（水工结构工程专业论文）碾压混凝土坝防渗面板施工方案温度应力敏感性研究.pdf

独创性申明秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任论文作者签名：垃遐型峰月2 f 日保护知识产权申明本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。本人保证：发表或使用与本论文桐关的成果时署名单位仍然为西安理工大学，无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他手段复制保存本论文。( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用)论文作者签名：垫虫导师签名：摘要碾压混凝土坝防渗面板施工方案温度应力敏感性研究学科：水工结构工程答辩日期：狮审年 日；f 日导师：授摘要作者：扬波根据对国内外已建碾压混凝土坝的运行观测，总体来说碾压混凝土筑坝技术是成功的，但普遍都存在着渗漏问题。碾压混凝土坝渗漏问题会影响到大坝的耐久性、美观性和水库水量的流失。因此在碾压混凝十坝上游设置防渗面板是控制碾压混凝土坝渗漏的一个关键环节，而防渗效果则是防渗面板的价值所在。龙滩碾压混凝土重力坝采用钢筋混凝土面板作为防渗体。根据掌握的有关混凝土防渗面板裂缝的资料分析，导致混凝土面板产生裂缝的原因中，温度应力占有相当大的比重。温度应力与施工过程有着密切的联系，因此研究钢筋混凝土面板不同施工方案对面板温度场和温度应力的影响具有实际意义。本论文从热传导理论出发，推导出温度场和温度应力的有限单元法理论公式。采用浮动网格法，编制了钢筋混凝土面板施工期温度场和温度应力计算程序，所给出的算例表明算法是正确的，程序是可靠的。论文通过对龙滩碾压混凝土重力坝钢筋混凝土面板两种不同施工方案( 异步上升方案和同步上升方案) 面板的温度场和应力场的计算和分析，系统研究了两种不同施工方案对钢筋混凝土面板温度场和温度应力的影响。本论文在分析中，考虑了钢筋、混凝土分层浇筑、入仓温度、浇筑层厚、施工间歇、混凝土弹性模量变化j 水化热发散规律、外界气温等因素的变化及混凝土徐变和自生体积变形等因素对面板温度场和温度应力的影响。经过计算分析表明，钢筋混凝土面板异步上升方案的温度应力最大值要远小于同步上升方案的温度应力最大值，故认为应优先考虑异步施工方案。关键词：碾压混凝土重力坝钢筋混凝十防渗面板温度场温度应力场三维有根元同步上升异步上升西安理工大学硕士学位论文t h e r m a ls t r e s ss e n s i b i l i t yf o rc o n s t r u c t i o ns c h e m eo fm a j o r ：d a t eo ft u t o r ：a u t h o r ：i m p e r v i o u sf a c e - s l a bo fr c cd a mh y d r a u li cs t r u c t u r ee n g i n e e r i n ga c c o r d i n gt oo b s e r v a t i o n so fs o m ee x is t i n gr c cd a m sa th o m ea n da b r o a d ，t h er e dd a mc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g i e sa r es u c c e s s f u li ng e n e r a l ，b u tt h ep r o b i e m so fs e e p a g es t i l le x i s tt h e s ep r e b l e r o sd a m a g et h ed u r a b i l i t ya n da p p e a r a n c eo f r c cd a m sa n dl e a dt ot h ew a t e ro fr e s e r v o i r sr u no f f t h e r e f o r et h ei m p e r v i o u sf a c e s l a bs e to nu p s t r e a mf a c e o fd a mi sak e yt os e e p a g ec o n t r o lo fr c cd a m s a n dt h ev a l u eo fi m p e r v i o u sf a c e s l a biss h o w e db yt h ei m p e r v i o u se f f e c t t h er e i n f o r c e dc o n c r e t ef a c e s l a bisa d o p t e da si m p e r v i o u sb o d yb yl o n gt a n r c cd a m b a s e do nt h ea n a l y s i so f i n f o r n i a t i o na b o u tt h ec r a c k so fi m p e r v