（水利水电工程专业论文）老化混凝土坝防渗加固施工温度应力仿真分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着时间的推移，混凝土大坝会达到甚至超过其使用寿命，这样，就出现了混凝土 坝的老化问题。解决坝体老化、混凝土破坏和渗漏严重等问题，对老坝进行改建、扩建 和加固，并让其重新焕发青春，是全世界范围内水利工程研究都要面临的一个重要课 题。就混凝土坝改建、扩建和加固施工面临的难题而言，关键问题在于新老混凝土结合 面的处理和采取有效的温控措施。本文即是以当前提出的一种全新的老坝再生技术( 坝 体置换混凝土形成防渗芯墙技术) 为基础进行研究，以利于工程实际问题的解决。 本文的工作是以我国东北某老化混凝土重力坝为研究对象，针对该实际工程的老化 现象以及进行坝体再生施工时可能出现的坝体安全性问题进行分析。分析过程将以大型 有限元通用软件a n s y s 为平台，应用其自带的a p d l 语言，编写大型施工仿真程序， 着重对该大坝典型坝段坝体施工过程进行仿真模拟，并对施工期的温度场、温度应力进 行三维有限单元仿真计算。在温度场和温度应力的计算中，将考虑混凝土热学、力学参 数随龄期变化，坝体的不同材料分区，坝体不同的分层开挖、浇筑施工的工期和间歇 期，以及不同的切槽开挖、浇筑尺寸等对温度场和温度应力的影响。计算成果将给出温 度场、温度应力随时间变化的规律以及诸多温控因素对坝体施工温度场和温度应力场的 影响程度。 依托这种开创性的老化混凝土坝的再生技术方案，本文的研究成果不仅可以为该实 际工程的施工提供理论依据，为坝体内施工安全性作好预测，为施工技术方案可行性论 证提供参考，也为解决其它的混凝土坝老化问题提供广阔的应用空间。 关键词；混凝土重力坝；老化；有限元；温度应力；仿真 老化混凝土坝防渗加周施工温度应力仿真分析 s i m u l a t i n ga n a l y s i s o nt h e r m a ls t r e s s d u r i n g t h ep r o c e s so f e n h a n c i n gs e e p a g e r e s i s t a n c eo fa n a g i n g c o n c r e t ed a m a b s t r a c t w 怂t h et i m eg o i n go n t h ec o n c r e t ed a m s g r o w a n d m i g h t b ee x c e e dt h e i r u s a g el i f e - s p a n s t h ea d v e r s ec o n d i t i o n sc a u s em a n yp r o b l e m ss u c ha sm o v e m e n t ，c r a c k i n g ，s e e p i n g ，c o n c r e t e d e t e r i o r a t i o na n ds oo n s o ，h o wt or e b u i l d ，c o n t i n u e ，e n h a n c ea n dr e h a b i l i t a t et h eo l dd a mh a s b e c o m ea n i m p o r t a n tp r o b l e m f o ra 1 1h y d r a u l i ce n g i n e e r i n gr e s e a r c h e r s 访t h ew o r l d a m o n gt h e p u z z l e sa b o u tr e b u i l d i n g ，c o n t i n u i n ga n de n h a n c i n g ，h o w t od e a l d mt h e j o i n ts u r f a c e sb e t w e e n t h eo l da n dn e wc o n c r e t ea n d i n l i o d u c i n g e f f e c t i v em e t h o d st os o l v et h ep r o b l e mo f t e m p e r a t u r e c o n t r o la r ct w ok e y p o i n t si nc o n s t r u c t i o n a tp r e s e n t ，an e wt e c h n i q u e ，f o r m i n gi n n e r w a l lt o p r e v e n ts e e p i n gb yr e p l a c i n gd a mc o n c r e t e ，i si n t r o d u c e dt o r e h a b i l i t a t eo l dd a m s ，b a s e do n w h i c ht h i sp a p e rd i s c u s st h ep r o b l e m sa b o v