（水工结构工程专业论文）寒冷地区重力坝加高加固技术研究与应用.pdf

”海人学工程砸卜学位论文 摘嘤 摘要 英那河水库扩建工程作为大连市政府的重点工程，得nt 大连市各级政府的重视，从 项目建议书到施工图阶段也得到了我院的重视，由于水库加高扩建在我国应用极少，尤其 是在水库蓄水条件下的加高，更是没有先例。冈此，需要研究的设计内容比较多，如加高 扩建后对新老坝体的影响，新老坝体能否作为一个整体工作，如何降低彼此之间的相互作 用，这就提出了研究的课题。 为了更好地了解大坝加高过程中出现的各种问题，我们应用了有限元仿真应力计算理 论，大坝仿真计算理论和模型，在分析评价大坝加高应力状态中起着重要的作用，本文针 对大坝加高扩建的理论和方法进行了研究。 1 ) 采用混凝土温度场有限元法计算原理，混凝土温度徐变应力有限元法计算原理，模 拟大坝加高扩建过程： 2 ) 根据有限元仿真计算结果分析坝体应力分布、状态，采取一些工程措施，如从材料 选择上，考虑用浆砌石来加高挡水坝段，混凝二e 中掺加少量外加剂，以减少水泥用量，达 到降低温度应力的目的：挡水坝段预留越冬面，延长了施工期，与连续加高冬季不预留越 冬面对坝踵应力的影响，两者相比较前者可以起到减小温度应力的作用：溢流坝段预留 宽槽，宽槽下游侧坝体浇筑不受侧面约束，仅有基础约束，此部分坝体的收缩对上游坝踵 的影响小得多，老坝体坝踵处拉应力显著降低，说明宽槽的采用对坝踵拉应力的减小效果 很好：另外利用库水保温、在拌和水中加冰块，降低拌和水温度，也是有效的办法：针对 拉应力区域比较大的情况，对坝体上游侧进行了灌浆，增加防渗厚度： 3 ) 大坝加高已成功运用，为我国大坝加高旷建提供了宝贵的经验。在加高扩建中，没 有降低库水位，在我国属于首创。采用了宽槽、坝体灌浆等等方法是国内没有的，从观测 资料分析结果看，以上措施是成功的。 关键词：大坝加高扩建、坝踵应力、新老坝体结合、宽槽、坝体灌浆、浆砌石、有限 元仿真计算 河海大学工程硕士学位论文 摘要译文 a b s t r a c t t h ee x t e n d e dp r o j e c to fy i n g n ar i v e rr e s e r v o i ri st h ek e yp r o j e c ti nd a l i a nc i t y , w h i c hh a s b e e np a i dg r e a ta t t e n t i o nb ye v e r yl e v e lg o v e r n m e n to fd a l i a nc i t ya sw e l la so u ri n s t i t u t e f r o mt h ep r o j e c ts u g g e s t i o nt ot h ed e s i g no ft h eb l u e p r i n t b e c a u s eo ft h el a c ko f r e s e r v o i r - e n h a n c ep r o j e c ti nc h i n a e s p e c i a l l y 血e r ei sn op r e c e d e n tu n d e rt h ec i r c u m s t a n c e o fs t o r i n gw a t e r , s ot h e r ea r cal o to ft h i n g sn e e dt ob ed e s i g n e d f o re x a m p l ew h a tt h e i n f i n e n c eo f t h ee x t e n d e dp r o j e c to f t h en e wd a m ，w h e t h e rt h en e wa n do l dd a m sc a nb es e e n a sau n i to rw h a ti st h ei n t c r a c t i o no ft h e s ef a c t o r s w ea d o p tt h ec a l c u l a t i n gt h e o r yo ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns t r e s sa n dm o d e lo fd a m s i m u l a t i o ni no r d e rt os o l v et h ev a r i o u sp r o b l e m sd u r i n gt h ep r o c e s so fe n h a n c e m e n to ft h e d a m s i ti sv e r yi m p o r t a n tt oa n a l y s et h es t a t us ；o fs t r e s s i m p r o v e m e n to ft h ed a m t h i se s s a y w i l lr e s e a r c ho nt