i o u sc o n c r e t ef a c e s l a bw h i c hh a sb e e ng r a s p e d ，t h e r m a ls t r e s sisi m p o r t a n to n ea m o n gm a n yr e a s o n sw h i c h c o n t r i b u t et ot h ec r a c k so fc o n c r e t ef a c e s l a bt h er e l a t i o nb e t w e e nt h et h e r m a ls t r e s sa n dc o n s t r u c t i o no p e r a t i o np r o c e d u r eisc l o s e s oi th a sp r a c t i c a lm e a n i n gt os t u d yt h ei n f l u e n c eo t d i f f e r e n tr e i n f o r c e dc o n c r e t ef a c e s l a bc o n s t r u c t i o ns c h e m e so nt 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 fr e i n f o r c e dc o n c r e t ef a c e s l a b b a s e do nt h eh e a tc o n d u c t i o nt h e o r y ，t h ef e at h e o r e t i c a lf o r m u l a so ft 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 sa r ed e d u c e di nt h i sp a p e r 3 - df i n i t ee l e m e n tf l o a t in gm e s hm e t h o di sa d o p t e da n dr e l e v a n tp r o g r a m sa r ec o m p i l e d 1 i摘要e x a m p l e sa r eg i v e na n dt h er e s u l tsh a v ep r o v e dt h em e t h o dist e a s n n a b lea n dt h ep r o g r a m sa r er e l i a b l et h r o u g hc a lcu a t n ga n da r i a l y z i n gt h et e m p e r a t u r ef ie 1da n dt h e r m a ls t r es sf ie l do ft w od l f f e r e n tc o n sl f u c t i o ns c h e m e so fl o n gt a nr c cd a m sr e i n io r c e dc o n cre tef a c es la h ，t h ep a p e rs t u d ie st h ei n f l u e n c eo ft h et w oc o n s t r u e t i o ns c h e m e s s y n c h r o n o u sr is ea n da s y n c h r o n o u sr is es c h e m e o nt h ete m p e r a t u r ef ie d a n dt h e r m a ls t r e ssf i e i do fr e l n f o r c e dc o n e r e t ef a c e s l a bi nt h ep a p e rn o to n ys u c hf a c t o t sa sr e i n f o r c l n gs t e e lb a r v a r i o u sp l a c i n gt e m p e r a t u r eo fc o n c r e t ei nc a s eo fl i f tp l a e e m e n ts ，l i f tt h c k n e s s ，t 【t i l ei n te r v a lb e t w e ee ll i f tst h ev a t i a t i o no fe l a s t i cm o d u le so fc o n c r e t e h e a to fh y d r a ti o n ，t h et e m p e r a t u r ec h a n g eso fe f v ir o e l m e n th u tt h ee f f e c to f c r e e pd e f o r m a t io f fa n da u t o g e n o u sv o i u m ec h a n g eo nt h et e m p e r a t