e t a k i n gac o n c r e t e 掣呐d a m i nn o r t h e a s to fc h i n af o re x a m p l e ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sa n d a n a l y z e st h es y s t e m a t i cs a f e t yp r o b l e mf o rd a mr e h a b i l i t a t i o n d u r i n gt h ea n a l y s i s ，g e n e r a l s o f t w a r e ，a n s y s ，w h i c hh a si t s o w np r o g r a m ，a p d l ，i su s e dt om o d e lt h ep r o c e s so f c o n s t r u c t i o no f r e p r e s e n t a t i v ep o r t i o n i t i sa l s ou s e dt o p e r f o r m t h et h r e e d i m e n s i o n a l 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 s e sd u r i n gc o n s t r u c t i o n w h e nm o d e l i n gt h et e m p e r a t u r e f i e l d ，t h ef a c t o r sb e l o ws h o u l db ec o n s i d e r e d ：t h ep a r a m e t e r s c h a n g e so f c o n c r e t e c a l o r i f i c sa n d m e c h a n i c sw i t h a g eo f c o n c r e t e ，d i f f e r e n tm a t e r i a l so f d a mp o r t i o n s ，d i f f e r e n td i g g i n gs e q u e n c e s t i m eo fc o n s t r u c t i o na n dt h ei n t e r v a l s ，d i f f e r e n td i g g i n ga n dp o u r i n gs i z e s t h ea n a l y s i sr e s u l t s i n c l u d et h ec h a n g er u l e so f 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 s e sw i 也t i m e a n d t h ei n f l u e n c e o f s o m e t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gf a c t o r st ot h e m b a s e do nt h i sr e h a b i l i t a t i o nt e c h n i q u eo f a g i n gc o n c r e t ed a m ，t h er e s u l t so f t h i sp a p e rc o u l d b eu s e da sat h e o r yn o to n l yt ot h i se n g i n e e r i n gb u ta l s ot oo t h e rs i m i l a rp r o j e c t ss i n c ei tc a n p r e d i c tt h es y s t e m a t i cs a f e t yo f d a mc o n s t r u c t i o na n d p r o v i d ee f f e c t i v er e f e r e n c ef o rt e c h n i q u e o f c o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：c o n c r e t e g r a v i t yd a m ；a g i n g ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ；t h e r m a l s t r e s s ； s i m u l a t i o n i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特i i i i i 以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：2 塑j日期：亟翌妄臣：堕 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 论文研究背景 水利工程是对自然界的地表水和地下水进行控制和调配，以达到兴利除害目的而修 建的工程。