h et h e o r ya n dm e t h o d so f d a m se x p a n s i o na n de n h a n c e m e n t 1 11 os i m u l a t et h ep r o c e s so fe x p a n s i o na n de n h a n c eo ft h ed a m ，b a s e do nt h ef i n i t e e l e m e n tc a l c u l a t i n g p r i n c i p l eo nt e m p e r a t u r e f i e l da n ds t r e s so fc o n c r e t e 2 1t oa d o p ts o m ep r o j e c tm e a s u r e sb yu s i n gf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nc a l c u l a t i n gr e s u l t t oa n a y l s et h ed i s t r i b u t i o na n ds t a t u so ft h ed a m f o re x a m p l e ，w ec a nu s es l o pa n ds t o n e st o e n h a n c et h ed a ma n da d u l t e r a t es o m ea d d i c t i v ei n t ot h ec o n c r e t ei no r d e rt or e d u c et h e a m o u n to fc e m e n ta n di o w e rt h et e m p e r a t u r es t r e s s f u r t h e r m o r e w ew i l ll e a v et h es p a c e f o rw i n t e ro i lt h ew a t e r - b l o c k i n gd a mw h e r el e a dt op r o l o n gt h ew o r kt e r m c o m p a r e dw i t h t h ec a n t i n n o u se n h a n c eo ft h ed a mw i t h o u tl e a v i w , t h es p a c ef o rw i n t e r , t h ef o r m e rc a n r e d u c et h ee f f e c to ft h et e m p e r a t u r es t r e s s 0 ut h eo t h e rh a n d ，t ol e a v et h ew i d es l o to nt h e d a mc a nm a k et h ep o u r i n go ft h ed a mb ef r e ef r o mt h es i d e t h es h r i n k i n go ft h ed a mh a s l i t t l ei n f l u e n c eo nt h eb a s eo ft h eu p p e rr i v e r t h eu s eo ft h ew i d es l o t sp l a yv e r yi m p o r t a n t r o l ei nt h ec o n s i d e r a b l er e d u c t i o no ft h es t r e s s m o r e o v e r , u s i n gw a t e ri nt h er e s e r v o i rt o k e e p w a r m a d d i n gj c eb l o c ki nt h ew a t e rt o 】o w e rt h et e m p e r a t u r ea r ea l s oe f f e c t i v ew a y s a c c o r d i n gt ot h el a r g ea r e ao fs t r e s s ，w ec a np o u rc o n c r e t eo nt h eu p p e rr i v e ra n di n c r e a s e t h el e v e lo fa n t i - i n f i l t r a t i o n 3 ) t h es u c c e s s f u le n h a n c ep r o j e c to ft h ed a mp r o v i d eg r e a te x p e r i e n c et ot h ep r o j e c to n e x p a n s i o na n de n h a n c e m e n to ft h ed a m sw i 