u tef i e l da n dt h e r m a is t r e s sf l e l do f r e i n f o r e e dc o d e re tef a ce s l a ba r ec o n s i d e t e dc o m p ue a ti o na n da n a l ys isc o n c l u d et h a t t h et h e r m a ls t r e s so fa s y n c h r o n o u sr is es c h e m elsf a rs m a l l e rt h a nt h a to fs y n c h r o n o u sr i s es c h e m e ，s oa s y n c h r o n o u sr is es c h e m es h o uldb er e c o m m e n d e dk e yw o r d s ：r o l le dc o n c r e leg r a yl t vd a m ，jn 1 1 ) e r v i o u sr e i n f o r c e dc o n c r e t ef a c e “s1a b ，te m p e r a t u r efe 1d t h e r m a ls t r e s sf ie ld ，t h r e ed l i n e n s j o f ff i n i t ee le m e n ts y n c h r o n o u sr is e绪论1 绪论1 。1 碾压滋凝土坝的产生与发展由于在宽河谷坝址上，士石坝的施：e 设备和施工方法效率更高，逡份曼优予溪凝蓼3 ，蓑褥庄2 0 超纪5 0 年代裂8 0 年代匆，在毽赛范嘲内建成混凝土坝的数目下降。出于列混凝土坝减少的关注，美国坝工界在加利祸尼亚州阿西洛马组织了两次重要会议，第一次召开于1 9 7 0 年，题为混凝坝的抉速建设。篱= 二次召开予1 9 7 2 年，题为混凝：t = 坝的经济建设。注意到土石坝在安全性方面的弱点及其他弱点，参加阿西洛马会议的专家，和其他地方的专家都在探索一种兼有混凝土坝安全优点和石坝薤二 离效率熬颏型坝，终于在2 0 世纪6 0 年代翅至7 0 年代，搜碾压渴凝筑坝技术发震越来。碾压潦漾坝是从襁本上改革常规的大坝混凝土浇捣施工方法，采用水泥含量低的超干硬性混凝熟料，出土石坝采用的现代施_ i 机械和碾压设备实箍运料、通仓镇填、逐蜃鼹压固绪丽成麓瑷。与常绒淀凝主辗籀比，一般具有坝岿构造简单、水和模板用掇省、施工速腱快和工程造价低的特点m 。碾压混凝技术最早熄在1 9 6 0 年使用于我国台湾石门坝的嗣堰”1 ，俸黄其院渗体材料。其次蹩1 9 6 1 1 9 6 4 年意大剽黥1 7 2 m 离麓鬻尔酱格拉( a l p eg e r a ) 坝，阿尔普格拉坝所体现的思想是保持混凝士黛力坝传统横断面的同时，降低大体积混凝土浇筑单价，造价胯低部分跫逶过藏少瓣子璎落态帮灌凝中承滗戆含量纛达舞兹嘲。1 9 7 5 1 9 7 7 年巴基斯坦的塔贝拉( t a r b e l a ) 坝牲，溢洪邋岩基加固工程采用了碾压混凝土施工，其日平均浇筑量达到5 2 6 0 m 3 。1 9 7 6 年日本大川瑗上游霆疆瘸掇动碾压t 0 0 0 0 m 3 夔混骚主。在1 9 7 8 年以蔻，碾莲溅凝技术只用于像围堰这样臼勺临时性工程和结构的修复。h 。1 9 7 0 年蓑圜加州大学柏克利分校的龇斐尔( j m r a p h a e l ) 教授在“疆， 茺重力坝”论文中建议将五壤碾悉麓工方法g 翔到漫凝i 埂上，西安理工大学硕士学位论文以提高施工速度和节省水泥用量”。1 9 7 0 ：# 第1 0 届国际大坝会议上潘农( p a t o n ) 说：“如果将干贫混凝土用作重力坝的内部混凝土，就能修筑经济的大坝”。f o z f r 提出了碾压混凝上筑坝的概念5 ”。世界上第一座用振动碾碾压混凝土坝体筑坝的是1 9 7 8 年9 月在门本岛地川( s h i m a j i g a w a ) 坝n ”。该坝为高8 9 m 的碾压混凝土重力坝，体积3 1 7 0 0 m 3 ，于1 9 8 0 年建成。随后美国、澳大利亚、法国、前苏联、西班牙、巴西、摩洛哥、南非等国相继修筑了许多碾压混凝土坝。到1 9 9 8 年末为止，世界上已建成和正在施工的碾压混凝土坝2 0 9 座。中国4 0 座、日本3 6 座、美国2 9 座、西班牙2 1 座、巴西1 4 座、甫非1 3座和澳大利亚9 座，约占2 0 9 座的8 0 。这七个国家在碾压混凝土坝工建设方面居于世界领先地位”。现在，碾压混凝土筑坝已成为大坝建筑的主要技术之一。1 2 碾压混凝土坝( 材料) 的型式早期的碾压混凝土坝多采用低胶凝材料用量的贫浆碾压混凝土，从发展趋势来看，现在的碾压混凝土多采用高胶凝材料用量的富浆碾压混凝土 7 1 通常的碾压混凝土坝( 材料) 的型式有：( 1 ) 富浆碾压混凝土( 胶凝材料用量15 0 k g m 3 以上) ；l2 ) 胶凝材料中等用量的碾压混凝土( 胶凝材料用量1 0 0 1 4 9 k g m ) ：( 3 ) r c d 坝( r 本) ；( 4 ) 贫浆碾压混凝土( 胶凝材料用量低于9 9k g m 3 ) ；( 5 ) 新型硬填坝。