（水利工程专业论文）蔺河口碾压混凝土拱坝温度场仿真分析.pdf

摘要 蔺河口碾压混凝土拱坝温度场仿真分析 学科：水工结构工程作者：赵琼仁 导师：李守义、黄强教授答辩曰期：2 0 0 3 7 摘要 拱坝是固结于基岩的高次超静定空间壳体结构，既有拱作用又有梁作 用，其主要荷载是通过拱的作用传到两岸坝端。拱坝一般比较单薄，对外 界气温和水温的变化比较敏感，坝内温度变化比较大，除了坝项为自由 边界外，其它三面都受到基岩的约束，温度变形受到的外界约束比较人。 因此，温度变化对混凝拱坝的应力状态具有重要的影响。 论文根据热传导理论及有限元理论，用三维有限元浮动网格法划施 工期和运行期温度场进行了全过程仿真分析，较为系统的研究了混凝。卜 拱坝施工期和运行期温度场分布规律，在分析中按照混凝土拱坝施工过 程，考虑了混凝土分层浇筑、施工剧隙时间、绝热温升过程及坝体材料 分区、水库分期蓄水和环境温度变化等因素对坝体温度场的影响。，结合 陕西蔺河口水电站工程实际资料，对m 方案和n 方案温度场迸行了施r 期和运行期全过程仿真计算分析，给出了拱冠梁剖面和坝体中心纵削囟 准稳定温度场等值线图以及施工期、运行期拱冠梁剖面和坝体中心纵剖 面非稳定温度场等值线图，提供了施工期逐月和运行期每年最高、最低 温度等成果，分析了坝体温度分布规律以及高温区形成的原因，并探讨 了预埋冷却水管的效果和可行性以及预埋冷却水管的区域。以上成果为 蔺河口水电站碾压混凝土拱坝温控设计、施工和运行期温控管理提供j 7 可靠的依据，具有重要的理论研究参考价值和实际应用价值。 关键词：混凝土拱坝温度场三维有限元浮动网格法仿真分析 西安理工大学硕士学位论文 s i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h et e m p e r a t u r ef i e l d o fl i nh e k o ur c ca r c hd a m a b s t r a c t a r c hd a m ，w h i c hi sf a s t e n e dt ot h eb a s er o c k j sah i g ho r d e r , h y p e r s t a t i c ，s p a c i a lb o d yc a s es t r u c t u r e i th a sn o to n l ya r c hf u n c t i o nb u t a l s og i r d e rf u n c t i o n b u ti t sm a i nl o a d sa r ep a s s e dt oe a c hd a ma b u t m e n t b ym e a n so fa r c hf u n c t i o n a r c hd a mi ss l i c ea n di ti ss e n s i t i v et ot h e c h a n g eo fs u r r o u n d i n gt e m p e r a t u r ea n dw a t e rt e m p e r a t u r e t h ec h a n g eo f t e m p e r a t u r ei nt h ed a mi sb i g a n de x c e p tf o rt h ed a mc r e s ti sf r e e t h e o t h e rt h r e es u r f a c e sa r er e s t r a i n tb yb a s er o c k ，a n ds o ，t e m p e r a t u r e d e f o r m a t i o ni s b i g t h e r e f o r et h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r eh a sg r e a te f f e c t o nt h es t r e s s e so fc o n c r e t ea r c hd a m i nt h i sa r t i c l e ，a c c o r d i n gt oh e a tc o n d u c t i o nt h e o r ya n df i n i t ee l e m e n t t h e o r y , t h et e m p e r a t u r ef i e l di nt h ea r c hd a md u r i n gc o n s t r u c t i o na n d o p e r a t i o na r es i m u l a t e da n da n a l y z e db ym e a n so ft h r e ed i m e n s i o n a jf i n i t e e l e m e n t r e l o c a t i n g m e s hm e t h o d a n dt h ed i s t r i b u t i o nl a wo ft h e t e m p e r a t u r ef i e l di nt h ea r c hd