ，在第i 个时段a r t 内，温度增量为l ，平均弹性模量为 eh 1 ，弹性应力增量为 a c t i = 一d e ( t ) 正 累加后，得到弹性应力如下 吒( r ) = 一口e ( 0 ) 正 进一步考虑混凝土徐变的影响，应采用下式计算 q ( r ) = - a x e ( r ，) k ( f ，t ) l 式中k ( f ，t i ) 为应力松弛系数，设在龄期f 混凝土受到应力盯( r ) ，如果应变固定 为常数，由于徐变的影响，到了时间t ，应力将减小为盯( t ) ，松弛系数即为d ( t ) 与盯( r ) 的比值，即 世( ，f ) = 盯( r ) 口( r ) 经过计算可以看出，在早期升温阶段，杆内产生了压应力，但因早期混凝土 弹性模量比较小，松弛系数也比较小，因此压应力的数值不大；到了后期降温阶 段，混凝土弹性模量较大，松弛系数k f f ，r 1 也较大，单位温差产生的应力增量比 较大，因此，随着杆内温度的逐步降低，不但早期压应力被抵消了，而且在杆内 还会产生很大的拉应力。最终，当时间r 寸。，温度t f 0 0 1 斗0 ，但应力芳不变为 第一章绪论 零，而是产生很大的剩余拉应力。实际情况是，当温度变幅达到1 2 2 0 时，对 于受到完全约束的混凝土，后期产生的拉应力足以使混凝土被拉断。 从上述简例可以看出，混凝土结构温度应力的变化规律与钢结构是完全不同 的，产生差别的原因：混凝土的弹性模量乞( f ) 是随着龄期彳而变化的；混 凝土徐变的影响。 1 2 2 混凝土温度及应力的变化过程 由于体积庞大，大体积混凝土结构中的温度变化过程大致如下，浇筑温度l 是混凝土刚浇筑完毕时的温度，如果完全不能散热，混凝土处于绝热状态，则温 度将沿着绝热温升曲线上升；实际上由于通过浇筑层顶面和侧面可以散失一部分 热量，混凝土温度将沿着图中实线而变化，上升到最高温度兀+ y 后温度即开始 下降，其中r 称为水化热温升。上层覆盖新混凝土后，受到新混凝土中水化热的 影响，老混凝土中的温度还会略有回升；过了第二个温度高峰以后，温度继续下 降。如果该点离开侧面比较远，温度将持续而缓慢地下降，最后降低到最终稳定 温度0 。如果该点离开表面的距离不到7 m ，该点温度在持续下降过程中，受到 外界气温变化的影响还会随着时间而有一定的波动，最后在l 的上下有周期性的 小幅度的变化，称为准稳定温度。 在混凝土坝内部，混凝土从最高温度降低到稳定温度的过程是非常缓慢的， 往往需要几十年甚至几百年时间，为了加抉这一降温过程，经常在混凝土内部埋 设水管网通冷水进行冷却。 由于混凝土弹性模量随着龄期而变化，在大体积混凝土结构中，温度应力的 发展过程可以分为三个阶段： ( 1 ) 早期应力。自浇筑混凝土开始，至水泥放热作用基本结束时止，一般约一 个月左右。这个阶段有两个特点：一是因水泥水化作用而放出大量水化热，引起 温度场的急剧变化；二是混凝土弹性模量随着时间而急剧变化。 ( 2 ) 中期应力。自水泥放热作用基本结束时至混凝土冷却到最终稳定温度时， 这个时期中温度应力是由于混凝土的冷却及外界温度变化所引起的，这些应力与 早期产生的温度应力相叠加。在此期间，混凝土弹性模量还有一些变化，但变化 幅度较小。 ( 3 ) 晚期应力。混凝土完全冷却以后的运行时期，温度应力主要是由外界气温 和水温的变化所引起的，这些应力与早期和中期的残余应力相互叠加形成了混凝 土晚期应力。 6 第一章绪论 1 2 3 混凝土温度应力的类型 根据引起应力的原因，混凝土温度应力可以分为以下两类。 1 ) 自生应力 边界上没有受到任何约束或者完全静定的结构，如果结构内部温度是线性分 布的，即不产生应力；如果结构内部温度是非线性分布的，由于结构本身的互相约 束而产生的应力，成为自生应力。例如，混凝土冷却时，表面温度较低，内部温 度较高，表面的温度收缩变形受到内部的约束，在表面出现拉应力，在内部出现 压应力。自生应力的特点是，在整个断面上，拉应力与压应力必须保持平衡。 2 ) 约束应力 结构的全部或部分边界受到外界约束，温度变化时不能自由变形而引起的应 力。