截止到1 9 9 8 年底已建和在建的碾压混凝土坝中采用各种不同类型的碾压混凝土坝的比例为：( 1 ) 富浆碾压混凝土为4 5 2 ；( 2 ) 胶凝材料中等用量的碾压混凝上为2 3 2 ；绪论( 3 ) r c d 坝fr ；j 本) 为1 6 2 ：( 4 ) 贫浆碾压混凝土为1 2 5 1 5 ；( 5 ) 新型硬填坝为1 o 5 。从以上的统计可以看出，富浆碾压混凝土坝是世界上最流行的一种形式 7 1 一般来说，贫浆碾压混凝土坝适用于动荷载极小甚至跟本不存在或没有充足的活性掺和料资源的地区；r c d 是日本特有的一种形式“1 ，也是采用碾压混凝土材料，但对层缝的处理比较严格，并每隔1 5 m 设横向缝，主要针对日本的地震情况；新型硬填充坝的概念起始于1 9 9 2 年“1 ，其目的是设计一种即使在强烈动荷载作用下坝体横断面也不会产生拉应力的新坝型，其断面为_ = 三角形，上下游坝面的坡度火约都是o 5 ：l ( h v ) 。我国碾压混凝土坝从一开始就采用了高掺粉煤灰，少用水泥，以减少产生水化热，借以缩短温差，如石漫滩重力坝水泥用量为5 3k g m 3 ，汾河二库最低的水泥用量为5 7k g m 。1 3 大体积混凝土的温度应力1 3 1 大体积混凝土的概念关于大体积混凝土的概念，在国内外有许多不同的定义“”。美国混凝协会( a c i ) 规定的定义是：任何就地浇筑的混凝土，其尺寸之大必须采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度的控制减少丌裂，就为大体积混凝土。日本建筑学会标准( j a s s 5 ) 定义是：结构断面最小尺寸在8 0 c m以上；水化热引起的混凝土内最高温度与外界气温之差，预计超过2 5度的混凝土，称为大体积混凝土。我国国家标准混凝土质量控制标准) ) g b 5 0 1 6 4 - - 9 2 条文说明第4 、6 、5 条指出：“针对本标准的使用范围是工业与民用建筑普通混凝土，大体积混凝土一般指的是最小边长尺寸在1 m 以上的结构。”上海建设工程局深基础若干暂行规定中的定义是：当基础边西安理工大学硕士学位论文长大于2 0 m ，厚度夫于 m ，体积大于4 0 0 m 3 的现浇溉凝土，称为大体积混凝。宝钢工程建设时规定：任何体积的连续性现浇混凝土，当它的尺寸太到必须采取措施妥善处理所发生的温差，合理解决变形变化引起的应力，著有毖要涛裂缝牙震控翻到袋小程度，这耪王冕浇涅凝j 二为大体积混凝土。总之，对于大体积混凝还没有一个统一的定义。但凡属于大体积漫凝帮具有一些荚瓣黪薤；结褥簿实，混凝疑浇量夫，撼工技术上有特殊要求，水泥水化热使结构产生温度变形，应采取措施，尽可能地减小变形引起的裂缝开展。l 。3 。2 大钵获溪凝主熬特点大体积混凝土结构具有如下重要特点“1 ：( 1 ) 混凝是脆性材料，抗拉强度只有抗压强度的1 1 0 左右：拉伸变形瑟力积缀小，短翁翔载时豹强羧拉 孛交形哭畜( o ，6 0 ) l o ，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 ) 1 0 。( 2 ) 丈体稷浸凝缭旃新蘑足寸比较大，滢凝主浇蕊良恁，出了水泥的水化热，内部温度急剧上升，此时混凝土弹性模量很小，徐变较大，温升引起的压应力并不大；但在日后温度逐渐降低时，弹性模藿比较大，徐交较枣，在一定戆约象祭传下会产生稷当大抟拉应力。( 3 ) 大体积混凝土结构通常是暴露在外面的，表面与空气或水接触，一年中的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 ) 大体积混凝士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，含钢量怒极低的。在钢筋混凝结丰句中，拉应力主要由镪筋承挺，瀑凝土只承受压应力。在大涔襁混凝i ：结构内，由于没有配置钢筋如果出现了拉应力，就依靠绪论混凝土本身来承受。由于大体积混凝土结构的这些特点，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，对于自莺、水压力等外荷载，要傲到这一点般并不困难。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。实践证明，大多数大体积混凝土结构在施工期间即已开裂。因此，要求人们从更高的起点对大体积混凝土的温度应力问题进行研究，考虑了施工过程影响的温度应力仿真分析理论由此应运而生并逐渐推广应用。1 3 3 大体积混凝土的温度应力混凝土浇筑后，由于水化热作用，使坝块内部温度升高。由于混凝土为热的不良导体，因此其硬化过程中产生的热量绝大部分不能消散，被蕴藏于坝块内部。根据热传导定律，物体的热量传递与其最小尺寸的平方成反比，因此坝块越厚，水化热消散越慢。例如两侧暴露的双向散热的自由墙，当墙厚为1 5 c m 时，混凝土内部热量在3 6 小时内即可基本消散于大气中：1 s i n 墙厚时，同样的热量需一周才能散失：墙厚为1 5 m 时，储藏的热量需经2 年才能消散完毕 ij l l 。