出o u tl o w e r i n gt h ew a t e ri e v e kw h i c hi sf i r s t u s e di nc h i n a f r u mt h ea n a l y t i c a lr e s u l to ft h eo b s e r v a t i o n t h e s em e a s u r e sa r es u c c e s s f u l k e y w o r d s ：e x p a n s i o na n de n h a n c e m e n to ft h ed a m ，s t r e s so ft h eb a r nb a s e , c o m b i n a t i o no f o l da n dn e wd a m s ，w i d es l o t s ，p o u rt h ed a m , s l o pa n ds t o n e ， c a l c u l a t i n gs i m u l a t i o no ff i n i t ee l e m e n t 河海大学工程硕七学位论文第章绪论 第一章绪论 1 1 概述 大连市是我国北方地区重要港口城市，金州：奠南受水区是大连市政治、经济和文化的中心， 该地区可利用的水资源极为有限，人均占有水资源量是全市人均占有量的2 5 ，足大连市最严 重的缺水地区。实际情况预示，2 0 0 0 年后大连市急需开辟新的水源。 庄河市水资源丰富，到2 0 1 0 年时，在确保城乡社会经济发展需水逐步增氏的情况下，仍 有余水，将英那河尚未升发利用的水资源，引至大连金州以南地区，以解决大连市经济发展与 缺水之间日益增长的矛盾，是切实可行的，也是非常必要的。 英那河发源于鞍山市岫岩县龙潭乡老北沟，河流全长9 49 k m ，平均比降23 1 ，流域面积 1 0 0 4 k m z 。英那河多年平均年径流量3 5 5 1 c m 3 ，从总的情况看庄河地区水资源储量比较丰富， 先开发利用程度低，多年平均天然径流量为1 4 1 4 亿m 3 ，用水量仅为2 8 8 亿m 3 ，开发利用率 为2 0 3 。余水主要集中在英那河流域，英那河水库规模相对较小，水库多年平均弃水量较大， 水资源得不到充分利用。为了合理地开发利用地表水资源，应扩建英那河水库，从而可以实现 向大连市跨流域调水。 1 2 水库扩建方案实施过程 1 9 9 8 年8 月，受大连市引英入连供水工程前期工作办公室委托，我院与大连市水利建筑设 计院及庄河市水利建筑设计院共同承担英那河水库扩建工程可行性研究编制工作。根据项 目建议书审查意见，论证原坝址加高扩建方案和坝址下移的可行性，形成英那河水库扩建 工程可行性研究( 中间成果) 。 在项目建议书的基础上，做了原坝址扩建及新坝址两方案比较工作，从以下几个方面 进行比较： ( 1 ) 水库调节水量比较：原坝址方案和新坝址方案入库水量、水库净调节水量、多年 平均调水量、下游农业补水等都能满足本流域需水要求，并能满足大连市2 0 1 0 水平年凋水要 求。 ( 2 ) 施工条件比较：原坝址坝长3 4 5 m ，坝高4 5 m ；新坝址土坝方案主坝长7 3 1 m ，浆 砌石坝方案主坝长9 3 7 m ，副坝长均为9 4 8 m 。原坝址只需要一个施工场地，作业面小，施工期 短，材料量少；新坝址方案需要两个施工场地，战线长，施工期长，材半斗量大，施工机械复杂， 交通不方便。因此，从施工条件分析，原坝址方案较优。 ( 3 ) 发挥效益比较：在同样的施工强度下，原坝址扩建方案施工期为三年，新坝址方 案，新建时间为四年半，加卜- 勘测内容多，勘测时间也较长，整个水库发挥效益的时间晚两年。 河海大学工程硕士学位论文第一章绪论 因此，从取得效益的时间条件分析，原坝址方案较优。 ( 4 ) 水库淹没比较：原坝址比新坝址淹没实物量大，淹没耕地、 多。因此，从水库淹没方面比较，新坝址方案优于原坝址方案。 ( 5 ) 输水管线布置比较：原坝址方案较新坝址方案输水管线长， 节省提水成本，折算后，原坝址比新坝址方案管线投资多。 动迁人员、淹没投资 投资大，但每年可以 ( 6 ) 投资比较：原坝址方案投资4 9 4 亿，新坝址方案重力坝方案投资7 5 9 亿，土坝方 案投资6 9 3 亿。薪坝址两方案分别比原坝址多2 6 5 亿和1 9 9 亿元。 从上述分析可以看出，向大连市调水量、水库效益相同的情况下，方案的优劣主要取决于 工程总投资和施工条件，在将淹没损失以补偿投资列入总投资后，原坝址方案无论是总投资、 施工条件还是效益方面，都优于新坝址方案。原坝址方案投资最低，避免了新坝址方案投入过 大，充分利用了原有建筑物，发挥效益的时间早。因此，中间成果报告从技术可行、经济合理 的角度出发，推荐了原坝址扩建方案。原坝址加高扩建方案获得了水利部委托的江河水利水电 咨询中心的认可。 1 3 大坝加高扩建的研究 重力坝加高扩建国外已成功地应用，在我国这方面例子极少，丹江口水库作为南水北调工 程的取水头部，正准备实施加高。