兴建水利工程是除水害、兴水利最有效的工程措施。在时间上重新分配水资 源，做到蓄洪补枯，以防止洪涝灾害和发展灌溉、发电、防洪、供水等事业；改善水域 环境，疏浚导航，建造码头，以利于水上运输；以及防止水质污染、维护生态平衡，等 等，都要因地制宣修建一系列水利工程 1 】。 自从上个世纪上半叶，世界范围内开始大规模修建混凝土坝。据2 0 0 4 年统计资料 表明，国外l o o m 以上高坝共计7 1 2 座，其中混凝土坝约占一半，世界上高于2 0 0 m 的 高混凝土坝有3 2 座，表1 1 列出国外部分重要混凝土坝工程概况【2 。 表1 1 国外部分重要混凝土坝工程概况 t a b 1 1i n t e r n a t i o n a li n s t a n c e so f m a i np r o j e c t so f c o n c r e t ed a m 老化混凝土坝防渗加固施工温度应力仿真分析 我国的混凝土坝从2 0 世纪5 0 年代开始逐渐发展，基本上每十年上个台阶。有代 表性的工程，2 0 世纪5 0 年代有新安江、柘溪、新丰江、盐锅峡等水电站；6 0 年代有刘 家峡、丹江口、三门峡等水电站；7 0 年代有葛洲坝、乌江渡、龚嘴、风滩、东江等水 电站；8 0 年代水电站进入大发展时期，有龙羊峡水电站和“五朵金花”广州抽水 蓄能、水口、岩滩、隔河岩、漫湾；进入9 0 年代后，中国水电建设继续高速发展，有 五强溪、李家峡、二潍、天生桥等水电站：世纪之交有三峡、小浪底、大朝山、棉花 滩、百色等水电站；2 1 世纪初，有龙滩、小湾、水布垭、构皮滩、公伯峡、三板溪、 瀑布沟等水电工程相继开工。表1 2 列出我国部分混凝土坝工程概况 2 】。 表1 2 国内部分重要混凝土坝工程概况 t a b l 2n a t i o n a li n s t a n c e so fm a i np r o j e c t so fc o n c r e t ed a m 显然，随着时间的推移，混凝土大坝会达到甚至超过其使用寿命，这样，就出现了 大坝的老化问题。据专家2 0 0 4 年分析表明，在已修建大坝中，一个拦河坝的平均寿命 2 大连理工大学硕士学位论文 寿命为5 0 a ，根据这样的指标，世界范围内共有4 万个大型拦河坝和8 0 万个小型拦河坝 年久失修，其中包括不少混凝土大坝。 根据统计资料可知，世界范围内有很多混凝土大坝的服役期都超过三、四十年，甚 至上百年。混凝土大坝的老化问题逐渐引起人们的关注，针对混凝土大坝的耐久寿命的 调查与分析逐渐提上议事日程。 对于年久失修的坝体，如果都要进行全面的加固维修，所需的费用将大 貅人。因 此，从经济、安全、生态诸方面的因素考虑，从上世纪9 0 年代起，美国就开始拆除一 些大坝，今后还将继续拆坝【3 】。但是，这只是反映了解决老坝问题的种方式。我们必 须认识到，对一些在国民经济、生态保护以及资源利用等各个方面具有举足轻重作用的 水利工程，如果考虑拆坝，将会带来更大的损失。同时，随着水资源需求的增长、水能 开发水平的提高，有些坝体可以考虑续建、扩建，对坝体进行加高、加厚，使大坝的运 行能力得到更大提高 4 6 】。由此可见，解决坝体老化、混凝土损伤、渗漏严重等问题， 对老坝进行改建、扩建和加固并让其重新焕发青春，是全世界范围内水利工程研究都要 砸临的一个重要课题。本文即是基于这样种老坝再生的思想进行研究。 1 2 混凝土坝改建、扩建及加固施工的主要问题与措施 国内外研究表明，影响混凝土破坏速率的因素及老化的主要原因为以下几个方面： 舢原先混凝土的施工质量： b ) 骨料和水泥的质量和矿物成分； c ) 潮湿情况下冻融循环的次数和严重程度： d ) 干湿循环的次数； e ) 偶发事件如洪水、地震、过载等。 这些原因导致大坝的长期性能退化，即一方面导致大坝结构性能退化，具体表现在 坝体变形增加、整体性能降低、渗透压力增大等；另一方面是坝体材料性能的退化，具 体表现在物理力学性能降低、表面剥蚀和内部溶蚀等。这些都直接影响到了坝体的安全 【刀。 据统计分析，我国东北地区某些坝工混凝土建筑物安全问题严重，其寿命大致为 l o 4 0 a 左右：我国华东地区一些水工建筑物也不甚理想，有些工程运转7 2 5 a ，就出 ，3 老化混凝土坝防渗加固施t 温度应力仿真分析 现很严重的坝体破坏。因此，为了提高大坝的长期性能，延长其使用寿命，就必须对老 坝进行改建、扩建和加固。 解决混凝土坝的老化问题是一项艰巨而复杂的任务。就混凝土坝改建、扩建和加固 施工面临的难题而言，关键问题在于新老混凝土结合面的处理和采取有效的温控措施。 对于新老结合面的处理，目前比较常规的方法为老混凝土面凿毛、铺砂浆、埋锚筋和设 置排水措施等方法。在温控方面，主要是采用降低浇筑温度、一期通水冷却、降低水化 热温升等【8 1o 】。对于老坝进行改建、扩建和加固施工过程中的温控研究是本文要解决 的主要问题。 1 3 大体积混凝土施工中的温度应力 混凝土重力坝是大体积混凝土结构的一种，混凝土重力坝的改建、扩建和加固是大 体积混凝土施工的一种。 