而分层浇筑的坝块在施工期主要由顶面散热，其散热速度比墙体还慢，因此混凝土水化热绝大部分残留在坝块内，且由于坝块需短间歇薄层连续上升，其平面尺寸又大，散热十分缓慢，积聚在坝块内的较高温度，往往依靠强迫冷却来散发。根据热传导理论，大体积混凝土温度，是由混凝土水化热、混凝土浇筑温度、混凝土导热系数、坝块尺寸与环境温度等条件共同确定的。因此，对同一坝块而言，除标号分区的影响外，内部温度主要与混凝土浇筑季节有关。夏季浇筑的混凝土，由于浇筑温度高，又受外界高气温倒灌及太阳辐射的影响，凶此其温度比冬季浇筑的混凝土要西安理工大学硕士学位论文高得多“”1 。另外，减少混凝土的水泥用量、通冷却水、降低混凝土浇筑温度、采用薄层浇筑、改善环境温度等都能有效的降低大体积混凝土内青j 温度。自由板或自由墙无应力温度场的条件是：当混凝土板受热j ：k f 盟h j ，体积将受热膨胀，混凝土体内，将不产生应力。大家知道自由温度变形只有满足下述条件时才能出现，即当板不和处于另一力学变形或温度变形的物体相联系，板体内各点的温度相同，即当板体的温度场呈均匀变化或板体的温度场呈线性变化。“”。”。除此之外，温度场如果按其它规律变化，或当所研究物体与其它物体发生联系，这些物体内，即将产生温度应力，它们不仅和物体的线膨张系数有关，而且和组成物体材料的物理力学性能( 变形模量e和泊松比u ) 与热学性能有关。在实际工程中，上述的两种条件事实上都是不能满足的，由于混凝土必须浇筑在基岩或老混凝土上，不但它们的初始温度条件不同，它们的物理力学性能也有差异 t g | o 混凝土的温度变形，在基岩面上要受基岩约束，因而要产生温度应力。在混凝土内部，先后浇筑的时问不同，散热条件和水泥用量不同等原因，混凝土内部将先后出现非线陛温度场分布，出现变形不一致的现象，因而在混凝土内部，也要产生温度应力。在基岩( 或老混凝土) 附近，基岩( 或老混凝士) 的约束影啊大，温度应力主要受基岩的约束条件控制，在脱离基岩的部位，主要受混凝土内部非线性温度场的约束条件控制，浇筑层面的表面裂缝，主要由水平方向的非线性温度场决定，垂直方向的裂缝，( 在脱离基岩约束区后) 主要由垂直方向的非线性温度场所造成。因此，减少约束条件，降低混凝土发热量是减少温度应力的主要措施，也是防止或减少严重危害裂缝发生和发展的主要措施。1 3 4 碾压混凝土坝的温度应力碾毋i 混凝土坝也属于大体积混凝上结构，因此其温度应力具有常态混凝土坝温度应力的一般特性。但由于碾压混凝土坝在材料和浇筑方法上又有不同于常态混凝上坝的地方，所以其温度应力也就带有自己的特性。由于碾压混凝土中均掺有大量粉煤灰，水泥用量大大减少，所以与常态混凝土相比，其绝热温升有相当程度的降低；此外，施工时分层厚度较小，似乎更有利于热量的散发。因而一部分工程技术人员曾一度认为碾压混凝土已不存在碾压混凝土已不存在温度控制问题，从而放松了对温度控制的注意“”。后来经过研究，发现碾压混凝土虽具有水泥用量少、绝热温升较低的优点，但因大量掺用粉煤灰，水化热数发推迟，而碾压混凝土上升温度快。因而使施工过程中层面散热不够。与常规混凝土相比，碾压混凝土的徐变较小，极限拉伸变形也略低。另外，除水化热外，季节温度的变化、寒潮等也是引起裂缝的重要原因，它们对碾压混凝土和常规混凝土的影响是基本相同的”1 。实践也证明了理论研究，国内外一些碾压混凝土结构产生了相当多的裂缝，如美国的米多福科坝( m i d d l ef o r k ) 、盖司维尔坝( g a l e s v i l l e ) 、温彻斯特坝( w i n c h e s t e r ) 澳大利亚的铜田坝( c o p p e rf i e l d ) 、法国的里约坝( r i o u ) 等“”。这些工程实践说明对碾压混凝土坝的温度应力和温度控制还是应该给予充分的重视，并有必要进行深入的研究“”1 。以下几个问题说明研究碾压混凝土坝温度场和温度应力场的重要性和必要性1 ：( 1 ) 碾压混凝土的抗裂能力与常态混凝土相近，如一些试验材料得到的极限拉伸值约为0 6 o ，9 1 0 一；( 2 ) 碾压混凝土的绝热温升虽有降低，但幅度并不大。虽然碾压混凝土浇筑层很薄，但因连续施工，时问间隔短，层面散热并不多，大部分水化热仍积聚在混凝土坝内部，形成相当高的温度；另外，大量掺用粉煤灰，水化热散发速度降低，不利于早期散热；( 3 ) 碾压混凝土通仓浇筑，不设纵缝，基础约束范围大，与柱状西安理工走学硕士学位论文块浇筑相比，在基础约束方面是不利的。1 4 碾压混凝土坝的防渗1 4 1 碾压混凝土坝设置防渗结构的必要性碾压混凝土的防渗，由实验室的实验认为其抗渗性不低于常态混凝土“1 ”1 。然而，实践证明，由于碾压混凝土的水泥用量小，混合料粘聚性差，使之密实性、均匀性差，加之碾压混凝上坝系全坝面薄层铺筑，层问结合不良，水平施工缝多，水平施工缝处理不合理，更使得碾压混凝土坝体渗漏严重”1 。如美国的柳溪坝( w 1 0 wc r e e k ) 、盖司维尔坝( g a l e s v l e ) 等“。”1 。通过坝体钻孔压水实验资料也表明碾压混凝土坝渗透系数较大，如美国的棚】溪坝的渗透系数变化范围在2l o 一1 l o c m s ，日本岛地川坝渗透系数为1 7 9 x1 0 c m s ，我国的沙溪口水电站丌关站挡土墙碾压混凝土的渗透系数一般为l o 一1 0 - 6 c r r g s ，而层面只有( 2 7 ) 1 0 。