（水利水电工程专业论文）公伯峡堆石坝面板温度应力及干缩应力问题研究.pdf

摘要 混凝土面板堆石坝筑坝技术是现代坝工建设领域取得的一项具有重大意义的技 术成就。这种新坝型目前己成为许多工程的首选坝型。但众所周知，混凝土面板的 防裂是混凝土面板堆石坝进一步发展的关键技术难题之一。大量工程实践经验表 明，面板的裂缝尤其是贯穿性裂缝的产生主要是由于温度应力和干缩应力引起的。 但目前国内外对面板温度应力和干缩应力问题的研究还没有引起足够的重视，或者 研究的深度还十分有限。 本文从公伯峡水电站混凝土面板的施工实际出发，以大坝标准剖面( 面板f 9 ) 及左岸坝段典型剖面( 面板f 3 6 ) 为研究对象，采用非线性有限元法，考虑面板施 工及运行的外界气候条件及面板混凝土在施工期的弹性模量、徐变度等随时间变化 的因素，针对各种可能的面板保温养护措施、旌工期间可能发生的较为不利的寒潮 和气温骤降等情况，模拟面板的实际施工过程及运行过程，分别进行了施工期及运 行期面板温度场和温度应力的全过程仿真分析；考虑面板施工的外界湿度条件，针 对各种可能的面板保湿养护措施，模拟面板的实际施工过程，进行了施工期面板湿 度场和干缩应力的全过程仿真分析。通过上述仿真分析，获得了公伯峡水电站面板 堆石坝面板温度场和湿度场以及温度应力和干缩应力的变化规律及分布特征。在此 基础上，建议并提出了相应的面板表面温控及湿控措施。 本文的研究成果不仅可为公伯峡水电站的面板温控和湿控防裂提供直接的技术 支持，具有较高的实用价值，而且对类似工程问题的解决具有重要的参考价值。 关键词：面板温度场湿度场温度应力干缩应力 a b s t r a c t t h e d a m m i n gt e c h n o l o g yo fc o n c r e t ef a c er o c k f i l ld a m si sas i g n i f i c a n tt e c l m o l o g ) ， a c h i e v e m e n ti nt h ef i e l do fm o d e m d a m e n 百n e e r i n gc o n s t r u c t i o n t h en e wt y p eo fd a n a h a sb e e nc h o i c ef o rm a n y e n g i n e e r i n g sp r e s e n t l y b u ti t i sw i d e l yk n o w nt h a tt h ec r a c k c o n t r 0 1o fc o n c r e t ef a c e - p l a t ei so n eo ft h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m sf o rt 1 1 e i n c r e a s i n g d e v e l o p i n go f c o n c r e t ef a c er o c k f i l ld a m s 。l a r g e q u a n t i t i e se n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e sf r o m p r a c t i c es h o wt h a tt h ee r a c ko ff a c e - p l a t e ，e s p e c i a l l yt h r o u g hc r a c km a i n l yt h a n k st o t e m p e r a t u r e s t r e s s e sa n d s h r i n k a g es t r e s s e s h o w e v e r , t h er e s e a r c hf o rt e m p e r a t u r e s t r e s s e sa n ds h r i n k a g es t r e s s e so f f a c e p l a t eh a v e n tb e e na t t a c h e dm u c hi m p o r t a n c et o ， o rd e e p n e s so f s t u d yh a ss i l l lb e e n1 i m i t e d b a s e do n 血ec o n s t r u c t i o np r a c t i c eo fc o n c r