例如，混凝土浇筑块冷却时受到基础的约束而产生的应力。 在静定结构内只会出现自生应力，但在超静定结构内可能同时出现自生应力 和约束应力，而且两种应力互相叠加。 1 2 4 控制温度应力、防止裂缝的技术措施 在大体积混凝土结构内一旦出现大的裂缝，要通过修补以恢复结构的整体性 实际上是很困难的。我国曾经有几个大型水利水电工程，由于出现大量裂缝，被 迫停工修补，费时数年才恢复正常煎工，损失很大，因此，对于大体积混凝土结 构的裂缝，应以预防为主。由于裂缝问题牵涉的因素较多，施工周期较长，经验 表明，要完全防止大体积混凝土结构的裂缝，既有可能，又很不容易，需要精心 设计、精心施工。 总结国内外经验，为了防止大体积混凝土结构的裂缝，应从以下方面着手。 1 ) 选择合理的结构形式和分缝分块 经验表明，结构形式对温度应力和裂缝的出现具有重要影响。我国东北的桓 仁水电站，采用大头坝，西北的青铜峡水电站采用河床式水电站，这两个工程的 特点是结构单薄，对外界温度的变化比较敏感，而当地气候寒冷，气温年变幅很 大，结果在施工过程中出现了大量裂缝，两个工程均被迫停工修补，数年才处理 完毕，恢复正常施工。前苏联五六十年代在寒冷的西伯利亚兴建了马马康、布拉 茨克、布赫塔尔明等几个宽缝重力坝，无一例外地都出现了大量裂缝。他们吸取 这些工程的经验教训，在以后兴建的水电站中改用实体重力坝，并发展了一套托 克托古尔施工法，才使裂缝问题得到控制。这些工程实例告诉我们，在设计阶段 应充分重视结构形式对温度应力和裂缝问题的影响，特别是在寒冷地区，应尽量 少用对温度变化很敏感的薄肇结构。在实体重力坝与宽缝重力坝的对比中，应重 第一章绪论 视宽缝重力坝暴露面积大，比实体重力坝易于出现裂缝这一特点，尽量少用宽缝 重力坝，尤其在寒冷地区。 浇筑块尺寸对温度应力有重要影响，浇筑块越大，温度应力也越大，越容易 产生裂缝，因此合理的分缝分块对防止裂缝有重要意义。实际经验和理论分析都 表明，当浇筑块平面尺寸控制在1 5 m x l 5 m 左右时，温度应力已比较小，基础约 束高度也只有3 - - 4 m 左右。在气候温和地区，裂缝的可能性较小，但在寒冷地区， 由于温差过大，这种尺寸的浇筑块仍然难免出现大量裂缝，需要采取严格的保温 措施。 在同一浇筑块内应避免基础过大的起伏，在结构形式上应尽量避免或减缓应 力集中。 2 ) 选择混凝土原材料、优化混凝土配合比 选择混凝土原材料、优化混凝土配合比的目的是使混凝土具有较大的抗裂能 力，具体说来，就是要求混凝土的绝热温升较小、抗拉强度较大、极限拉伸变形 能力较大、热强比较小、线胀系数较小、自生体积变形最好是微膨胀，至少是低 收缩。 ( 1 ) 选择水泥。内部混凝土主要考虑抗裂性能好、兼顾低热和高强两方面的 要求，一般采用低热矿渣水泥，中热硅酸盐水泥或硅酸盐水泥掺人一定量的粉煤 灰。至于外部混凝土，除了抗裂性能外，还要求抗冻融性、耐磨性、抗蚀性、强 度较高及干缩较小，因此一般采用较高标号的中热硅酸盐水泥。当环境水具有硫 酸盐侵蚀性时，应采用抗硫酸盐水泥。 ( 2 ) 掺用混合材料。掺用混合材的目的在于降低混凝土的绝热温升、提高混 凝土抗裂能力。混合材包括矿渣、粉煤灰、烧粘土等。目前粉煤灰采用较多。 ( 3 ) 掺用外加剂。外加剂有减水剂、引气剂、缓凝剂、早强剂等多种类型。 减水剂是最常用、最重要的外加剂，它具有减水和增塑作用，在保持混凝土坍落 度及强度不变的条件下，可减少用水量，节约水泥、降低绝热温升。引气剂的作 用是在混凝土中产生大量微小气泡以提高混凝土的抗冻融耐久性。缓凝剂用于夏 季施工，早强剂则用于冬季施工。 ( 4 ) 优化混凝土配合比。在保证混凝土强度及流动度条件下，尽量节省水泥， 降低混凝土绝热温升。 3 ) 严格控制混凝土温度、减小基础温差、内外温差及表面温度骤降 严格控制混凝土温度是防止裂缝的最重要措施。 ( 1 ) 降低混凝土浇筑温度，通过冷却拌和水、加冰拌和、预冷骨料等办法降低 混凝土出机口温度，采用加大混凝土浇筑强度、仓面保冷等方法减少浇筑过程中 的温度回升。 第一章绪论 ( 2 ) 水管冷却。