大体积混凝土由于水泥水化过程中产生的大量水化热不易散发，浇筑后初期，混凝 土内部温度急剧上升引起混凝土膨胀变形，但是，由于此时混凝土弹性模量很小，在温 升过程中受基岩或老混凝土约束而产生的压应力会很小。随着温度逐渐降低，同时混凝 土弹性模量逐渐增大，混凝土发生收缩变形时又受到基岩和老混凝土的约束，收缩变形 就会产生相当大的拉应力。当拉应力超过混凝土抗拉强度时就会产生裂缝，破坏混凝土 的整体性，对混凝土结构产生不同程度的危害，故必须采取措施控制混凝土温度。此 外，当混凝土内部温度较高时，如果外部环境温度较低或外在气温骤降，因内外温差过 大或温度梯度较大，则在混凝土表面也会产生较大的拉应力，引起表面裂缝甚至发展成 深层裂缝【1 1 - 1 3 】。 国内外水利工程大体积混凝土裂缝及破坏统计分析表明，温度作用是产生裂缝的主 要原因 1 4 】。因此，分析工程特点、坝区气候条件和混凝土材料的特性，合理确定稳定 温度场、分缝分块尺寸、混凝土抗裂指标，提出相应的温度控制标准及防裂措施，对防 止危害性贯穿裂缝，尽可能减少表面裂缝，确保工程的质量和安全是至关重要的。 l 。4 大体积混凝土施工期温度应力仿真分析现状 大体积混凝土结构施工过程仿真分析的主要任务是将大体积混凝土结构几何形态的 仿真分析与混凝土结构性态( 温度场、渗流场以及应力场等) 的仿真分析结合起来，通 d 大连理：】：大学硕士学位论文 过施工期与运行期混凝土结构性态的数值模拟为寻找既满足应力标准又经济实用的施工 方法提供依据。目前，对于较为重大的大体积混凝土结构，均需采用仿真分析来指导设 计。仿真分析的重大现实意义使其成为当前科学研究的个热门话题。 施工过程中温度应力的仿真是仿真分析中复杂而又重要的一部分。中国在大体积混 凝土结构温度应力数值分析和理论研究方面一直被认为处于世界前列，在理论研究和工 程实践中取得了一批有价值的成果。1 9 7 3 年，中国水利水电科学研究院朱伯芳院士自 编了我国第一个混凝土温度徐变应力有限元程序，并开创性的将其应用于三门峡坝底孔 温度应力分析中，实现了我国历史上首次大体积混凝土温度应力的仿真计算。之后，有 大批学者、研究人员从事温度应力理论和仿真问题研究，提出了许多有创造性和指导- 陛 意义的研究成果。 然而，由于考虑了施工过程的大体积混凝土温度应力仿真分析其不确定因素远比正 常使用期为多，所以仿真分析的条件和方法与一般结构静动力分析大不相同，现阶段仍 有大量问题亟待解决【1 5 。 1 4 1计算规模与计算速度问题 仿真分析的主要难点就在于：存储量计算量大、运算速度慢。例如一座3 0 0 m 高的 常态混凝土坝如浇筑层厚1 5 m ，就有2 0 0 层。早期混凝土浇筑层沿厚度方向的应力 梯度和温度梯度都很大，一个浇筑层内一般还应划分5 层有限元，每个坝段就有1 0 0 0 层单元；如每层在平面上划分1 0 1 1 3 = 1 0 0 个结点，仅一个坝段的坝体部分就有1 0 万个 结点，加上基础、结合面、控制点处结点则要求更密更多；另一方面早期混凝土，由 于弹性模量、徐变度、绝热温升都随着龄期而急剧变化，需采用较短的时间步长，以保 证必需的计算精度。如取时间步长a t = 0 5 d ，一年就有7 3 0 步，工期如果为三年，共有 2 1 9 0 步，如果要考虑日照、日气温变化的影响，时间步长应减小到l 2 h 左右，这样 时间步就更多。此外，还要考虑到其他一些施工工艺和方法，计算量更大。 为了很好的解决计算量问题，中国水利水电科学研究院朱伯芳院士，董福品高工提 出了以误差控制为特点的多层混凝土结构仿真应力分析的“扩网并层算法”、“分区异 步长算法”等理论 1 6 1 8 。王建江博士在“八五”攻关项目中提出了减少网格数量的 “非均质单元法”【1 9 】，在该方法中，混凝土坝根据各施工层混凝土龄期的不同，而被 5 老化混凝土坝防渗加固施工温度应力仿真分析 逐步合并，在充分考虑了分层施工影响的同时，计算工作量得到了简化。陈尧隆，何劲 1 9 9 8 年提出了三维有限元温度应力分析的浮动网格法，该方法根据混凝土材料特性与 龄期的关系，将薄层网格浮动为一个大网格或若干个大网格，减少了网格数，从而节省 了机时 2 0 】。天津大学赵代深教授提出了混凝土温度应力分析的多层动态子结构方法， 节省了计算机内存 2 1 】。大连理工大学在大体积混凝土坝的温度应力仿真分析中，根据 大坝分层的施工特点，将混凝土水化热项单独考虑，提出了旨在快速计算混凝土最高温 度的“波函数法”f 2 2 。李荣湘教授在用边界元方法计算大体积混凝土结构方面取得了 一些进展 2 3 。上述方法在提高运算速度的同时，也引起了一些负效应。因模型中涉及 到“人工边界”的反复调整，不可避免的使用各类过渡单元，使并层在程序处理上遇到 许多麻烦，数据交换自动化程序设计困难重重，前处理工作量让人望而却步。在目前的 微机水平下，对温度场的仿真计算而言问题不是太大，但要计算混凝土温度徐变应力， 则还有许多工作要做。 另外，在仿真数值计算方法上，清华大学刘光廷教授和他的学生们在这一领域内首 次尝试将随机有限元法引入大体积混凝土结构随机温度徐变应力的计算，对非稳定温度 场采用了时域上简化处理的方法，提出了求解随机徐变应力的初应变随机有限元隐式解 法。