4 c m s ，属于严重透水混凝土“”。这浇明就目前的施工方法工艺水平，要靠碾压混凝土坝体自身来防渗是比较困难的，必须在坝的上游面单独设置集中防渗结构来控制坝体渗漏。1 4 2 碾压混凝土坝的主要防渗型式“4 “_ ”川目前，碾压混凝土坝的防渗型式主要有：( 1 ) 常态塑性混凝土防渗；( 2 ) 采用富胶结材料的碾压混凝土防渗；( 3 ) 采用混凝土预制板其内侧或坝面粘贴薄膜防渗：( 4 ) 沥青混合料防渗；( 5 ) 复合膨胀剂配制而成的补偿收缩混凝土面板防渗；( 6 ) 坝面喷涂合成橡胶防渗；( 7 ) 坝面喷混凝上或喷钢纤维混凝土防渗；绪论( 8 ) 钢丝网喷微膨胀水泥防渗；( 9 ) 坝面刷高分子材料形成薄膜防渗；( 1 0 ) 坝面渗浆混凝土和补缩渗浆混凝土防渗。1 4 3 碾压混凝土坝的防渗效果( 1 ) 常态塑性混凝土防渗，防渗效果好，同时还提高碾压混凝土的耐久性和抗冻性。但存在一些问题：结构复杂，需设常规混凝土的分缝和止水系统；结构缝之间常态混凝土比较薄，易产生劈头裂缝，诱导碾压混凝土产生裂缝，并逐渐向深部延伸：常态混凝土与碾压混凝土结合复杂，施工干扰大，同时施工进度受到限制，削弱了碾压混凝土的优越性；使坝体的碾压混凝土的! ：l f f 0 降低，成本增加“4 1 ”。”。”。( 2 ) 采用富胶结材料的碾压混凝土防渗，是用水泥用量略多的碾压混凝土和在层间铺筑一定范围的细骨料垫层作为防渗层，全断面碾压薄层铺筑连续上升。这种防渗结构施工简便，干扰少，机械化程度高，能有效地发挥碾压混凝土快速施工的优势“4 ”。但是单位胶凝材料用量大，投资增加，易产生裂缝，不能达到预期的防渗效果。( 3 ) 采用混凝土预制板其内侧或坝面粘贴薄膜防渗，是在碾压混凝土坝面铺贴高分子薄膜材料。目前，我国较为广泛采用的薄膜主要有：高密聚乙烯( h d p e ) 、聚乙稀( p e ) 和p v c 维涤复合薄膜等。薄膜防渗施工速度快，成本低，适应坝体变形，防渗效果好。但易受损和老化“6 2 ”。( 4 ) 沥青混合料防渗，是在碾压混凝土坝上游面和面板之间浇筑沥青砂浆或沥青混凝土作防渗层。沥青砂浆防渗性能好，延伸性强，可适应毫米级裂缝，速度快，干扰少，但施工复杂。( 5 ) 复合膨胀剂配制而成的补偿收缩混凝土面板防渗，是在坝上游面采用复合膨胀剂配置而成的补偿混凝土面板，扳厚一般采用0 0 i h( h 为水头) ，但板厚不小于o2 5 m 。补偿收缩混凝面板防渗效果好，施工速度快，于扰少，但施工养护不当易产生裂缝，影响防渗效果。西安理工丸举硕士学位论文( 6 ) 餐| 錾凑涂合袋橡胶麓渗，是在碾压溺凝主上游嚣喷涂高分子聚合物防水材料，以达到防渗的目的。目前，该法应用不多，主要作为辅助性防渗措施。( ) 坝瑟缕滋凝主或囔镄纾绫淀凝防渗，是在蔷逶骚压混凝中掺入水泥浆，经振捣而形成防渗体，具有商强度、高抗渗、商抗冻等特点并且与碾压漉凝土施工互不干扰。 。5 滋凝坝温度场及溢凄应力场豹研究方法1 。5 1 混凝土坝温度场的研究方法溅凝绥穆湛瘦瑟谤舅方法缎多，霹以扶不嚣囊凄给予羟缡。股分为五类方法。“。这五类方法是：( 1 ) 精确分析孵法：精确分析解法指的怒，以数学分析为基础求辫导热定解翊题，撵到震函数形式表示涎准确艇。赝溜精确分瓠解法，是指最后得到的函数形式的解在导热区域内每一点满足器热微分方程。若导热问题可以表示为比较简单的常微分方程的定解问题，则用分辑麟法比较或熬，求勰鲍方法巍比较多，擞鬻见懿是分离变量法，其它还有知拉普拉新变换法、嵇稀函数法等。( 2 ) 近似分析解法：近似分析解法得到的也是以函数形式表示的解，也楚一静连续黪瀑度分布。在整个求解送域内，就整体上灌足能量守瞧而言，这与精确分辑解是襁葡的。覆对区域内秘每一点丽言，两者得到的解只是近似相等。即精确分析解滋所得到函数形式在求解区域肉簿一点精确嫩满足原导热微分方程，聪近似分析解所褥到的函数重式在求解域囱繇一点处只楚j 疆儆兹满足琢导热微分方程。近经分析解法包括很多不同的求解方法，常见的有积分法。变分问题的各种近似解法也可看作怒近似分析解法。( 3 ) 鼗篷簿法：数蓬簿法慧一静噬离黢数学为基璐豹解洼。它所得到的结果是求解区域内有限个离散点上的温度值，只要离散点分布绪论的足够稠密，离散点上一系列的温度值就能近似的代表连续的温度分布。常见的数值解法有差分法、有限元法、边界元法和破开算子法。”。精确分析解法的主要优点是，整个求解过程中物理概念与逻辑推理都比较清晰，求解过程所依据的数学基础大都有严格的证明，求得的解精确可靠，能比较清楚的表示出各种因素( 如坐标、时间、各定解条件) 对温度分布的影响。由于这些优点，精确分析解的结果常作为近似分析解法，尤其是数值解法所得到的结果正确与否的种检验。它的缺点是只能用于求解比较简单的问题。与分析解法相对应的数值解法的优点是，它对实际问题有很大的适应性，例如对复杂的几何形状，变化的热物性等问题都能较好的给予解决。由于计算机技术的飞速发展，数值解法的求解速度和精度都的得到巨大的提高。( 4 ) 图解法和各种模拟热方法：图解法和各种模拟热方法在传热学的历史上都曾是求解导热问题的有效方法，但是现在它们的应用范围已曰益缩小“”。