在混凝土内埋设水管，通低温水以降低混凝土温度。 ( 3 1 表面保温。在混凝土表面覆盖保温材料，以减少内外温差、降低混凝土表 面温度梯度。 4 ) 重视施工前期准备工作 我国不少工程施工单位在施工前期，只重视混凝土制备和浇筑方面的准备工 作，而不重视混凝土温度控制方面的准备工作。到了开始浇筑混凝土时，由于制 冷厂不能投入运用等原因，混凝土温度控制不能满足设计要求，而早期浇筑的基 础部分混凝土正是在温度控制方面最重要的混凝土，其结果是，花钱买了设备， 但却没有发挥应有的作用。在施工前期，一定要重视混凝土温度控制方面的准备 工作，如制冷厂、制冰机的安装调试，冷却水管及保温材料的准备等等0 5 ) 加强施工管理 ( 1 ) 提高混凝土施工质量。为了防止裂缝，除了严格控制混凝土温度外， 还需要加强施工管理、提高混凝土施工质量。显然，在一个混凝土浇筑块中，混 凝土的强度不是均匀的，裂缝总是从强度最低的薄弱处开始。我们曾在丹江口工 地进行过大量调查，对几百个混凝土浇筑层进行分析，发现裂缝的出现与混凝土 的不均匀性有重要关系。当混凝土质量控制不严、混凝土强度离差系数c v 大时， 裂缝就多。从全国范围来看也是如此，混凝土施工质量较好的工程，裂缝就少， 反之，裂缝就多。因此，为了防止裂缝，斗要加强施工管理，提高混凝土旌工质 量。 ( 2 ) 薄层、短间歇、均匀上升。在混凝土浇筑进度安排上，尽量做到薄层、 短间歇( 5 l o d ) 、均匀上升，避免突击浇筑一块混凝土，然后长期停歇：避免相 邻坝块之间过大的高差及侧面的长期暴露；尤应避免“薄块、长间歇”，即在基岩 或老混凝土上浇筑一簿块而后长期停歇，经验表明，这种情况极易产生裂缝。 ( 3 ) 尽量利用低温季节浇筑基础部分混凝土。 ( 4 ) 加强养护。严格控制温度也是施工管理中的一个重要方面。 总之，温度应力的分析、温度控制和防止裂缝的措施，是大体积混凝土结构 设计与施工中十分重要的课题。 1 3 本文主要研究内容 根据现代温控设计理论的完善和有限元技术的新发展，使对大坝进行三维有 限元按时间步模拟分析成为可能。本文结合戈兰潍水电站工程，以大坝最高的坝 段一表孔坝段为例做如下工作： ( 1 ) 计算分析各种工况下表孔坝段的非稳定温度场，研究坝体内部混凝土 第一章绪论 的温度变化趋势，以及高温区产生的范围。 ( 2 ) 计算分析表孔坝段施工期坝体温度应力。研究各中工况下坝体温度应 力的变化，研究是否需采取温控措施。 ( 3 ) 计算分析加入冷却水管后表孔坝段的温度场和温度应力，研究坝体温 度场和应力场的变化，分析比较和不加入冷却水管的温度变化异同。 ( 4 ) 探讨温控防裂方案。 第二章 有限元温控分析理论 第二章温度场和温度应力的有限元分析理论 为了掌握混凝土温度应力的发展过程和分布规律，首先要分析温度场。根据 当地气候条件、施工方法及混凝土的热学特性，按热传导原理进行计算。问题归 结为在给定的边界条件和初始条件下求解一个热传导方程。对于比较简单的情况， 可求出理论解，对于比较复杂的情况，可采用差分法或有限单元方法求解。 根据已知的温度场分析温度应力是一项比较复杂的工作，只在比较简单的情 况下才能求得理论解，在大多数情况下需要采用数值计算方法，目前主要用有限 单元法。 本章简要介绍计算温度场和应力场的有限元法计算理论，包括变分原理、稳 定温度场计算、非稳定温度场计算和温度应力计算。 2 1 变分原理 在域r 和边界c 上考虑泛函 i ( t ) = f i f ( t ，t ，) + p ( r ) 反 rc 其中，g ( t ) 是温度场t 及温度梯度t x = o t i c 3 x 、t ，= a t 砂的函数。 泛函i ( t ) 取极小值，与t ( x 、y ) 有微小差别的任意函数可写成 y ( x ，y ) = t ( x , y ) + e r ( x , y ) 式中s 为一极小参数。