天津大学赵代深、李广远教授结合国家攻关项目在混凝土坝全过程多因素仿真分析 方面取得了出色成果，已完成多个混凝土坝的施工过程和结构状态仿真分析。 1 4 2 数学、力学模型问题 影响大体积混凝土结构温度变化的因素包括自然条件与人为干预两个方面。在自然 条件作用下，大体积混凝土结构往往会产生较大的温度应力，必须采用相应的措施，人 为地加以控制。其中，控制入仓温度、分缝分块方式、冷却水降温、高温季节仓面保护 及表面保温是最基本的几项措施。大体积混凝土结构施工过程的复杂性、随机性使各因 素数学、力学模型的精确描述面临较大困难。 1 4 2 1 分缝、分块方式描述 大体积混凝土结构因各种需要而设置各种各样的缝，如：横缝、纵缝、水平缝和周 边缝等，将整个结构沿横向、纵向分割成许许多多的浇筑快。对于碾压混凝结构还通 6 大连理工大学硕士学位论文 常留设诱导缝以人为改变受力，因此，在大体积混凝土温度场的仿真计算中，不可避免 的会遇到仿真边界形式选取、仿真边界上初始温度及等效强度的确定问题。 大体积混凝土结构温度场仿真分析要求跟踪每层混凝土的施工过程，要求纪录每层 混凝土的浇筑温度。处在浇筑层面上的混凝土与大气进行短时间的热交换后，改变边界 条件，成为内部混凝土。数值计算要模拟变化中的大气温度与浇筑温度，尤其要反映新 老混凝土结合面结合瞬间温度的变化，是一件非常困难却很有意义的事。事实上，工程 中大气温度的变化与混凝土浇筑温度的变化远比我们能够表的得复杂，尤其是大气温度 的数学表达、大气温度的日照影响远不是沪r o + g ( o 就能够解决的。对于混凝土的浇 筑温度，目前，设计单位能提供的资料一般为旬平均或月平均温度，与仿真分析要求的 日际温度变化和日浇筑温度的输入相差甚远。在施工中，常对大仓面浇筑混凝土进行各 种保温或保冷措施，使虚拟边界发生很大的改变，会使问题更为复杂。 对此，武汉大学黄晓春博士、梁润教授等针对龙滩碾压混凝土重力坝( 高2 1 6 m ) 施工温控问题，研究了横缝间距、层面间歇的影响，提出了坝面防裂的温度分柝法；曾 昭阳教授等系统的研究了碾压混凝土拱坝中“诱导缝”的等效强度、设置位雹、开裂可 靠性问题，其成果直接被当时正在施工的沙牌碾压混凝土拱坝( 高1 3 2 m ) 所采用 2 4 】： 清华大学刘光廷教授和他的学生们将断裂力学的研究成果融入功能强大的仿真程序中， 应用“人工短缝”成功的解决了溪柄碾压混凝土拱坝两岸韵温度拉应力问题 2 5 。清华 大学张国新、刘光廷教授通过数值计算与实验观测相结合的方法，研究了碾压混凝土水 平接缝初温的三种不同赋值方式及其对最终温度场的影响，结果认为：碾压混凝土上下 层结合面上温度初值很难赋值，应以上下层混凝土所在革元的温度，即单元各节点的平 均温度为基础考虑新老结合问题1 2 6 】。但碾压混凝土的热传递规律与常态混凝土的差别 是明显的，对于后者在这方面还缺乏理论与实践成果。 1 4 2 2 人工冷却降温效果计算 在长期经验积累及理论研究过程中，人们对人工冷却的施工工艺及计算方法都有了 更深刻的认识，以采用钢管或铝管等金属冷却水管为主要特点的人工冷却近年来已有被 高强聚乙烯水管逐渐取代的趋势，计算理论也逐渐从最初的理论模型建立而转向探求便 于工程实际应用的可行的计算手段。 7 老化混凝士坝防渗加固施工温度应力仿真分析 美国垦务局研究了二期冷却的计算方法，用分离变量法得到了无热源平面问题的严 格解答和空间平面问题的严格解答和空间问题的近似解答 2 7 1 。朱伯芳院士曾先后得到 了有热源平面问题的严格解答和空间问题的近似解答，提出了水管冷却的有限元方法， 非金属水管冷却计算方法及水管冷却效果的近似解法等效负热源法【2 8 。清华大学 麦家煊教授将水管冷却理论解与有限元方法相绐合，两者取长补短，提高精度的同时， 节省了大量机时，为冷却降温的求解提供了一条新思路 2 9 1 。清华大学刘宁、刘光廷教 授提出了水管冷却效应的有限元子结构模拟技术，将冷却水管所在单元视为子结构，给 出了计算公式和计算步骤，解决了计算机存储量、单元网格的处理等一系列问题，不失 为一种有效求解途径【3 0 】。蔡建波用杂交元实现了有冷却水管的平面不稳定温度场求解 ( 3 1 】。天津大学赵代深教授采用全过程仿真粘弹性空间有限元法对接缝灌浆水管冷却问 题进行了计算研究，对冷却水温、冷却延续天数进行了敏感分析，提出了只进行一期水 管冷却，并在适当“超冷”情况下进行大坝接缝灌浆的建议【3 2 】。河海大学陈罩红，傅 作新教授也作了类似工作 3 3 】。s t u c k y 和d e r r o n 研究过水管布置方式对冷却效果的影响 【3 4 】。朱伯芳院士对聚乙烯水管与金属水管冷却两者之间的差别进行了研究，提出了聚 乙烯水管等效间距的计算方法，为两种水管冷却的效果和经济比较提供了依据 3 5 】。 上述方法中，因等效负热源法用现有的有限元就可以计算，十分方便，因而在工程 中被广泛应用。 1 4 2 3 其它问题 虚拟边界计算模型和本构模型的精确描述仍旧是当前进行仿真计算必须考虑的问 题。许多学者在这些方面进行了作有成效的尝试，取得了一些有用的成果。 