在调研中得知，无论是一次成型的坝还是堤，与分期修建， 其理论和实践均有异同点，大坝加高存在新老混凝土结合，温控防裂，新老混凝土在降温过程 中对坝体上游面及坝踵应力的影响等重大技术问题。 1 3 1 分期加高重力坝 重力坝的胶结材料由混凝土构成，受混凝土自身性能的局限，分期加高坝除了具备一次成 型坝的特点外，还具有特殊性。 混凝土在硬化过程中由于水泥的水化作用而发热，混凝土是一种热的不良导体，人体积混 凝土内部的热量不容易散发，致使混凝土内部温度升得非常高。另一方面，由于混凝土具有随 着温度的升降而膨胀和收缩的性质，所以，因高温而已硬化的混凝土在逐渐散热降温的同时发 生收缩。如约束其收缩，混凝土就会产生拉应力。 在紧靠老坝下游面浇筑新混凝土的加高型式将产生如下的温度应力。因混凝土的水化热而 升温的新混凝土冷却到稳定温度时会发生收缩，这种收缩受到老坝和基岩的约束，结果沿老坝 体结合面的新混凝土会产生拉应力。这种拉应力使老坝体下游面产生压应力，作为其反作用， 老坝向下游侧产生微小变位的同时，上游面产生拉应力。 新坝体的收缩受老坝体的约束，内部产生拉应力，同时在老坝体的上游面引起拉应力。如 果这种拉应力超过防渗墙的允许值，将对大坝的安全构成威胁，加高坝时，新混凝土始终受到 2 河海大学工程硕士学位论文 第一章绪论 老坝的约束，所以温度应力是一个重要问题。因此，必须采取措施，使得拉应力在允许范围内。 确保大坝的安全。另外新老接合面上的剪切应力如果超过了允许的应力，就会破坏新老坝体 的结合，使得大坝不能作为个整体发挥作用。 收缩问题主要是由于水泥的水化热使新混凝土温度升高而引起的，而且可能造成新、旧坝 体之间的应力超出可接受的程度，整体性成为一个核心问题，要保证新、旧坝体有足够的结合， 避免在那些可能影响结构整体性的地方出现裂缝。 一般混凝土重力坝，大体积混凝七结构中，盈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。尤其大坝加高产 生的温度应力更是比一次成型的坝体应力还要大。 重力坝加高困难在于难以获得新、老混凝土之间的牢固结合，尤其是新坝体的收缩、塑性 及温度应变和新、老混凝土弹模不周等因素，影响坝体的应力条件。 出于缩小新老坝体各种物理性能指标的需要，应该尽量选用相同材料，然而，即使选用两 种完全一致的材料，其物理力学性能也是不同的。因为老坝已建成多年，龄期长，内部温度稳 定，强度、弹模都很高，收缩和徐变基本完成。新浇筑坝体材料的温度、弹模和收缩处于弹性 阶段，水泥的水化热使坝体内部温度升高，体积膨胀。以后随着热量的散失，内部温度逐渐下 降而趋于稳定，体积变小。因此材料差异引起的应力是不可避免的。 英那河水库建成于1 9 7 4 年，经过二十多年的时间，坝体已形成稳定的温度场。将坝加高 加厚会带来一系列问题，如收缩问题、整体性问题、原坝和新坝的应力状态等问题。水库扩大 规模后，要求新老坝体牢固地结合在一起，全坝作为一个整体共同发挥作用，加高加厚后不致 引起破坏性的情况发生，威胁大坝的安全运行，于是提出了新老结合面的处理问题、新老坝之 间的相互影响等问题。 1 3 2 加高型式的选定 国外的重力坝加高积累了成熟的经验，而我国正方兴未艾。重力坝加高的原因很多，如原 设计造价高，资金不足，故分期加高，以节约第一期工程的投资，使工程能提前发挥效益。由 于电力负荷日益增长，不得不加高大坝，提高机组出力以满足各方面的要求。而水库淤积严重， 亟需扩大库容，使水库继续发挥其作用而枢纽不致报废，将老坝加高以满足这种要求。有些坝 设计时缺乏充足的资料，以致坝高和库容不足，不能满足防洪的要求，这也是导致大坝加高的 原因。 卜面列举的大坝加高原因中，仅以一个原因来决定应否加高的事例是少有的，多半是同时 为了几个原因才加高，通常加高一座坝应进行多方面理由的论证。例如委内瑞拉的占里坝的分 期加高，既是为r 节约初期工程的投资，也是为了电力需求日益增长的需要。 混凝土坝通常采用下述几种方式进行加高： 河海大学工程硕士学位睑文 第章绪论 ( 1 ) 后帮整体式 这种加高方式是在老坝顶部上加筑混凝土至新坝顶部高程，同时在老坝下游面上加筑后帮 混凝土以满足新坝的稳定要求。本方式要求新老混凝土牢固地粘结在一起，使全部结构起整体 作用。这种加高方式应用最广。现今高混凝土重力坝多采用这种方式进行加高，x 6 1 女i w 委内瑞拉 的占里坝、瑞士的大狄克桑斯坝、 i 本的王泊坝、川上坝、新中野坝等，均获成功。 ( 2 ) 后帮分离式 在这种加高方式中，后帮部分压在老坝下游面上，起支撑作用，但新老材料的接合面上用 其他材料例如金属板隔开，因而这两部分各自独立地工作。这块薄板能使外帮部分在各向自由 移动，使破坏性的内应力不可能产生。埃及阿斯旺第二次加高工程即系一例。 这种方式的好处是避免了为保证新老混凝土接合而必须采取的措施，即省时又省钱。其缺 点是需用大量的混凝土才达到与后帮整体式同等的稳定效果。 ( 3 ) 前帮整体式 这种加高方式是在老坝的上游面浇筑前帮混凝土，从坝踵直至老坝坝顶，然后升高，如图 1 4 所示。老坝的l 游面变为新老混凝土的接合面。美国马歇尔福特坝即用此种方式加高。该坝 位于科罗拉多河i 二，老坝高6 0 m ，加高2 5 m ，于1 9 3 9 年建成。