容易看出 对于温度场t ( x ，y ) ，泛函为 ( 式2 1 ) 假设t ( x 、y ) 使 ( 式2 - 2 ) = c + 仉，= 0 + 5 仉， ( 式2 - 3 ) ，( 丁+ 研) = i i f ( t + 研，t + 占仇，l + ) 以哆+ f g ( 7 1 + s , n 4 ( 式2 4 ) rc 由上式取变分，得到： 跏凳2 崂叩+ 秘蛳熙 ( 第二章有限元温控分析理论 由分部积分得到 从而可得： 篆= 昙c 一誓叩 c ”瓦a f = 专( m 等叩 c 甜= 驴c 等专等m + 螓c + 专c m 嘭+ 印以c 由于在c 7 上是第一类边界条件，即给定了t ，因此c h q = 0 ，在由格林公式 变换可得到： 占，= 驴c 筹一誓一亏a f t ，嘭+ 叩 等+ & c o s ( r , x ，+ _ c 。s c 牛c 式z 跏 除了c 外，玎可以独立变分，故上式中，无论面积分或线积分，叩后面的式子都必 须为零，否则我们总可以选择玎使8 1 0 ，因此，由d ，= 0 ，推知以下两式成立。 在域n 内a a f 丁 a ( a 丌f 茜= 。 在边界c 上等+ 差c 。s ( ) + 若c 。s ( w ) - 0 平面稳定温度场在泛函i ( t ) 的表达式中，取函数f 和g 如下 f = 圭( 罢 2 + ( 茜 2 ，g ：。 代入前述公式，得到 巾，= 丢悯2 惭卜 对函数f 求几个偏导数，代入上式可得： ( 式2 1 0 ) ( 式2 1 1 ) 第二章有限元温控分析理论 在域r 内o a f r 玉ol ( a o c fi 一面a l ( a o 。f1 j = 一万0 2 t 一矿0 2 t = 。( 式2 - 1 2 ) 在边界c 上 面o g + 瓦o fc o s ( ) + 筹c 。s ( w ) = 罢c 。s ( ) + 瓦o tc 。s ( w ) = 面o t = 。 ( 式2 - 1 3 ) 当温度t 在边界c 7 上去已知温度t 。，并使泛函i ( t ) 取极小值时，并在边界c 上满足绝热条件，t 即我们所求的稳定温度场。 同样，在空间问题中考虑泛函 ，( r ) = f ( r ，t ，弓，t , ) & d y d z + 盯g ( 7 1 ) 凼 ( 式2 1 4 ) 在区域n 内堡a r 一旦a f l 笪a t ) 1 一刍( 筹) - 昙( 署) 。( 式2 - 1 5 ) 在边界c 上而o g + 嵯+ 筹+ t 器一。 空间不稳定温度场，在域r 内，t 满足热传导方程 窑+ 宴+ 宴+ 三f 塑一丝1 ：o a x 2 。a y 2 。七2 d la f a fj ” 当f = 0 时t = 瓦( x ，y ，z ) 当f 0 ，在上t = 五 当r o ，在c 上罢+ 詈+ t 笔+ 万( r - r o ) = o 万= ，旯出却出 式中t 温度； r 时间； 卜绝热温升： 卜表面放热系数： 旺一导温系数； t a _ 一气温； t b _ 一已知边界温度。 取函数f 和g 如下： ( 式2 1 6 ) ( 式2 一1 7 ) 第二章有限元温控分析理论 f = 圭 ( 罢 2 + 茜) 2 + ( 警) 2 一三a f k 丝a r 一等 g = 圭声7 2 一万瓦r 代入式泛函i ( t ) 如下 巾，= 榔分( 弘( 甜靼ak a r 一要 t 卜+ 啦矿您丁卜 当温度t 在仁0 时取给定的初始温度t o 。在边界c 上取给定的边界温度t 。， 并使泛函i ( t ) 取极小值，t 为所求温度场。 2 2 稳定温度场有限元计算 2 2 1 基本理论公式 根据热传导理论，稳定温度场t ( x ，y ，z ) 在区域r 内应满足拉普拉斯方程 窘+ 窘+ 窘= 。苏2 西2 。出2 。 ( 式2 1 9 ) 及在第一类边界上满足：t = t 。 在第三类边界上满足： 娑+ 卢( 丁一瓦) = o u 盯 在绝热边界上满足：五竺：o d 玎 其中0 为表面放热系数，九为导热系数，n 为外法线方向，t 。、t 。为给定 的边界温度。 函数r ( x ，少，z ) 在边界c 上满足t = 瓦，并使以下泛函实现极值 巾，= 圭时( 黔盼卜 t ( x ，y ，z 1 即