a md 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 e s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d ，a n da c c o r d i n gt ot h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so f c o n c r e t ea r c hd a m t h ee f k c to fl a n a i n a t i o np l a c e m e n t c o n s t r u c t i o n i n t e r v a l ，t h e r m a li n s u l a t i o nc h a n g e ，s u r r o u n d i n gt e m p e r a t u r ec h a n g ea n d w a t e rs t o r a g eo nt e m p e r a t u r ef i e l di nt h ea r c hd a ma r ea l s oc o n s i d e r e d c o m b i n e dw i t hp r a c t i c a ld a t ao fs h a n n x il i nh e k o uh y d r o p o w e rp l a n t t h et e m p e r a t u r ef i l e do fma n dns c h e m e sd u r i n gc o n s t r u c t i o na n d o p e r a t i o na r es i m u l a t e da n da n a l y z e d t h ei s o l i n em a po fs t a b l e t e m p e r a t u r ef i e l do ft h ea r c hc r e s tg i r d e rs e c t i o na n dt h ev e r t i c a ls e c t i o ni n t h ec e n t e ro fa r c hd a m ，t h ei s o l i n em a po fu n s t a b l et e m p e r a t u r ef i e l do f t h ea r c hc r e s tg i r d e rs e c t i o na n dt h ev e r t i c a ls e c t i o ni nt h ec e n t e ro fa r c h d a md 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 n dt h em a x i m a la n dm i n i m a l t e m p e r a t u r ev a l u 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 na r ep r o v i d e d t h e d i s t r i b u t i o n1 a wo ft e m p e r a t u r ei nt h ed a ma n dt h ef o r mr e a s o no f h i g h t e m p e r a t u r e z o n ea r ea n a l y z e da n dt h ee f f e c ta n df e a s i b i l i t yo f c o o l i n ga n dt h ez o n eo fc o o l i n ga r ed i s c u s s e d t h ea b o v er e s u l t sp r o v i d e r e l i a b l eb a s i sf o rt h ed e s i g na n dm a n a g e m e n to ft e m p e r a t u r ec o n t r o l d 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 no fl i nh e k o ur c ca r c hd a ma n dh a v e i m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u eo ft h e o r ys t u d ya n dp r a c t i c a l i m p l i c a t i o n k e y w o r d s ：c o n c r e t ea r c hd a m t e m p e r a t u r ef i e l d t h r e ed i m e n s i o nf i n i t e e l e m e n t ，r e l o c a t i n gm e s hm e t h o d ，s i m u l a t i o na n da n a l y s i s 绪论 1 绪论 1 1 碾压混凝土坝概述 1 1 1 碾压混凝土坝及其材料的特点 碾压混凝土坝施工与常态混凝土筑坝用振捣器插入振捣密实的施j i ： 方法不同，而是利用强力振动和重型机械碾压的共同作用，使超i 二硬性 混凝土密实的一种混凝土坝施工新方法。