1 5 2 混凝土坝温度应力场的研究方法对混凝土温度应力分析的方法也可分为分析法和数值方法。实际工程结构往往比较复杂，目前主要采用有限单元法计算温度应力。有限单元法计算温度应力具有以下优点：( 1 ) 可以比较正确的计算温度场：( 2 ) 可以比较正确的反映基岩对温度场和应力场的影响：( 3 ) 可以计算各种复杂的几何形状的结构；( 4 ) 可以模拟施工过程和环境条件的变化过程，进行仿真计算。1 6 本文研究内容本文完成的工作主要有以下几个方面：( 1 ) 推导三维温度场、温度应力场计算有限元公式；( 2 ) 推导钢筋混凝土面板温度应力场计算有限元公式：( 3 ) 编写计算钢筋混凝土面板施工期温度场温度应力有限元程西安理工大学硕士学位论文序；( 4 ) 采用有限元程序模拟了异步上升方案和同步上升方案对面板温度场和应力场的影响；( 5 ) 研究了异步上升方案和同步上升方案对面板温度场和应力场的影响。计算原理及公式2 计算原理及公式2 1 温度场基本理论2 1 1 导热微分方程设有一均质各向问性的固体，从中取出无限小的六面体单元d x d y d z ，如图2 - - 1 所示“。z在单位时间内从左面咖出流入的热量为q r d y d z ，经右面流出的热量为g 。d y d z ，则流入的净热量为g = ( q 。一q 。胁d z( 2 - 1 1 )由固体热传导理论，热流量q ( 单位时间内通过单位面积的热量) 与温度梯度成正比，但热量方向与温度梯度方向相反，即q x ：一五墨( 2 1 2 )图2 一l 熟传导示意图式中：兄一导热系数( k j m h p ) ：明显，q ，是x 的函数，将q ，。展成泰勒级数并取前两项，得：一。+ 豢办卅f 婴+ 窘出 ( 2 - 1 - 3 ) o x础出一j于是，沿x 方向流入的净热量为：幺：五窑蚴出( 2 - i - 4 )o x 同理，沿y 方向和z 方向流入的净热量分别为：o y = 2 斋蚴出( 2 l _ 5 )x一一里墨墨三查兰翌主堂堡堡查一一_ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - 一q = ：五窑出方出( 2 - 1 6 )c 2 设由水泥水化热在单位时间内单位体积发出的热量为q ，则在体积出由y 垃内发出的热量为：q 出妙出在d 。时问内，此六面体温度升高所吸收的热量为c p 要d r d x d y d z“( 2 1 7 )( 2 1 8 )式中：f 一比热材l e g - 。c ) ；口一混凝土的密度，k g m3 ；r 一时间，h 。由热量的平衡原理，从外界流入的净热量与混凝土内部水化热之和必须等于混凝土温度升高所吸收的热量，即叩雾d 疵咖出= 丑( 窘+ 多+ 窘 + q 卜匆出d化简后，得均匀各向同性的固体导热方程：等= 口( 警+ 等十警卜暑瓦卸i 孑+ 矿十可厂万( 2 1 1 0j式中：口混凝土的导温系数( m2 肺) ，5 去，其中a 、“尸的含义与上述相同。由于水化热作用，在绝热条件下混凝土的温度上升速度为：塑：旦；塑( 2 一l 1 1 )e tc pc p式中：口混凝土的绝热温升，。c ；形一水泥用量，姆m3 ；h 一单位重量水泥在单位时间内放出的水化热根疣j 式( 2 - 1 1 1 ) ，导热方程可以改写为：计算愿理及公式塑：。f 塑+ 塑+ 空1 + 塑( 2 _ 1 1 2 )瓦列l 可+ 矿+ 可j + 瓦“。1 。2 1 2 温度场中的几个基本概念“1( 1 ) 稳定温度场：若温度场不随时矧变化，且混凝二匕，k 化热释放完毕 即筹_ o 、詈_ 0 ，舢( 2 - 1 - 1 2 ) 式得：塑+ 一o ：t + 塑：o( 2 1 1 3 )可+ 矿+ 可圳“一恻这种不随时间变化的温度场称为稳定温度场。( 2 ) 准稳定温度场：若温度场仅随时间变化，且水泥放热基本结束，即o o ：0 、a t _ 0 ，则由( 2 ，i 1 2 ) 式得：鲁= 口f 窘+ 窘+ 窘 ( 2 - 1 - 1 4 )瓦卸【萨+ 矿+ 可j这种仅随时间变化的温度场称为准稳定温度场。( 3 ) 非稳定温度场：若温度场不仅随时问变化，且混凝土水化热尚在释放，即掣o 、娶o ，即( 2 ，l 一1 2 ) 式，这种不但受混凝土水化热的影响，而且还随时间变化的温度场称为非稳定温度场。2 1 3 初始条件与边界条件热传导方程建立了物体的温度与时间、空间的一般关系，为了确定所需要的温度场，还必须知道初始条件和边界条件。初始条件为在物体内部初始瞬时( r = 0 ) 温度场的分布规律。边界条件包括周围介质与混凝土表面相互作用的规律及物体的几何形状。初始条件和边界条件合称为边值条件17 8 1 。( 1 ) 初始条件在初始瞬时，温度场是坐标( x y ，：) 的已知函数兀( x ，z ) ，即当r = 0时：西安理工大学硕士学位论文( 2 1 15 )在相当多的情况下，初始瞬时的温度分南可以认为是常数，即当f = 0时：t ( x ，y ，z ，0 ) = 瓦= 常数( 2 - l 1 6 )在混凝土浇筑块温度计算过程中，初始温度即为浇筑温度。( 2 ) 三类边界条件导热问题的边界条件，即固体表面与周围介质相互作用的规律，可以用以下三种形式给出。