e t ef a c e p l a t ei ng o n g b o x i a t a k i n gt h e s t a n d a r ds e c t i o n ( f a c e p l a t ef 9 ) a n d t y p i c a ls e c t i o n ( f a c e p l a t ef 3 6 ) o nt h el e f tb a n ko f m o n o l i t ha s s a m p l e s ，a d o p t i n gn o n - l i n e a rf e m ，c o n s i d e r i n g t h eo u t s i d e t e m p e r a t u r e c o n d i t i o nd u r i n gt h ef a c e - p l a t ec o n s t r u c t i o na n dr u n n i n g a l s os e v e r a lf a c t o r st h a te l a s t i c m o d u l u sa n dc r e e ds t r e n g t ho f f a c e - p l a t ec o n c r e t ev a r i e sw i t ht i m ei nc o n s t r u c t i o nt i m e a i m i n ga ts u c hs i t u a t i o n sa sa 1 1k i n d so fp r o b a b l ei n s u l a t i n ga n dc o n s e r v i n gm e a s u r e sf o r f a c e p l a t e a n da d v e r s ec o l dw a v ea n da i rt e m p e r a t u r ep e l t i n gw h i c hp o s s i b l yo c c u r d u r i n gc o n s t r u c t i o n ，s i m u l a t i n g t h ep r a c t i c a lc o n s t r u c t i o na n dr u n n i n g p r o c e s s e so f f a c e p l a t e ，t h ep a p e rm a k e ss i m u l a t i o na n a l y s i s o ff a c e p l a t e t e m p e r a t u r e f i e l da n d s t r e s s e sf i e l dt h r o u g h o u t 廿l ec o n s t r u c t i o na n d n m n i n gc o u r s e s ；t a k i n gt h ee n v i r o n m e n t a l h n m i d i t y i nc o n s t r u c t i o nt i m ei n t o a c c o u n t t a r g e t i n g a t t y p e so fp o s s i b l eh u m i d i t y p r e s e r v a t i o na n dc o n s e r v a t i o nm e a s u r e so ff a c e p l a t e s i m u l a t i n gt h ea c t u a lc o n s t r u c t i o n c o u r s eo f f a c e p l a t e ，t h eh n m i d i t yf i e l da n ds h r i n k a g es t r e s s e so ff a c e p l a t ei sa n a l y z e d o nt h ew h o l et i m eb yt h em e a n so fs i m u l a t i o n b ys i m u l a t i o na n a l y s i sa b o v e m e n t i o n e d 、 v a r i a t i o nl a w sa n dd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e ro ff a c e