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 混凝土坝的优点。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，j 6 | f ，l i 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。它足 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。 碾压混凝土属干、贫混凝土，干即材料的用水量少，是超j f 硬性无塌 落度混凝土，贫即材料的水泥用量少，以较大掺量粉煤扶代替水泥，j n 位 体积混凝土水泥用量比常态混凝土少。目前，我国碾压混凝土坝广泛采j 玎 中胶凝材料、高掺粉煤灰混凝土。胶凝材料一般在1 5 0 k g m 3 左右，粉煤狄 的掺用量占总胶凝材料的5 0 7 0 1 1 , 2 1 。 1 1 2 碾压混凝土坝的发展 碾压混凝土坝是近2 0 年来发展起来的一项筑坝新技术。1 9 7 0 年，在煲 国加州阿西洛玛( 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 r ) 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，美刖陆车 工程师团在艾克溪坝( e l kc r e e k ) 幂 1 劳斯特溪坝( l o s tc r e e k ) 工程中分别进 ， 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( i a r b e l a ) 工程中用碾压混凝土快速修复泄洪洞出口消力池。这进步证叫了碾爪混 两安理二广大学t 程坝l 学位论文 凝土快速施工的可行性。日本从1 9 7 5 年丌始研究碾压混凝土筑坝技术，并 用于工程实践。1 9 8 1 年日本建成了世界上第一座碾压混凝土坝岛地川坝 ( 8 9 m ) ，这可以说是人类筑坝史上的第二个里程碑，此后世界各国竟相修 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问建成了 世界上第一座全碾压式混凝土坝柳溪坝( 5 2 m ) 。我国从1 9 7 8 年j 1 ：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 坝福建省大田县坑口坝( 5 6 8 m ) 1 3 1 。到1 9 9 8 年底世界上已有2 8 个国家 完建和在建的坝高超过1 5 m 的碾压混凝土坝共2 1 0 余座，其中以日本和中 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，我国已建成的坝高超过2 5 m 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l o o 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 65 m 高的龙滩碾压混凝土重力 坝分别是目前世界上最高的碾压混凝土拱坝和重力坝i 。 1 1 3 碾压混凝土的类型 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 、同本的r c d 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 强度增长缓漫，后期继续增长。 2 水泥水化发热量少，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j = 亍水 泥能获得的混凝土强度效率高。 5 r c c d 层间接缝做好，其结合性能良好，抗剪强度、弹模和不透水 性与碾压混凝土本身一样。 ， 绪论 在碾压混凝土筑坝施工方面，有如下特点： 1 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- 二机 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，】：i h j 歇2 3 天。 2 温度收缩缝有两种做法，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1 f l i 上用风钻沿横缝线间隔钻孔，以诱导成横缝。 3 目前r c c d 设计一股在上下游坝面设置常态混凝土，坝面通常川滑 动模板浇筑。 4 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 在许多方面都相同，现仅就其区别和特点加以说明。 