这种加高方式要求放空水库，增 筑上游围堰以利施工。 ( 4 ) 前帮加后帮式 这种加高方式是在老坝的上游面、下游面及坝项上部都加筑混凝土。美国的罗斯坝即系一 例。该坝位于华盛顿州斯卡吉特河上，为混凝土拱坝，1 9 4 9 年建成。坝高1 6 5 m ，为了增加库 容将坝加高3 7 r n ，使最大高度为2 0 2 m 。新浇混凝土在上游面的前帮部分长3 5 m ，在下游面的 后帮部分氏3 5 m ，现有大坝只在顶部加高培厚，沿坝高大约有7 0 没有加厚。前帮和后帮厚度 为3 m 。 f 5 ) 预应力钢索加高式 这种加高方式是1 9 3 2 年法国工程师安德烈- 科伊内提出来的，因此亦称科伊内法，即在 老坝顸部直接浇筑混凝士将其加高，混凝土中预埋套管，凝固后即从新坝顶部架设钻孔机，通 过套管往下钻孔，钻穿老坝后，还要钻入基岩一定深度，以形成钢缆索的导孔。 导孔完成后，即将下端附有锚具的钢索下到导孔中，一直落到基岩内，然后对位于基岩锚 孔的锚具灌浆，浆体凝同后，钢索锚具即与基岩牢固地粘结在一起。以后即在新坝项部设置千 斤项，对钢索施加预应力，当其伸长至。定程度后，将其圃在刚度很大的压块上，然后在导孔 中灌浆，凝固后，钢索的预应力即传递到新老混凝土坝体中，使之处于受压状态。西班牙的哈 布拉坝，系用这种方式进行加高的。 本法的好处是造价低廉、准确可靠、施工速度快，在多数情况f ，工程施工毋须降低库水 河海大学工程硕士学位论文第一章绪论 位。 预应力方法的缺点是钢索中的拉应力因混凝土徐变而逐渐减小，在长期荷载作用下，钢索 叶 的预应力要受到损失。此外老坝顶部由于宽度不够而要拆除一部分。 ( 6 ) 直接加高式 这种加高方式不需要后帮混凝土，只是简单地增加一个坝顶，使之达到所需的高度，只需 将老坝坝顶拆除一部分，然后浇筑新混凝土将坝顼s t 高至预定高程即可。美国哥伦比亚河上的 大约瑟夫坝，于1 9 5 9 年建成，1 9 7 3 年将该坝加高3 0 5 m ，采取直接加高方式。 通常用来处理收缩问题和整体性问题的典型方法，在新老坝体之间留一道缝隙，待新浇混 凝土尽可能收缩后，再填满余留的缝隙，使新老坝体连接在一起。例如最早加高的阿斯旺坝、 穆尔拉多兹坝就是采用这种技术。这些解决办法是巧妙的，但是施工较复杂、费用也较大。 英那河水库扩建工程采用当今最为普遍的方法，即后帮整体式加高。限于库水不能完全泄 空，坝前水深有十多米，前帮式不能应用于本工程。直接加高此方法的优点工期短，老坝的拆 除工作可以选在不影响爆破和浇筑的时段内进行，技术较易掌握，是众多加高方案中最简单可 行的方法。 1 4 材料力学法计算分期施工坝体应力 重力坝的应力计算是坝体改计的重要依据之一，计算坝体应力不仅为了了解重力坝在施工 和运用情况下的工作状态，而且坝体中的应力数值也是坝体材料的标号、某些部位钢筋配置等 项设计工作的重要依据。 在计算坝体应力时，一般在坝的横断面上截取若干个水平截面分别计算，上游面垂直正应 力公式为： w6 z m 2 _ 厂+ 1 f 而分期施工的重力坝坝体应力，与分期施： 的方式有很大关系。如果第二二期工程施工时， 先将水库放空，并妥善地解决接触面的结合问题和温度应力问题，则最终的应力条件和按整体 计算的应力基本相同。但放空水库不仅造成经济展失，当水库巨大而放水设施能力又受限制时， 放空水库甚至是不可能的。【霹此往往只能在水库蓄水的情况下进行坝体的加高和加宽工程。 二期加高坝体材料力学法应力分析和计算，不同于一次成型的，有一些基本假定。 计算假定： ( a ) 二期施工的坝，在加高以前，工作荷载由第一划坝体承担。加高以后灌浆连成整体， 增加的荷载，由整个坝体承担。但在施 期问，加高部分的坝体自重作h 在老坝上，而本身并 不承受新增荷载。 河海大学工科硕士学位论文 第章结论 ( b ) 作用于第一、二期坝体断面的水平截面上的扬压力分布中尾部渗透压力的消失点分别 在老、新坝断面的坝趾处。 计算情况： ( a ) 第一期坝体在实际可能发生的卜、下游水压力及其他荷载的不利组合作用下，老坝断 面上的应力。 ( b ) 第二期加厚部分混凝七重量对第一期坝产生的应力，及对第二期混凝土产生的应力。 ( c 1 大坝加高两期混凝土连成整体t f 舌，上游水位升高，增加的外荷载如水压力、水重、自 重、扬压力等由全断面共同承受下的应力。 ( d ) 整体断面上的温度应力分布。 f e ) 第、第二期坝体混凝土不同弹模时产生在整体断面上的应力。 设计要求： 将计算情况( a ) 、( b ) 、( c ) 的应力成果叠加后，使坝踵不产生拉应力或保持部分正应力来 确定坝的最终设计断面，计算方法可用材料力学法。 设计要求中( a ) 加上考虑温度应力及不同混凝土弹模对应力的影响后，对坝踵应力的控 制标准。可以适当放宽。 在用材料力学法计算英那河水库大坝的设计断面中，我们采用了( a ) ，没有考虑温度应力及 不同弹模对应力的影响，以不出现拉应力来确定大坝最终断面。其根据是水利部颁布的浆砌 石坝设计规范s l 2 5 9 1 第3 1 7 条指出浆砌石重力坝可不考虑温度荷载。 