( a ) 第一、二、三类边界( b ) 第四类边界图2 2 温度边界条件示意图1 ) 第一类边界条件如图2 2 ( a ) 所示，第一类边界条件是指物体边界上的温度函数为已知，用公式表示为：t ( x ，y ，= ，f ) = 瓦1或( 2 1 1 7 )t ( x ，y ，：，f ) = g ，y ，互r ) j式中：l 一已知的表面温度( 常数) ，。c ；i ( x ，y ，z ，r ) 一表面温度函数( 随时间位置变化) 。如：混凝土与水接触，混凝土表面温度为水温。2 ) 第二类边界条件1 计算原理及公式如图2 2 ( a ) 所示蠲嚣已翘溺数，帮：o t一 ：一2q 咖霉托笫二类边界条件是指物体边界上的热流麓是时一五娑= 譬0 戊甜)o n( 2 ，1 1 8 )式中：旯一混凝土的导热系数，( k j ( m 2 h 6c ) ；g 。己知弱热流量( 鬻数) ，w m 2 ；g ( x ，y ，g ，f ) 一热流量函数。n 为表面外法线方向。若表颇是绝热的，则有：罂：0( 2 壬1 9 )3 ) 第三类边界条件如图2 - 2 ( a ) 所示，第三类边界条件是指经过物体表面的热流登与混凝表蘑温凄r 葶窭嗣鋈奔溪麓溢凄乏之繁麓正篦，帮：, - q t五 + p ( r t o ) = 0( 2 - 1 2 0 )o r 式中：夕一混凝表萄躬等效热交换系数( k j ( m2 h + 口) )一环辘温度( 此类边界裁示了固体与气体接触的传热条件。大多数边界为此类边界。4 ) 繁霆类选赛条l 譬如图2 - - 2 ( b ) 所示，第四类边界絷件是指当两种不同固体之间接触得非常好，在接触面上濑度和热流量都连续，即：是亟d 盱曼、竖洲互= 毛西安理工大学硕士学位论文可以直接作为接触问题，其中 、 ：分别为两种不同物质的导热系数。如果两固体之问接触不良时，此时温度是不连续的，互疋。假设接触缝之间的热容量可以忽略不计，由于接触面上的热流量保持平衡，因此边界条件如下：五。等= 旺一一)1 翻r “。a ia 乃_ = 。2 2 _ ( 2 1 2 2 )式中：尺，一因接触不良而产生的热阻，2 。c 。由( 2 - 1 1 7 ) 式至( 2 - 1 2 0 ) 的三类边界条件是相互联系的，属于实际工程中的“混合边值”问题，即第一、二、三类边界同时存在或其中两类边界同时存在。第一、二类边界都可以看作是第三类边界的特殊情况，在式( 2 - l - 2 0 ) 中，当表面放热系数趋于无限，7 1 = f ，转化为第一类边界条件；当表面放热系数= 0 ，= 0 ，又转化为第二类的绝d n热边界条件。2 ，2 三维有限元计算单元模型用有限元法对复杂结构进行分析，为了节省计算机内存、提高计算精度，一般选用空间8 结点等参数单元“”。本文即采用此种单元。薯= 1毫= 1( a ) 母单元( b ) 子单元图2 3 空间8 结点等参数单元计算原理及公式将8 结点_ i f 六面体单元作为母单元，通过坐标变换，就可以得到曲面曲边的空间8 结点等参元，如图2 3 所示。建立自然坐标系( 1 、q 、) ，源点在单元的形心，其坐标变换关系为sx = 。i 1y = 。掣：= 忙l则单元的位移函数为“= a r f ( 孝，7 7 ，f ) “v = n 。( 善，叩，f ) v ，w = n 艏，q f ) w( 2 2 2 )式中：“、v ，、和x ，、y ，、乏分别为结点j 的实际位移和坐标值。8 个结点统一的形函数表达式为：f2 i ( 1 + 品x 1 ) ( 1 + 厶) q = ! tr i 0 2r l i r l ，严j ( i = 1 , 2 ，8 )式中：毒、辊、六是结点i 在局部坐标系( 孝，1 7 ，f ) 中的坐标。空间问题的几何方程为：= 嘲。= e m )式中， b 、p ) 。分别为单元的几何矩阵和单元的结点位移列阵其中单元的几何矩阵 b 为：( 2 - 2 3 )( 2 2 4 )22(一 fff_叩节d f l卢，芦，；西安理工大学硕士学位论文【b ，卜盟oo蕊。盟08 n砂oa 如对形函数求导得no xa n砂8 no z0o n ,良o n ,出o= j 0a n0o n ,砂0 no x8 n西a na ”a na f其中形函数对局部坐标求导得l 百o n , = i 1 烈1 埔枞1 + 筹= 扣鹄甄k dl 等= 扣吲托叩，矩阵p 为坐标变换的雅可比矩阵 j =蹦a 孝o xa ，70 f出鸳出a 订急a fo n l鸳a la ”a a fo n 2鸳o n 2a 订a n 、a fy 1z ly 2z 2( 2 2 5 )( 2 2 6 )( 2 2 7 )( 2 2 8 )石xx巩一鸳巩一卸弧一西砂一西砂一却砂一西计算原理厦公式其逆矩阵p r 可按下式得到：= 高l ， +空间问题的物理方程为： 口) = 【d 。) = d 陋】p 。弹性矩阵 d 为： d = 百e 丽( 1 - , u )生1对称1 一“生生1l 一1 一，fooo 生2 ( 1 一)00000000由最小势能原理可得到如下方程：= 肌b 】 o i b k v k从式( 2 - 2 - 1 2 ) 可以看出单元刚度矩阵为式中 k “= m b 7 d j b d x d y d zt1 2 “2 ( 1 一)o 业2 ( 1 一)kj lk 12