在材料方面：r e 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，粉煤灰用量不直超过胶结料的3 0 ，混凝土强度主要椎 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，层问抗剪强度也削弱，所以特别重视层间的粘接。即使在美州， 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 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、抗拉强度罂求 西安理工人学工程砸一卜学位论文 决定，而不是由抗压强度决定。浇筑层厚度一般为0 ，3 m ，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，驮胶比较小，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0 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 4 碾压混凝土坝的防渗 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 间防渗两方面考虑。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s 1 0 ，并喷洒水泥粉煤狄浆) 。 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 后又在普定、山仔等工程使用。 ( 2 ) 上游常态混凝土防渗。它是出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耐久性，防渗效 果好，如岩滩、水口、铜街予等碾压混凝土坝。 ( 3 ) 沥青混合料防渗。采用沥青砂浆作为碾压混凝土坝防渗，该砂浆适 应变形能力大，施工干扰少，自身防渗能力强，效果好。国内坑口碾压混 凝土坝即采用这种型式防渗，该坝已运行了十几年，基本上未发现较大渗 漏。 ( 4 ) 混凝土预制模板防渗。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， 4 绪论 与周边基础结合也好，龙门滩坝首先采用。 ( 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防渗要求和层丽结 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。 1 1 5 碾压混凝土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问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，朱们 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，研究丌发的计算软件，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 e 西安理工大学一啊星硕士学位论文 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 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。 1 1 6 碾压混凝土坝施工新工艺 ( 1 ) 变态混凝土1 2 , 5 , 6 1 由于常态混凝土与碾压混凝土的施工工艺不同，施工时常常互相二f 扰，影响施工进度，同时在材料制各、结构分缝、温控措施等方面也各 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。 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 体孔洞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水 泥粉煤灰胶浆改性即可，简化了碾压混凝土的施工工艺：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 ，6 绪论 之间结合的矛盾。变态混凝土在碾压混凝土筑坝中将逐渐扩大应用到其他 领域。 ( 2 ) 斜层平推铺筑法m l 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。这种施工新工艺于1 9 9 6 年在江垭工程施 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j i ： 坝也采用了斜层平推铺筑法。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。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i 白j 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，层间间隔时州越长，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。 