1 5 坝址气象条件 英那河水库位于庄河地区，地处北半球的暖温带，气温属于暖温带湿润大陆性季风气候。 以庄河气象站为代表站，据1 9 6 1 年1 9 9 0 年共3 0 年资料统计分析，流域内多年平均气温8 9 ，极端最低气温一2 5 2 。c ，极端最高气温3 6 o 。c ，1 月份月平均气温7 9 。c ，8 月份月平均气温 2 36 。c 。 1 6 浆砌石坝施工特点 浇筑前，将清理过的岩石基础以水润湿，将低凹处的集水完全排除，先均匀地铺一层3 5 c m 的m 7 5 水泥砂浆，使砂浆充满基岩面。再铺o 5 m 厚的混凝土垫层，然后在仓面上均匀地 摆放块石，块石之间用混凝土灌密实，然后铺一层1 5 c m 厚左右的混凝十。每层照此施工顺序， 严禁块石之间彼此贴合，没有胶结利。砌石体容重必须达到2 3 ，块石结构缝处用料石砌筑。 混凝土砌石体中混凝t 含量不能超过5 0 ，块石含量不得小于5 0 。 大坝的浇筑期为每年的3 月至1 1 月，1 1 月的中旬混凝土即停止浇筑，大坝进行保温越冬。 塑童查兰三型堡主兰垒笙苎 至：兰些望 挡水坝段从2 0 0 1 年9 月1 日开始，分层浇筑，一层厚1 5 m ，2 0 0 1 年1 1 月15 日浇到5 9 ，5 m 高程。次年3 月1 5 日开始至2 0 0 2 年6 月1 5 日，挡水坝段坝体的主体施工结束。 溢流坝段从2 0 0 1 年l o 月1 日开始，先浇注挑流鼻坎下部，至1 1 月2 0 目浇至4 82 m 高程。 堰体从2 0 0 1 年9 月2 0 日到2 0 0 1 年1 1 月1 5 日止，高程南4 9 m 升至6 1 5 m 。堰体于2 0 0 2 年4 月2 5 日完成，1 5 m 的宽槽于2 0 0 2 年3 月1 5 口至3 月2 5 日回填。 河海大学工程硕上学位论文第二章研究的理论和方是去 第二章研究的理论和方法 虽然材料力学法是目前应用广泛的重力坝应力分析的基本方法，但是本课题研究的砌 体在逐层浇注的过程中，无论对新浇注的石剀体本身还是老坝，由于水化热的作用都导致了 应力的出现，因此材料力学法无法描绘这一过程，无法得h 彼此作朋后的结果，有限单元 仿真法能够揭示坝体应力，必须利用有限单元法分析坝体应力。 笔者选取了两个典型坝段，一个是最高的挡水坝段剖面，一个是最高的溢流坝段，对 上述两个坝段进行了平面有限元仿真分析研究，定量地计算了坝体应力，从而采取相应措 施。 2l 建立应变位移应力方程 由于外荷载的作用方向是沿着水流方向，除了岸坡坝段外，不会在坝轴线方向产生位 移，所以就可简化成弹性理论中的平面变形问题来处理。作为平面问题，单元内具有三个 应变分量f 。、s ，、k ，根据弹性理论，平面变形问题中表示应变一位移关系的几何方 程为： s ，= o _ u ( 2 - 1 ) o x ：竺( 2 - 2 ) 5 ，5 面 y j 竺+ 尘 ( 2 。3 ) “ 西出 写成矩阵形式： 平面变形中表示应力应变关系的物理方程为 d “ 删 d v ( t v o u o v d v 咿揣吼2 可萄商k + f 2 4 1 “e 酊i 闯5 ， 、，、， q ，、，【 河海大学- 程硕士学位沦文第二章研究的理论和方法 用矩阵方程表示为 o - y 2 ( 1 + i $ 丽- 2 a ) 5 f i f 】 + f ( 1 厕- p ) e e ， e 2 。币砑b 2 2 混凝土温度场有限元法计算原理 f 2 - 5 、 2 2 1 热传导问题 根据热传导理论，固体中的热传导问题可用下列一组数学公式描述。根据热量平衡， 可导出导热方程如下： 署= 盘( 窘+ 窘+ ；笋) + 等( 2 - 6 )瓦地【可+ 萨+ i j + 瓦 式中：。一导热系数； 丁一温度；r = 丁 _ 五r ) 目一混凝土绝热温升； r 一时n = 1 j ： 初始条件是指物体在初始瞬时的温度分布，可用下式表示： ( r ) r ：0 = t 阮且z ) 边界条件是指物体表面与周围介质之问进行热交换的规律。 第一类边界条件： 物体表面温度正是时间r 的已知函数，即： 瓦( r ) - _ 厂( r ) 第三类边界条件，已知物体表面在各瞬时的运流( 对流) 放热情况，即： 一叫。 o l ， 上_ 。 耥 河海大学工程硕士学位论文第二章研究的坪论和方法 ( 乃一m ) 住给定的初始条件和边界条件_ 卜- 求解导热方程就可得出不同时刻r 时的温度场t “ 卅= 蚱2 + 2 卜滢一豢枷熊h 卜= m i 吣。， 把求解区域r 划分为有限个单元，可用吖近似地代替目刁，即固。z ie 。，8 是式( 2 7 ) 若= 筹= 。 根据泛函实现极值的条件 筹= 。 所有单元集合后得到方程组如下： h p + l r 兰扩 + 妒) = o 对时间7 取差分格式： 昙0 m ，= 警磐 1 、“ f 式中：f 一时段步长。 把式2 - 9 代入2 - 8 得： 1 0 f 2 8 1 ( 2 - 9 ) 堕查兰三婴圭塑堡塞 一j 塑业塑里业立坠 + 去【r 她m 一去【r + f ) r + 矿。