1a 3计算参数真实描述问题 反映混凝土热学性质的参数主要有混凝土的导温系数、导热系数、环境热交换系 数、绝热温升变化等。反映混凝土力学性质的参数主要有混凝土弹性模量、混凝土单轴 极限抗拉和抗压强度以及混凝土的徐变度和自生体积变形。混凝土的绝热温升、弹性模 量、徐变度和自身体积变形严重依赖着混凝土的龄期，这是使温度场、应力场计算复杂 化的重要因素。朱伯芳院士在这方面给出了较为详细的理论算法 12 】。 8 大连理工大学硕士学位论文 但是，实际施工中还存在水泥品种和用量、浇筑质量等问题的影响，计算参数会发 生较大的改变。而且，在许多情况下这种改变是不可预知的，进一步导致了误差的加 大。应用易测得数据反求这些较难测得的未知参数的反分析计算方法为解决这一问题提 供了有效途径。 1 5 本论文研究的指导思想和主要工作 本文是以我国东北某老混凝土重力坝为背景，研究其老化再生技术。该大坝是一个 老化问题严重的大坝，但因其目前承担的防洪、发电、灌溉等任务在东北三省有着举足 轻重的作用，故仍不能退役。为了消除大坝的隐患，提高其安全性，以利于长期安全运 行，对其改建、加固势在必行。本文的工作即是针对该实际工程防渗加固施工中可能出 现的坝体安全问题，进行了数值上和理论上的分析，并作好施工过程仿真分析，为大坝 施工过程安全性分析作好预测，为施工可行性分析提供参考。 在计算方法上，本文研究过程将以大型有限元通用软件a n s y s 为平台，采用三维 有限元方法，着重对该大坝典型坝段坝体施工过程进行模拟，并对施工期的温度场、温 度应力进行仿真计算。在温度场和温度应力的计算中，将考虑混凝土热力学参数随龄期 变化，坝体的不同材料分区，坝体不同的分层开挖、浇筑过程的施工工期和间歇期，以 及不同的施工切槽开挖和浇筑尺寸等对温度场和温度应力的影响。计算成果将给出温度 场、温度应力分布及其随时间和不同的切槽施工尺寸的变化规律，以及诸多温控因素对 坝体施工温度场和温度应力场的影响程度。本文具体工作为： ( 1 ) 概括了老化混凝土重力坝再生技术处理的新思路和施工的具体步骤。 ( 2 ) 具体分析了坝体施工仿真计算中的边界条件和各种所需施加的荷载以及坝体施 工中材料的热学、力学特性。 ( 3 ) 对a n s y s 有限元软件在施工仿真中的运用加以总结，并进行二次开发。 ( 4 ) 对该大坝典型坝段坝体施工过程进行模拟，并对施工期的温度场、温度应力进 行仿真计算。 ( 5 ) 对影响温度应力的多种温控因素进行敏感性分析。 ( 6 ) 对整个施工过程仿真和温度场与温度应力仿真分析进行总体性评价，对温度在 老坝加固施工中的安全性影响进行评价。 9 老化混凝士坝防渗加吲施。 ：温度廊力仿真分析 2 温度应力计算基本理论与温控方法 2 1 热传导理论简述 在大体积混凝土温度控制设计中，热传导理论的运用是相当广泛的。它对各种典型 的初始条件和边界餐件下温度场的求解，已构成了混凝土温控设计的理论基础 1 2 j 。 2 1 1 热传导方程 由热量的平衡原理，从外面流入的净热量与内部水化热之和必须等于温度升高所吸 收的热量，我们得到均匀各向同性的固体导热方程 0 t f t 0 2 t a 2 丁、a 目 瓦列l 可+ 矿+ 可j + 瓦 ( 2 1 ) 式中： a = 五c , o 一导温系数，i 1 1 2 h ；五一导热系数，k j ( m ) ：c 一比热， l o 0 ( g ) ；p 一容重，k m 3 ；r 一时间，h ；8 一混凝土绝热温升，。 2 1 2 求解热传导方程的初始条件和边界条件 一般初始瞬时的温度分布可以认为是均匀的，即t = t ( x , v , z ，o ) = 驴常数，在混凝土浇 筑块温度计算过程中，初始温度即为浇筑温度。 边界条件可以三种方式给出： 第一类边乔条件：混凝土表面温度是时间的已知函数，即 第二类边界条件：混凝土表面的热流量是时间的已知函数，即 一丑f 墨1 ：，( r ) l o n 如果表面是绝热的，则( a 列锄) = 0 。 1 0 ， ( 2 2 ) ( 2 3 ) 大连理工大学硕士学位论文 第三类边界条件：当混凝土与空气接触时，表面热流量与混凝土表面温度r 和气温 疋之差成正比，即 一旯= 肌t o ) ( 2 4 ) 式中：芦表面放热系数，k j ( m 2 h ) 。 当表面放热系数鼻趋于无限时，弘乃，即转化成第一类边界条件。当表面放热系数 卢= o ，o t o n = o ，又转化成绝热边界条件。第三类边界条件表示了固体与流体( 如 空气) 接触时的传热条件。 2 2 计算温度场的有限单元方法 2 2 1变分原理在温度场求解中的应用 有限单元法计算温度场的一般用变分原理推导。 考虑泛函 i t ) = 弧f ( t t 。，t ，t z ) d ) d y d z + l p ( t ) d s ( 25 ) 式中，r 在边界c 上取给定值，即弘n ，而且边界c 上未绘定，值，函数g 是沿边 界c 取值的。 根据变分原理，热传导问题等价于下列泛函极值问题：温度丁g ，y 。z ，f ) 在r = o 时 取给定的初始温度r o ( x ，y ，z j ，在第一类边界c 上取给定的边界温度死，并使下列泛 函取极小值 = 砟+ ( 孙( 制1 l ( o - 一o 引眨。