1 1 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 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。 一7 西安理二 大学工程坝：卜学位论文 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， 将施工机械配备技术、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 碾压混凝土拱坝 1 2 1 拱坝的结构特点 拱坝是固结于基岩的高次超静定空间壳体结构，在平面上呈凸向上游 的拱形，其拱冠剖面上游边线呈竖直的或向上游凸出的曲线形，坝体结构 既有拱作用又有梁作用，其主要荷载是通过拱的作用传到两岸坝肩，因此， 其稳定性主要依靠两岸坝肩岩体维持，而不像重力坝主要依靠重力维持， 所以拱坝体积一般比重力坝小。在坝体能充分发挥拱的作用及两岸基岩稳 定可靠的情况下，般来既，拱的作用越强，坝身的体积越小。由于拱坝 的结构特点和工作原理与重力坝不同，所以渗透压力与重力等作用荷载对 拱坝的影响要比在重力坝小，而温度荷载及坝体混凝土收缩则上升为主要 荷载。拱坝内不能设置不灌浆的横缝，从基础到坝顶，在整个坝高范围内， 坝体的变形都是受到两岸基础的约束的。 1 2 2 国内外碾压混凝土拱坝的工程实践 在碾压混凝土重力坝的施工中，由于横缝对坝体的分割，使碾压混 凝土的坝面运输受到干扰，坝面工序增多，抑制了碾压混凝土快速施工 的特点；同时也由于有些碾压混凝土重力坝断面很大，工程量多，而坝 肩的地质条件又相当好，其较大的基础承载能力并没有得到发挥，因此， 能较好地解决上述两问题的碾压混凝土拱坝就应运而生。 众所周知，碾压混凝土拱坝的核心问题是温度应力问题，所以，在 绪论 温度应力没有搞清楚的条件下，人们的初步做法是将坝体轴线做成微拱 形或拱形，称为拱形重力坝( a r c h e dg r a v i t yd a m ) 。如我国的岩滩上游围堰 和隔河岩上游围堰。但拱形重力坝不是拱坝，做成拱形的目的首先在于 极限平衡的条件下，坝体两端可以获得比整体式重力坝更为可靠的侧阳 阻滑力和额外的稳定度“1 ：其次在于依靠水压作用下的轴向压力，降低均 匀温降荷载作用下的坝轴向拉应力。 拱形重力坝仍需要大量地造缝，影响施工进度。有的学者从预裂爆 破成缝机理中得到启发，提出了在碾压混凝土拱形重力坝中设问断缝的 建议，既可保证坝体收缩时沿设有止水的f 1 断缝拉丌，又较大幅度地降低 了造缝工作量。但这种坝型仍然没有充分发挥坝肩岩石和坝体混凝土的 材料潜力。南非工程师h o l l i n g w o r t h 在积累了几座碾压混凝土重力拱坝 的设计与施工经验之后，于1 9 8 8 年领导建成了第一座真正意义上的碾压 混凝土拱坝南非k n e l l p o o r t 坝( 高5 0 m ，坝顶长2 0 0 m ，混凝土 5 9 0 0 0 m3 ) 。与间断缝的概念相似，他们在坝体中设置了数量众多的诱导 缝，以备在诱导缝张丌之后用重复灌浆的方式保证坝体的整体性。 我国于1 9 8 7 年开始在岩滩上游围堰( 高5 4 3 m ) 和隔河岩上游围堰 ( 高3 7 0 m ) 上将碾压混凝土材料应用于拱形重力坝之中。普定碾压混凝 土拱坝( 1 9 9 3 年完建) 是世界上第三座也是己完建的最高的碾压混凝土拱 坝，坝高7 5 m ，坝顶总长1 9 6 o m ，混凝土1 0 3 0 0 0 m 。我国工程师在借 鉴南非经验和拱形重力围堰设计经验的基础上，根据实际工程情况，扫； 坝肩设了一道横缝，在坝体中部设了两条诱导缝；在材料方面，选择了 迟缓型微膨胀水泥；在施工过程中，严格控制了浇筑季节和浇筑温度。 由于选材得当，温控有力，上部两拱端诱导缝运行6 年并没有张开，拱 坝的整体性良好。普定碾压混凝土拱坝的成功，推动了我国碾压混凝l ： 拱坝建设的快速发展。完建于1 9 9 4 年的温泉堡碾压混凝土拱坝，坝高 4 7 5 m ，坝顶宽4 o m ，坝顶沿轴线总长1 8 8 0 m 温泉堡位于北方，冬 季严寒，不能填筑混凝土，只能在春秋季较低温度时浇筑。由于温升后 西安理工大学工程琐j 二学位论文 温差超过规定，因此采用了两条非贯通式横缝和两条非贯通式诱导缝。 由于坝体较薄，内部热量散发快，横缝于1 9 9 3 年3 月张开，最大缝宽为 4 6 8 m m ，于1 9 9 4 年4 月在坝体下半部进行了灌浆，运行后未发现漏水。 1 9 9 6 年3 月，部分横缝再次张开，管理单位启用了重复灌浆系统。为确 保安全，在上游面铺设二道土工薄膜防渗。 于1 9 9 8 年1 0 月开始碾压的沙牌碾压混凝土拱坝( 高1 3 2 o m ，坝顶 轴线长2 5 0 o m ，混凝土3 9 0 0 0 0 m3 ) 在结构设计上吸收了横缝与诱导缝的 优点，在坝体上部的两边，为缓解整体浇筑时自重产生的拉应力和温度 收缩应力，设置了两条横缝：在拱冠两边，从坝底到坝顶，设置了两条诱 导缝，作为控制温度应力的预备措施。由于有一部分坝体要在高温季节 浇筑，坝体的均匀温降不仅量大，而且时间较长，在朱伯芳院士的推荐 下，拟在这一部位通冷水降温。因沙牌碾压混凝土拱坝坝体较高，拱坝 的中心角大，为缓解粱向拉应力，在坝体底部设置了适当角度的倒坡， 使整个坝体的应力状态更趋合理。