( 2 - l o ) 上式是”阶线性方程组，求解此方程组即可由限，猖到各结点在r + 以r 时刻曲”f l l - 庙7 - - 值盘一+ 一 2 3混凝土温度徐变应力有限元法计算原理 2 3l线性徐变力学的基本方程式 徐变力学的基本方程式包括平衡方程、几何方程和物理方程三个方面。这些方程中， 除了物理方程外，其它方程的形式与弹性力学是类同的。因此，下面只列出物理方程( 本 构方程) ，其它方程参阅弹性力学。 复杂应力状态下的物理疗程为： f =删+ 业喘趔+ 黔t 州一脑o 肛0 ，r p r b ，y ，z ) y 。) ：y 品。) + 三! 二j ；2 ；兰皇! + r j l z ( 1 + ，r ) r 。( r ) 世。，r p r b ，y ，z ) 式中：s ( o = 吒忙) + 吒( f ) + 以0 ) 酬= 一导高础，f ) ( 五m ：) 表示依次置换x , y , z 可得，( 幻、 ：( 幻、r 。( 幻和f ，( 幻。 2 3 2隐式解绫 混凝土的徐变不仅与当时的应力有关，而且与历史的应力有关。计算过程中必须记录 应力历史，因此在讨算中如何压缩计算机的存储量是关键所在。以下给出隐式解法。f 1 变步 长徐变变形增量的递推算式。 设从t 。开始受o ( t ) 作用，到时间t 时浞凝土徐变变形为： 。c o ) ：盯( 撒 ) + 胁) 掣舡盯o 。) 嘻r ) 掣出 混凝土的徐变度取为 c o ，) ：i 妒，( r ) 0 - - cs , 卜f ) ) 河海大学工程硕士学位论文 第二章研究的理论和方法 通过推导可得到复杂应力状态下的徐变应变增量列阵如下 s 0 = 慨) + q 。 q 吒) ( 2 - 1 1 ) 式巾： 盐。) 徐变应变增y 3 - i 瓯1 一应力增量列阵。 g 。= 盛 。 加。 = 盛= 伊( f 。+ a t 2 ) , a r 。一。 厶= 0 。4 一一1 ) s , “； 巴= 1 一e 1 4 1 曲。 = 如。，扣。曲“一+ 【q 忪吒，扣：，。，。e 。 妇。) = p q 忙( f 。) 妒。= 竹0 。) 阱w 划咖一鼢 小一=。-一,u。0ell ( 平面应变= ( 1 十】一 l 一oi ( 平面应变问题 l 00 2 j 毛 - s ； + s ： + a r ： 式中 s 。l 一总应变增量列阵： 讧s ： 一弹性应变增量列阵； j 温度应变增量列阵。 1 2 佗一1 2 、 河海大学工程硕士学位论文 第二章研究的理论和方法 平面应力问题 平面应变问题 f 以l s = j 融l l o j f 瓦 ( 1 + p ) z l 【oj 根据弹性应变与应力成线性关系，得： 蚪，! 。南 q 掣卜她像 其中：毛4 呵以取为昂4 = 厨一，+ ar , 2 ) 把式2 - 1 3 和2 - 1 l 代入式2 - 1 2 整理合并后，得： 吒) = _ 。k s 。 一 仉) 占：) ) r 2 一。、 式中：匮 _ 【d 。i 0 + 吼e ) = 巧 q r 见】是弹性矩阵，h = q _ 1 e 。= e ：o + 吼e ) 式2 - 1 4 就是复杂应力状态下应力应变增量关系式。 得出应力应变增量表达式之后，可以运用有限单元法进行计算。 把结构划分成有限个单元，用结点位移米表示单元的应变 q = 陋 瓦( 2 1 5 ) 式中：i b i 几何矩阵。 a 6 j 结点位移增量列阵。 把式2 - 1 5 代入式2 - 1 4 ，得： 吒 = _ 。舾 j 。 一 仉) 一 s ：) ) ( ：舶) 由有限元法中的平衡方程 河海大学工程硕士学位论文第二章研究的理论和方湛 f 陋r a c t d v = 叱) r 2 - 1 7 1 可得基本方程如下： 础占。) = = ) + k + j ( 2 - 1 8 ) 式中：k 】结构的整体刚度矩阵。 k 】= 心7 _ 。b k r e 外荷载增量； k 徐变变形产生的当量荷载增量 陋 =f c 日】7 瞄。l r 。k v 必。 温度荷载增量； 叫) ：f 陋】7 _ 。弘s ：k v f 2 1 9 、 ( 2 - 2 0 ) f 2 2 1 ) 由式2 - 1 8 求得位移增量 瓯)后，代入式2 - 1 6 即可求出应力增量 吒 。 总应力为各时段应力增量之和，即： a o - = a o - , ( 2 2 2 ) i = 1 河海大学工程硕七学位论文 第二章坝体温度应力有限元仿真计掌荤 第三章坝体温度应力有限元仿真计算 3 1 计算基本资料 3 1 1 气温 庄河地区背山面海，地处北半球的暖温带，气候属于暖温带湿润大陆性季风气候，气候温和， 叫季分明，雨热同季，降雨集中，目照丰富，季风盛行。月气温平均为1 0 。c 左右。流域内多年 平均气温8 9 。c ，极端最低气温- 2 5 2 。0 ，极端最高气温3 6 o ；各个月平均气温见表3 一l 。 表3 一l l 鼢 123 456 7 8 91 0 1 l1 2 4 气；蛊 _ 795 1148 81 50：- 9 42 3o2 3 61 831 1 43o4 7 3 1 2 水库水温 英那河水库没有水库水温实测资料。由于水库水深较浅，调节性能差，故假定水温沿水深 不变，冬季4 。