， + 啦胪死f d s 老化混凝土坝防渗加固施：e 温度应力仿真分析 上式右边第一大项是在求解域r 内的积分，第二大项是在第三类边界c 上的面积 分。 2 2 2不稳定温度场的有限元求解 用有限单元法求解不稳定温度场有显式和隐式两种解法。显式计算的优点是不必求 解联立方程，所需计算机内存很小，经验表明，计算精度较高。它的缺点是时间步长受 到稳定条件的限制。由于计算机硬件的进步，目前用有限元方法计算温度场时，计算机 内存问题已不大，所以目前显式算法应用较少，一般采用隐式解法。 现把求解域划分为有限个单元，设单元e 的结点为i ，j ，m ，p ，结点温度为 z ( ) ，一( r ) ，l ( ) ，单元内任一点的温度用结点温度表示如下 丁。g ，y ，= ，r ) = n ，b ，y , z ) t ( r ) + ，( x ，y ，= e ( ) + 。g ，y ，z k ( r ) + 十，g ，y ，z ) ( f ) 【z 一【，。，】 = 【弦 。 ( 2 7 ) 在上式中，形函数，g ，y ，z ) 是坐标x ，y ，z 的函数，而结点温度i 一) 是时间f 的 函数。 把单元e 作为求解域r 的一个子域a r ，在这个子域内的泛函值为 啉非+ ( 铲( 剐一吉( 警一静 一泣。， + 如矿砘r d s 对式( 2 8 ) 在积分号内求微商，得到 1 2 大连理工大学硕士学位论文 式中 现设 筹叫m m 讯+ r fa l ，+ 哼等峨鲁 篆孙g e ”弹一叫t ， 铲龇! ! ( a 缸n fo 融ns - + 等等- o 出n , c o & n jl 出撤 瞄= 去j f ，n ，出咖出 “从 片= 专l l p l 西：d y d z 蜘 铲专驴净声 或2 专擎庙 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 其中g ；和是第三类边界c 上的面积分，只有当结点f 落在边界c 上时才有值。 卧小“卜鼢+ 慨+ ， ( 2 1 1 ) 根据j 的取值，有以下几种情况： 1 ) 取s = 。，得到瓦= 。( 署 。，为向前差分，显式计算。 2 ) 取。：1 ，得到l ：。f 罢 ，为向后差分，隐式计算。 d 7 i n + 1 3 ) i i y s = 1 2 , 矧肾产1 。+ ( 乱 ，为中点粉隐式黻 1 3 老化混凝土坝防渗加固施工温度应力仿真分析 最终得到 ( 阻】+ 三i 陋】) 饥。+ ( 导旧】一去陋】 级) + 字以 + 溉。= 。c z ，2 ， 式中旧】、陋】、 f ) 的元素如下 h 。= + g ；) r 。= 嘭 e = 丹，警叫瓦)p ”o ( 2 1 3 ) 式中，表示对与结点i 有关的单元求和。 在上式中， t o 、 e ) 、 e 。) 是已知的，而 l 。) 是未知量，因此上式是关于 识+ 】) 的线性方程组，解之，即得到各结点在r = r 。时的温度也+ 1 ) 。经验表明，在隐 式解法中，向后差分法( j = 1 ) 的效果较好。 2 _ 3 计算徐变温度应力的有限单元方法 实际工程中结构往往比较复杂，其温度应力很难用分析方法求出，目前主要采用有 限单元法计算。有限单元求解温度应力的核心是求出单元刚度矩阵，加以适当的组合， 可以得到整体平衡方程组，这以后剩下的就只是一些代数运算了。有限单元法的另一个 重要特点就是，尽管单元型式多种多样，各种单元的计算步骤基本相似，差别只是形函 数不同。当单元的形状及相应的形函数确定以后，剩下的运算可依照标准步骤和通用公 式进行。 2 3 1用有限元法计算温度应力的通用公式 下列公式为有限单元法计算的通用计算公式 1 4 p 。= h p ) ：k ， = b ， 大连理工大学硕士学位论文 v 1w l“2v 2 w 2 s ys = y wy 口y d o y o ： t x yt 口 t 扑_ 斜= 陋】( 占) 。 = d 】( 斜一) ) + h ) p 。= m b 】p ) 出妙出 泸) 8 = 时p ) 。 = 胪】， d i b a x + a z 喊= 胂】7 q 凼d y a z p ；= f 【】7 p i d s p 毪= 肌b r 【d k 。) 出咖出 i p = 一f f j 陋r 扫。扭撇 瞰) = p ) r 7 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) = 【弦 。 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 式中， 尸 ；是体积力 g 产生的等效结点荷载； p 矗是面力 p 产生的等效结点荷载 护圪、 p 是分别是初应变) 和初应力扫。) 产生的等效结点荷载。 1 5 m“m出 rlliiiiiniiiil 0 0 心 o m o m o 0 o o o o 老化混凝士坝防渗加固施工温度应力仿真分析 2 3 2 混凝土的徐变分析原理 前面所述是有限元分析弹性应力的计算方法，它只能作为混凝土结构有限元分析的 基础。但混凝土实际上是弹性徐变体，试验资料表明：当应力保持为常量时，混凝土的 应变将随着时间而有所增加，这种现象称为混凝土的徐变。 