在普定与沙牌等碾压混凝土拱坝建设 的带动下，中国的碾压混凝土拱坝的建设渐趋活跃。石门子( 高l l o m ) 、 高塘( 高l l o m ，坝顶轴向长3 5 5 m ) 、白莲崖( 高1 0 7 m ) 、引子渡等碾压 混凝土拱坝正处于设计或施工阶段“1 ，碾压混凝土筑坝技术具有广阔的 应用前景。 1 2 3 碾压混凝土拱坝设计与施工的基本经验 自世界上第一座碾压混凝土重力坝一一一日本岛地川坝竣工以来 ( 1 9 8 1 年) ，坝工界迎来了人类筑坝史上的第二个里程碑。此后的二十几 年来，世界各国竞相修建碾压混凝土重力坝、碾压混凝土重力拱坝、碾 压混凝土拱坝，坝工建设的工程师与科学家携手，把碾压混凝土重力坝 的高度提高到了2 1 6 5 m ( 中国龙滩) ，把碾压混凝土拱坝的高度定位在 1 3 2 0 m ( 中国沙牌) 。相应地，世界各国在碾压混凝土材料性质、设计技 巧、施工方法、管理模式研究等诸多方面积累了许多经验。与碾压混凝 土拱坝设计、施工有关的经验如下： 1 n ， 绪论 a 材料性质方面：配合比合适，施工措施得当的碾压混凝土，其抗 压强度、抗拉强度、密实性等均不低于同等条件下的常态混凝土：石粉是 改善碾压混凝土性能的重要成分。掺量适当的石粉，可以提高碾压混凝 土的均质性、密实性和抗渗性：最大骨料粒径对碾压混凝土的整体质量影 响很大，尤其是影响碾压混凝土的均匀性，工程上以不超过8 0 m m 为宜： 碾压混凝土的强度与变形与应力状态关系极大，其拉压弹模比、拉压强 度比劣于常态混凝土，其后期徐弹比也较低，对其抗裂不利：碾压混凝i ： 本体具有良好的抗渗性，层间的渗漏亦不难处理，因此主体结构可以放 弃“金包银”模式，以二级配碾压混凝土取而代之“1 ，如上静水、荣地、 温泉堡、长顺等碾压混凝土坝。 b 结构设计方面：整体式大仓面碾压施工的混凝土拱坝如能在个 低温季节浇筑完毕，其结构设计将非常简单，止水人工短缝即可以有效 地分配温度荷载和水荷载：当浇筑期跨越高温季节，温降滞后的温度场将 使大坝在运行期遭遇各种不利的应力状态，因此需要在不同部位采取刁i 同结构措施：诱导缝和横缝的单独使用或联合使用，可以处理不同地域、 不同高度的碾压混凝土拱坝的应力问题：有关横缝和诱导缝的构造“应 以可靠、方便为原则，因地制宜。目前，碾压混凝土拱坝的高度与常规 混凝土拱坝还有一定差距，其体形般受控于坝肩稳定条件和施工条件， 所以，已建的碾压混凝土拱坝均采用了方便施工的圆弧拱圈。为缓解其 梁向拉压力，坝体底部设小角度的倒坡：为提高层问抗剪稳定性，施：刑q 层面可以做成微倾向上游的缓坡( 如1 ：3 0 ) ：从投资分配的角度，为提高 碾压混凝土拱坝的耐久性，降低后期维护费用，碾压混凝土拱坝的厚高 比均较大。 c 施工措施方面：碾压混凝土的最大优点在于快速、经济：符合标准 的碾压混凝土的原材料费用与加工费用大约为同等级常态混凝土费 j 的 8 0 8 5 ；其薄层连续上升的施工方法一般可使总工期提前1 年以上； 对于正常情况下需要跨年度浇筑的碾压混凝土，采用强化施工措施，确 西安理工大学工程砸二匕学位论文 保主体混凝土在低温季节浇筑，既是温度控制的上策，又是解决结构设 计问题的有效途径之一。因此，碾压混凝土拱坝的施工技术应在普通碾 压混凝土坝施工技术的基础上，重点解决连续拌和与皮带运输的配套问 题，解决大落差入仓的骨料分离问题，进一步提高上坝强度。根据南非 w o l w e d a n s 碾压混凝土拱坝和我国铜街子碾压混凝土重力坝的施工经验， 在高温季节对仓面采用喷雾措施，可降温5 7 。c 。为避免烈日暴晒，采 用白天保护、夜晚浇筑的方法也是高温季节混凝土浇筑的有效方式。有 些专家认为：碾压混凝土对常规混凝土的革命性进步主要体现在密实方 式与温控方式上，不赞成在碾压混凝土坝内布置冷却水管。由于目前的 通水材料与方式比1 0 年前大有进步，必要时( 如欲加快降温速度，提前 灌浆蓄水) 也可以采用这种冷却方法。总之，碾压混凝土坝的核心技术问 题仍是温度控制问题，其理论与方法均在不断的发展中。 1 2 4 高碾压混凝土拱坝需要研究的技术问题 ( 1 ) 研究分析温度应力计算方法和合理确定温控措施、横缝间距、结 构形式和灌浆处理技术措施。 ( 2 ) 研制碾压混凝土强制式连续拌和系统设备，研究施工机械设备配 套。 ( 3 ) 研究合理的工艺流程及设备，改进高速运输系统。 ( 4 ) 研究快速控制碾压混凝土质量检测方法，相应的检测设备。 ( 5 ) 研究高碾压混凝土拱坝的安全监测设计，收集分析观测资利，以 便验证设计成果，并指导施工和日后的坝体运行提供技术参考。 1 3 碾压混凝土拱坝的温度应力问题 1 3 1 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生热胀冷缩，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 绪论 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索。外吲 即环境温度，包括水温、气温和f i 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。 