p l a t et e m p e r a t u r ef i e l d ，h u m i d i t yf i e l d t e m p e r a t u r es t r e s s e s a n ds h r i n k a g es t r e s s e s i nt h eg o n g b o x i af a c er o c k 矗1 1d a ma r e o b t a i n e d o nt h eb a s i so ft h e k n o w l e d g e ，c o r r e s p o n d i n gt e m p e r a t u r e c o n t r o la n d h n m i d i t yc o n t r o lm e a s u r e sa r eg i v e n t h er e s e a r c hc o n e l u s i o np r o v i d e sd i r e c tt e c h n o l o g ys u p p o r t sf o rt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 a n dh u m i d i t yc o n t r o la n t i - c r a c k i n gf a c e p l a t e ，w i t hn o to n l yh i g h l ya p p l i e dv a l u e s ，b u t a l s oi m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u e sf o rs o l v i n gs i m i l a re n g i n e e r i n gp r o b l e m s k e y w o r d s ：f a c e p l a t et e m p e r a t u r ef i e l dh u m i d i t y f i e l d t e m p e r a t u r es t r e s s e s s h r i n k a g es t r e s s e s 独创性声明 本人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，也不包含为获得丞洼盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：孑翥卜 签字日期：功妒 年，。月少f i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼态堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学可咀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：孑名和 签字日期：叠印j 年i l 月歹日 鬻嘉翻年2 - - 月一f i签字目期：冽年月，罗 第一章概述 第一章概述 1 1 混凝土面板堆石坝技术的发展概况 现代混凝土面板堆石坝筑坝技术诞生于二十世纪6 0 年代，是现代坝工建 设领域取得的一项具有重大意义的技术成就。这种新坝型能够有效降低工程 造价和缩短工程建设周期，与传统堆石坝相比具有安全性好、工程量小、施 工方便、导流简化、工期短及造价低等优点。现已成为许多工程的首选坝型 【i ： 0 1 】 面板堆石坝的发展历史大致可分为三个阶段，即早期抛填堆石阶段、过 渡阶段和以堆石薄层碾压为特征的现代混凝土面板堆石坝阶段。 最早的面板堆石坝出现在美国西部，如1 8 6 9 年建成的高1 2 5 m 的 c h a t o w a r t h 坝，1 8 9 5 年建成的高5 4 m 的m o r e n a 坝，1 9 2 5 年建成的高8 4 m 的 d i x r i v e r 坝，1 9 3 1 年建成的l o o m 高的s a l ts p r i n g 坝等。这些坝的出现与 当时的采矿和淘金业有关，矿业需要水，矿工熟悉爆破技术，于是这种坝型 应运而生。最初采用木板防渗，后来逐渐为混凝土面板取代，以承受更高的 水压力。采用抛填堆石，辅以高压水冲实的简单施工工艺，堆石体密实性较 差，沉降和水平变位较大。正是由于这一原因，采用抛填方法旌工的堆石坝 仅适用于坝高较低的工程。随着坝高增高，堆石体沉降变形随之增大，混凝 土面板难以承受较大的变形，将会产生严重开裂，从而导致大量漏水。