c 其余季节比气温低2 4 。c 。按月变化的水库水温如表3 1 2 。 表3 - 2 i 月份 1234567891 01 11 2 4 7 n a 4 o4 04 06 51 3 o1 8 02 1 o2 1 o1 7 01 0 o6 04 o 3 1 3 水库蓄水计划 大坝加高时水位高程5 9 m ；2 0 0 2 年6 月2 0 日蓄水至7 2 6 m 高程，2 0 0 3 年6 月蓄水至正常 高水位7 9 1 m 。 3 1 4 材料分区 挡水坝段和溢流坝段材料分区见图1 、图2 ，大坝材料分区技术指标列于表3 3 。 表3 - 3 分区抗压强度抗雠抗冻最大削；啦径备注弹漠干容重 a 2 1 52 1 5 0 8 0 溢捕觏体内韶尊融疑十 a 4 2 543 0 08 0防渗漆 黼t2 6 1 0 42 4 a 5 2 043 0 08 0 坝项碚疑土 b 1 043 0 05相壮 石商层 b 2 1 541 5 04 0 绀副# 阮凝土 厢 3 1 5 材料的热力学性能 各种材料的热力学性能见表3 4 。 表3 4 河海大学工程硕士学位论文第三章坝体温度应力有限元仿真汁算 ，峨 蒯 弹漠泊f 拙e线愀导热系数比热容重 基岩1 7 5o 2 50 0 0 0 0 0 99 0 90 7 1 22 6 0 0 棚b 3 6 5030 0 0 0 0 0 87 1 7 708 3 72 1 7 0 瓣b 2 9 0o _ 30 0 0 0 0 0 87 1 7 70 8 3 72 3 0 0 老混凝士a 42 60 1 6 70 0 0 0 0 16 6 4 60 8 5 32 4 0 0 莉l 魁a 52 60 1 6 70 0 0 0 0 1 6 “6 0 8 5 3 2 3 1 4 3 1 6 绝热温升 新坝体混凝土绝热温升见表3 5 。 表3 - 5 i 龄期 1 3) 71 01 42 8 4绝热温升 2 96 78 9l l71 3 21 3 91 5 1 n 3 1 7 混凝土弹性模量 混凝土弹性模量见表3 - 6 。 表3 - 6 i龄期 13571 01 42 89 0 8 弹模 1o1 3 5 1 51 6 31 7 11 81 9 82 1 6 3 1 8 徐变度 由于缺乏试验资料，根据朱伯芳编著的大体积混凝土温度应力与温度控制取材料的徐 变度如下： c ( f ，妒去( 0 2 3 + 2 1 1 6 r - 。 4 s ) i - e - o 3 0 ( , - r ) + ( o 5 2 + 0 8 8 4 v0 4 5 1 1 - eonos(f-001 7 , 0 】 丘 3 1 9 扬压力折减系数 扬压力折减系数取= o 4 ，位置距上游坝面6 o r e ；细石混凝土砌石的含石量4 5 。 3 1 1 0 大坝加高施工计划 挡水坝段施工计划表 表3 7 0 序号 高程施工日期序号高程施丁日期 l - 4 l5 - - 4 302 ( ) ( ) l9 1 2 0 0 l9 41 56 25 6 4 02 0 0 232 卜v 2 0 0 232 4 l z4 30 - 4 452 0 0 19 7 - - 2 0 0 l91 01 66 4 0 - - 6 552 0 0 23 2 7 2 0 0 2 1 33 0 1 6 河海大学工程硕士学位论文第三章坝体温度应力有限元仿真计算 3 4 45 - - 4 6 02 0 0 19 1 3 - - 2 0 0 191 61 76 5s 6 7 02 0 0 2 a 2 2 0 0 2 45 44 6 0 4 752 0 0 1 91 9 2 0 0 192 21 86 7 n 6 852 0 0 2 47 2 0 0 2 41 0 5 4 75 4 9 02 0 0 19 2 5 2 0 0 192 81 96 8s 7 0 02 0 0 2 41 3 2 0 0 2 41 6 64 9 0 5 052 ( 】0 1l o l 2 0 0 11 0 42 07 0 0 7 152 0 0 2 41 9 2 0 0 2 4 2 2 75 0 5 一一5 2 0 2 0 0 i1 07 - - 2 0 0 11 01 02 17 1s 7 30 2 0 0 2 42 5 2 0 0 2 42 8 8 5 2 0 5 352 【】o l1 01 3 一一2 0 0 1 【01 62 27 30 7 452 0 0 251 2 ( ) 0 25 4 95 35 5 5 02 0 0 1 | 01 9 - - 2 0 0 11 0 2 22 37 4 5 7 6 02 0 0 257 2 0 0 25 】0 】05 5 0 5 6 52 0 0 l 】0 2 5 - - 2 0 0 ll n 2 8 2 47 60 7 752 0 0 251 3 2 0 0 251 6 1 l5 65 5 802 0 0 l1 03 卜一2 0 0 ll i32 57 7s ，7 9 02 0 0 251 9 2 0 0 252 2 1 25 8 0 - - 5 952 0 0 1 1 i6 2 矾