混凝土温度应力的发展过程可以分为以下三个阶段： 1 早期：自浇注混凝土开始至水泥放热作用基本结束为止，。一般约 一个月。这个阶段有两个特征，一是水泥放出大量的水化热使混凝土温 度升高，二是混凝土弹性模量急剧地变化。这一时期在混凝土内因膨胀 而形成压应力。 2 中期：自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度叫 止。在此期间，混凝土的弹性模量变化不大。这个时期的温度应力i l i 要 是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起的，这些应力与早期形成的 应力相叠加。 3 晚期：混凝土完全冷却以后的运行期。在此期间温度应力主要是山 于外界气温和水温的变化所引起，这些应力与早期和中期的残余应力棚 叠加。 混凝土坝的温度应力受到两个重要因素的影响：1 混凝土弹性模挝。 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 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。混凝二i ：在受 西安理丁大学工程硕：卜学位论文 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，坝体就会丌 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。 1 3 2 碾压混凝土拱坝的温度应力问题 碾压混凝土是一种以碾压方式密实的干硬性混凝土( r o l e r c o m p a c t e dc o n c r e t e ，r c c ) 。高比例的粉煤灰掺量，一方面使混凝土具 有良好的可碾压性，满足了连续、快速、高强的施工要求；另一方面使 其温度特性、变形特性、强度特性与常规混凝有较大的不同。就碾压 混凝土温度特性而言，大体积碾压混凝土因大量掺用粉煤灰，水化热发 生较晚，早期温升较低，后期温升较高，达到最高温度的时间及最高温 度的持续时间均较长，而且碾压混凝土坝上升速度快，所以，碾压混凝 土坝在施工期的散热量很小，依然存在温度裂缝问题。就碾压混凝土的 变形特性而言，其极限拉伸值比同标号的常规混凝土的极限拉伸值略低 但其徐弹比只有常规混凝土的1 3 2 3 3 ，这对混凝土抗裂不利。在水 胶比相同的条件下，碾压混凝土的抗压、抗拉极限强度与常态混凝土相 差不大，但其软化特性差别较大，这对碾压混凝土后期的抗裂性质具有 较大的影响。 和以振捣方式密啪常规混凝土相比，碾压混凝土在捌料性质上的 变化主要是因为粉煤灰的大量掺入、水泥用量明显减少引起的。就大坝 混凝土而言，不同比例的粉煤灰掺量将得到不同品质的混凝土。文献 1 1 1 4 绪论 比较了“高掺”、“中掺”、“低掺”粉煤灰混凝土对大坝防渗能力、应力 水平以及施工工艺的影响，并且特别强调了碾压混凝土的后期强度。对 碾压混凝土拱坝而言，由于其应力水平相对较高，某些部位的，【：裂确：所 难免，所以特别注重混凝土的抗裂能力。而高比例的粉煤灰掺量使混凝 土的软化特性、徐变特性严重下降，温度应力问题仍然是碾压混凝土拱 坝结构设计的主要问题1 。 1 4 混凝土坝温度场的研究方法 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。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j ：l 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一维问题，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“”。 西安理工大学1 二程硕i 学位论文 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”“3 ： ( 1 ) 拉氏积分变换法，即通过拉氏变换将导热方程转变为与时问无关的椭 圆方程，然后化为边界积分方程，但当边界条件随时间有复杂变化时， 此方法不再有效；( 2 ) 边界元差分解法，即在空间域用边界元离散， 在时间域用差分处理：( 3 ) 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，但要用此方法模拟混 凝土坝的施工过程及多种材料还比较困难。 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。有限元法把求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 单元内采用一定插值函数，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，再解方程求得结点的温度 值“7 ”1 。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，用有限元法求解非稳定温度场时，一般采用有限元一一差分解法， 即用有限元法离散空间域，用差分法离散时间域。 1 5 研究混凝土坝温度场的意义 混凝土坝一般属于大