如美 国s a l ts p r i n g 坝坝高l o o m ，是当时世界上最高的堆石坝，蓄水后面板即发 生严重开裂和渗漏，致使该工程多年不能正常运用。由于上述问题的出现， 人们对混凝土面板堆石坝的安全性产生了怀疑，以至在这之后的较长时期内， 这种坝型的发展几乎处于停滞状态。 进入二十世纪6 0 年代，随着大型土石方施工机械，尤其是大型振动碾的 出现，为堆石坝筑坝技术的发展注入了新的活力。著名土力学家太沙基在1 9 6 0 年提出采用碾压堆石修筑面板坝的构想。他认为，碾压堆石变形很小，可以 改善面板坝混凝土面板的工作状况，因而可以建更高的面板坝，也允许使用 软弱的岩石。太沙基的这些论述对于混凝土面板堆石坝的再次兴起起了重要 的作用。从此，面板堆石坝堆石体的填筑施工，均采用薄层碾压的施工方法。 第一章概述 至1 9 6 5 年基本完成了由抛填堆石向碾压堆石的过渡。 堆石体经薄层碾压后，压缩性大为减小，在水荷载作用下的沉降变形较 小，解决了混凝土面板不能适应较大变形的难题，使面板的防渗效果有了保 证。如澳大利亚建于1 9 7 1 年的坝高1 1 0 m 的c e t h a n a 坝，哥伦比亚建于1 9 7 4 年的坝高1 4 0 m 的a l t oa a c h i c a y a 坝和巴西建于1 9 8 0 年的坝高1 6 0 m 的f o zd o a r i a 坝等，由于采用了薄层碾压填筑，漏水量小，运行性能良好。 混凝土面板堆石坝在技术和经济上的优越性，使得这种新坝型自二十世 纪6 0 年代以来在全世界范围内得到了广泛的应用。 我国是于二十世纪8 0 年代初期开始从国外引进混凝土面板堆石坝筑坝技 术的。1 9 8 5 年，我国开始建设第一座混凝土面板堆石坝湖北西北口大坝 ( 坝高9 5 m ) 。1 9 8 8 年辽宁关门山混凝土面板堆石坝( 坝高5 8 5 m ) 建成挡水。 到2 0 0 2 年底，已建和在建的混凝土面板堆石坝已达8 0 余座，其中坝高在1 0 0 m 以上的有1 2 座；运行中的天生桥一级坝高1 7 8 m 、浙江珊溪坝高1 3 0 m 、广东 高塘坝高i1 0 m ；正在建设中的贵州乌江洪家渡坝高1 8 2 3 m 、公伯峡坝高1 3 9 m 、 湖北清江水布垭坝高2 3 3 m 。计划建设的混凝土面板堆石坝更多，其中坝高在 i o o m 以上的约有2 0 座”“”。 与传统土石坝相比，混凝土面板堆石坝具有以下特点：( i ) 面板坝具有 良好的抗滑稳定性，从面板坝结构上看，坝体堆石全部在面板下游，整个堆 石重量及面板上部水重均起到抵抗水平水推力的作用；另一方面，薄层碾压 得到的高密实度的堆石体具有较高的抗剪强度，而且堆石体几乎不受渗透力 的影响。( 2 ) 面板坝具有良好的渗透稳定性，成层堆石在通过振动碾压后， 石块之间相互挤压、紧密接触，从而使堆石间产生很大的摩阻力，阻止岩块 的相对运动。( 3 ) 面板坝具有良好的抗震性，堆石体具有良好的排水性能， 一般处于无水状态，不会因地震形成空隙水压力：另外，高密实度的堆石体 在地震作用下产生的变形也很小。( 4 ) 堆石坝体能直接挡水或过水，从而大 大简化了坝体旋工导流渡汛的工程措施，可加快工程施工进度，降低临时工 程费用。( 5 ) 枢纽布置紧凑。与一般心墙坝或斜墙坝相比，面板坝坝坡陡， 坝底宽较小，这不仅使坝体填筑量减少，也使得输水建筑物和泄水建筑物长 度减小，枢纽布置紧凑。( 6 ) 面板坝施工受气候影响小，并且便于机械化施 工。不论雨季或冬季对堆石体的填筑施工均无太大影响；面板坝坝体结构简 单，各工序间施工干扰小，便于机械化施工，施工速度快。( 7 ) 适应性强。混 第一章概述 凝土面板堆石坝除可修建于一般气候地区外，还可修建于高气温地区( 4 0 0 c 以上) 及严寒地区( 一3 0 0 c 4 0 0 c ) ，适应于深山峡谷和丘陵平原的大流量河流， 也适应于各种各样的河谷形态。 由于混凝土面板堆石坝具有上述诸多优点，所以近年来在国内外获得了 广泛的推广和发展。特别在我国，虽然面板坝筑坝技术的引入较晚，但起点 高、发展迅猛。目前，我国在混凝土面板筑坝技术方面已跻身世界先进水平 行列，积累了较丰富的设计、施工和运行监测经验。而且，在混凝土面板堆 石坝设计理论和计算方法的研究方面也得到了迅速的发展，包括混凝土面板 坝二维、三维有限元分析在国内的一批科研成果的取得，对于混凝土面板堆 石坝筑坝技术的进一步发展起到了积极的促进作用。 随着混凝土面板堆石坝筑坝技术的发展，混凝土面板堆石坝越建越高、 工程规模越来越大已成为现代面板坝发展的基本趋势“”。 