实际上，在单向受力条件下，混凝土试件，的总应变s ( f ) 可表示为 占( f ) = 占。o ) + 占o ) + 占。o ) + 占7 ( f ) 十占s o ) ( 2 2 8 ) 式中：s8 ( f ) 应力引起的瞬时应变，在应力与强度之比不超过o 5 时，它是线弹性的： s 。( r ) 一混凝士的徐变应变，与应力值、加荷龄期及荷载持续时间有关； 占5 “) 混凝土的干缩应变，它是混凝土中水分损失引起的变形； 7 ( f ) 温度变化引起的应变； s s “) 一混凝土的自生体积变形。 在( 2 2 8 ) 式所表示的总应变中，前两项，s 。( f ) 和s ( f ) 是由应力引起的；后面三 项，s 。( f ) 、8 7 ( r ) 和s o ) 与应力无关。对于大体积混凝土内部水分是不变的，因此不必 考虑5 “) 。下面将简单介绍常应力作用下的徐变表达及其数值应用。 2 3 2 1 常应力作用下混凝土的徐变 设在龄期r 时施加荷载，混凝土受到的单向应力口( f ) 的作用，在加载的瞬时，产生 弹性应变s 。( f ) 如下 叫咖粥 式中：e ( ) 龄期r 时混凝土的瞬时弹性模量，简称弹性模量。 1 6 ( 2 2 9 ) 大连理工大学硕士学位论文 混凝土在常应力作用下，随着时间的延长，应变将不断增加，这一部分随时间而增 加的应变称为徐变，或称为蠕变。根据实验资料，当应力不超过强度的一半时，徐变与 应力之间保持线性关系，徐变s 。o ) 可按下式计算 s 。( f ) = 仃- ) c o ，r ) ( 2 3 0 ) 式中，c ( t ，f ) 是在单位应力作用下产生的徐变，称为徐变度，其量纲是m p a - 。因此在 龄期f 加载，到时间f 的总应变是弹性应变s8 ( r ) 和徐变。( r ) 之和，即 式中 嘲“m 川) = 锱+ 口。腓小盯( r 龇r ) j = 雨1 + c j ( f ，f ) 称为徐变柔量，其量纲为m p a 。在开始受力的瞬时，徐变度为零。 徐变柔量的倒数称为持续弹性模量，或有效弹性模量，记为e + o ，f ) m ) = 厕1 = 蒜 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 _ 3 3 ) 2 1 3 2 2 混凝土徐变计算原理与数值方法 徐变计算原理就是如何把常荷载下徐变试验结果应用到变应力作用下的结构构件徐 变中去的理论，也就是变应力下构件的徐变分析方法【3 7 1 3 9 】。徐变理论主要有：有效模 量法、老化理论( 徐变律法) 、弹性徐变理论( 迭加法) 、弹性老化理论( 流动律法) 以及继效 流动理论等。这些方法都假定徐变与应力关系是线性的，并都服从鲍尔茨曼( l b o l t z m a n ) 一1 7 老化混凝土坝防渗加同施工温度应力仿真分析 迭加原理。为了把以上所述常荷载试验获得的徐变变形结果应用到变应力中去，就要用 到这几种徐变度计算理论。 另外，由于混凝土徐变不仅与当时的应力有关，而且与应力历史有关，计算过程中 必须记录应力历史，因此在采用有限元法等数值方法分析混凝土结构时，如何压缩计算 机的存储容量是关键所在。在上述的理论方法中，老化理论( 徐变律法) 、弹性徐变理论 ( 迭加法) 、弹性老化理论( 流动律法) 的徐变度表达式均为指数函数式，这些指数表达式 的好处是，不必记录应力历史，这不仅可以节省计算机的内存，也减少了计算工作量。 在我们的计算中，还可以进一步对徐变进行简化，这要用到线性徐变假定，这将在 后面章节中提到。 2 4 水工混凝土施工中的温控方法 3 6 2 4 1结构方面的温控措施 2 4 1 1 选择合理的结构型式 实践经验表明，现有的混凝土结构裂缝，绝大多数与温度应力有关，结构型式选择 恰当，就可能减少温度应力，从而减少裂缝。 2 4 1 2 适当的分缝分块 根据坝址气候条件、坝体结构特点、施工机械及施工温控水平，并考虑温控措施合 理配套，对大坝进行合理的分缝分块，在混凝土结构内设置一系列的纵横缝，同时，合 理的进行分层分块对防止温度裂缝有很大的好处。 2 4 1 3 配置钢筋 大体积混凝土的裂缝，主要是由温度应力和干缩应力产生。由于钢筋不会干缩，钢 筋的存在会阻止混凝土的干缩变形，使混凝土内干缩应力增加，所以不能用钢筋来防止 干缩裂缝。但是，钢筋对防止温度裂缝却有作用。例如长期暴露的混凝土层面或过水渡 汛的混凝土面，在其表面配景适当数量的钢筋网，可以防止贯穿性或深层裂缝的产生； 又如在混凝土新老结合面埋设一定的钢筋，可以防止新老结合面发生错动，以利新老混 凝土结合更加紧密，形成整体结构，提高坝体安全性。 1 8 大连理j 亡大学硕士学位论文 2 4 2 材料方面的温控措施 2 4 2 1 提高混凝土抗裂能力 由于温控防裂设计的安全储备远小于结构设计，而实际施工中混凝土施工匀值性有 时较差，所以在施工过程中，除改进施工管理和施工工艺外，还要改善混凝土的性能， 提高混凝土的抗裂能力。 2 4 2 2 控制混凝土水化热 控制混凝土水化热主要通过采用发热量低的中热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水 泥选择较优骨料级配和掺粉煤