1 2 混凝土面板堆石坝技术研究的现状 1 2 1 研究现状及其成果 多年来，国内外关于混凝土面板堆石坝筑坝技术研究的重点主要集中在以 下几个方面： ( 1 ) 关于堆石体本构模型的研究 关于堆石体本构模型理论的系统研究工作，在国外已有3 0 多年的历史， 在我国也已有近2 0 年的历史。先后提出了数以百计的本构关系的数学模型， 但真正能够用于工程实际，为工程界所接受的却很少。目前我国在面板坝的 计算分析中，经常采用的有邓肯( d e n c a n ) 等人的e b 模型、沈珠江双屈服 面弹塑性模型及各种形式的k g 模型“。 ( 2 ) 关于堆石料参数的研究 其中包括堆石料试验方法的研究，原型观测基础上的堆石料材料参数反 馈分析等。在这方面，国内外均取得了不少有价值的且已被众多实际工程所 采用的研究成果”。 ( 3 ) 关于面板坝应力变形计算方法及其性态的研究 针对面板坝应力变形的有限元计算方法，不少学者进行了大量富有成效 的研究和探讨，提出了迭代法、增量法及迭代增量法等计算方法。 目前， 般认为中点增量法具有适应性强、精度高等优点，是面板坝应力变形计算 第一章概述 的较为适宜的计算方法。关于面板坝应力变形性态的研究，主要是结合各工 程大坝的具体布置设计、施工方案及材料试验成果等基础资料，基于上述本 构模型和计算方法，进行二维或三维有限元应力变形仿真计算，以获得各工 况下面板及堆石体的位移和应力。“”“”“。由于这些研究成果所揭示的面板 坝应力变形性态均是针对各具体工程的，尽管可以反映一些一般规律，但还 不能直接推广应用到其他工程“ 。 ( 4 ) 关于堆石坝动力变形特性的研究 其中包括堆石体动力分析模型研究、动力残余变形研究、动力破坏性态 研究及堆石坝抗震设计方法和抗震工程措施研究等。关于面板坝的动力分析 方法，目前国内外较常采用的是“等价线性分析法”。“。 ( 5 ) 关于面板坝新结构形式及断面优化设计方法的研究 近年来，国内外尤其是国内不少研究人员进行了面板坝采用改型断面、 断面优化设计方法等方面的探索性研究，均取得了一些初步的成果，但尚未 达到实际应用的程度。 ( 6 ) 关于面板坝施工新技术的研究 包括堆石碾压机械的研究、面板分期及一次性滑模浇施工方法的研究及 用挤压墙取代斜坡碾压的技术研究等，这些研究成果的取得，大大改善了面 板坝的施工条件和施工质量，提高了面板坝的施工技术水平”。 ( 7 ) 其它有关方面的研究 包括面板坝的渗流分析方法研究、边坡稳定分析方法研究等。由于面板 坝结构形式的特殊性，是否有必要以及如何进行上述内容的研究分析，目前 在国内外尚有各种不同的意见“3 。 1 2 。2 存在问题与不足 目前，国内外关于面板堆石坝筑坝技术研究还存在一定的不足，某些方 面还存在不少值得进一步研究的问题。例如，关于面板尤其是高面板堆石坝 面板应力变形的研究还不够全面和深入。这主要体现在： ( 1 ) 如上所述，面板堆石坝发展的一个基本趋势是越建越高。而随着面 板坝坝高的增大，就必然意味着混凝土面板沿坝坡长度越大，相应的面板厚 度就越大，这样面板在施工期和运用期的温度应力和干缩应力就将显著增大。 而国内关于面板堆石坝面板裂缝成因的不少研究成果已经表明”“”，混凝土面 板堆石坝面板的裂缝尤其是贯穿性裂缝的产生主要是由于温度应力和干缩应 第一章概述 力引起的。但在以往关于面板堆石坝应力变形的研究分析中，一般均认为面 板尺寸相对较小，所以将上述两种应力均予以忽略不计，这显然与面板坝尤 其是高面板坝的面板的实际应力变形情况不符。 ( 2 ) 在以往的面板坝应力变形研究分析中，一般均将混凝土面板视作为 弹性体，不考虑面板混凝土的徐变变形。大量试验结果证明，受加荷龄期与 加荷时间、荷载性质、湿度及水泥用量等诸多因素的影响，像面板这样的板 状构件混凝土其晚龄期加荷的最终徐变往往可以达到其弹性变形的l 3 倍。 因此，在进行面板应力变形的分析时，不考虑徐变变形显然是不合理的。 ( 3 ) 在目前关于面板堆石坝的研究成果中，对于面板与垫层之间接触面 的模拟及面板加筋的模拟等问题的研究还不够深入，尤其对于垫层和加筋对 面板温度应力和干缩应力的约束问题的研究基本未见报道。显然，对这些问 题的深入研究，无疑对获得合理而切合实际的1 i f f i 板应力变形结果是至关重要 的。 1 3 本文的研究目的和意义 本文拟充分考虑公伯峡水电站面板施工及运行的外界气候条件、施工条 件和运行条件，对面板施工期及运行期的温度场和温度应力、施工期的湿度 场和干缩应力进行全过程仿真分析，由此掌握公伯峡水电站堆石坝面板温度 场和湿度场、温度应力和干缩应力的变化及分布规律，从而为本电站面板的 温控和湿控防裂提供依据。因此，本文的研究成果无疑将为本电站的面板防 裂提供有力的技术支持，具有较高的实用价值；同时，对类似工程问题的解 决具有较高的参考价值。 1 4 本文的研究内容 本文主要进行以下几方面的研究： ( 1 ) 面板施工期及运行期的温度场和施正期的湿度场仿真分析，研究 上述各个时期面板的温度及湿度变化及分布规律； ( 2 ) 面板施工期及运行期的温度应力和施工期的干缩应力仿真分析，研 究上述各个时期面板温度应力及干缩应力的变化及分布规律； ( 3 ) 进行面板温控及湿控防裂措施的初步研究，分析在采用不同表面 保护及养护措施情况下面板温度场和湿度场及温度应力和干缩应 力的变化特点，建议并提出相应的面板表面保护及养护措施。 第二章公伯峡水电站概况及计算依据 第二章公伯峡水电站概况及计算依据 2 1 公伯峡水电站概况 2 1 1 公伯峡水电站枢纽布置 黄河公伯峡水电站位于青海省循化撤拉族自治县与化隆回族自治县交 界处，是黄河上游龙羊峡至青铜峡河段中，接龙羊峡、拉西瓦和李家峡之后的 第四个大型梯级电站。电站总库容6 2 0 亿m 3 ，总装机容量1 5 00 m w ，是一个以 发电为主、兼顾灌溉及供承的i 等大( 1 ) 型水电枢纽工程。枢纽建筑物由 大坝、引水发电系统及泄水系统三部分组成。枢纽建筑物平面布置见图2 1 。 大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高1 3 9 m ，坝顶高程2o l o m ，坝顶全长 4 2 9 m ，坝顶宽l o m ，坝顶上游侧设5 8 m 高的“l ”形混凝士防浪墙， 上游坝坡坡比1 ：l 。4 ，在1 9 4 0 m 高程以下的面板上游，加设顶宽l o m 、坡度 l ：2 的土石压坡体。钢筋混凝土面板顶端厚0 3 m ，底部最大计算厚度0 7 6 m 。 面板按坝体应力变形计算结果设置竖向缝，受拉区竖缝间距6 m ，受压区竖缝 问距1 2 m 。沿高程方向不设缝。这样，大坝混凝土面板共分为3 8 块，分缝长 度约5 0 0o 延珥，最大单块长度约2 1 9m 。面板混凝土标号为c 25 ，面板内配 置一层双向钢筋。下游坝坡设有l o m 宽的“之”字形上坝公路，下游局部坝 坡l ：1 5 - 1 ：1 4 ，综合坝坡l ：1 8 l 。坝址区主要岩石为云母石英片岩、片麻 岩及花岗岩，局部为角闪片岩，断裂构造较发育，但规模小，岩体相对比较 完整。大坝标准剖面见图2 - 2 ，左岸坝段典型剖面见图2 3 。 公伯峡水电站地处高原寒冷地区，具有典型大陆性气候特征。坝址以上 流域属寒湿类高山气候，一年之中夏秋短而冬季长，冬春季受北方冷高压的 控制，夏季则主要处于大陆热低压的范围内，盛行气流偏南，水汽含量较多。 坝址区多年平均气温为8 5 。c ，多年月平均最低气温为2 3 0 c ，多年月平均最 高气温为1 5 7 0 c ，年冻融循环次数为7 7 2 次。一年之中寒潮出现频繁，年 平均1 3 6 次，且全年各月均有出现，最大寒潮降温幅度1 4 2 。c ，同时又伴 随着大风，最大风速2 4 m s ，大风又加剧了气温骤降的冷击作用。坝址区年 降雨量仅为2 6 4 4 m + 而年蒸发量高达2 2 2 4 6 m m 。坝址区多年平均空气相列 湿度为5 4 。 殴咖稃癌牛嚣螭倒囊掣 【山匝 耳 豁 裂 阿 f f f i二、二= 、i j ， f 、始 i 宝 i l 苦 i i ：。i 囊 弓 j _ 粤f 凝 i ： 扩。- 鄞 l塾 封 而丽n i i j * 2 厅万i ， 蒯“p d 丁群 一蟮阻一丑陋蘼掣蠖髯k甲匝 丑忸 匣 # 型! z ! ! ! 生监 _ ；i = 百万硼 爨墅j ) f j t l f j o c 7 , 吖, p 盥 h 1 1 【f 7 - 诲 丛- ! 尘旦工垮 厂。两删才彳面 = 。塑i 坠! 工墅 d 百万j 亓，。彳砰 一ol辑阻一殂目雨剥球辱k碰幂过州山匝 型蚓删刘蚓刮 群 藕刊蚓副胬。 i 却 ； 摊 却近 。割 一 、刊i刘l叫，一引导刽二二 夕、 j 季引川 l 难 ， 一一，)o)_ 虱，n爿引川川。川j 塔恒叫繇踺嬷器 一 螺阻鼋隧 第二章 公伯峡水电站概况及计算依据 根据大坝面板施工单位陕西省水电工程局( 集团) 公司于2 0 0 2 年1 2 月编 制的公伯峡水电站混凝土面板堆石坝工程混凝土面板一次性施工技术研究 补充报告，面板施工时段选定为2 0 0 4 年4 月l 目6 月3 0 日，8 月中旬开始 蓄水，9 月初发电。面板混凝土施工采用分序跳仓、单块一次性滑模浇筑的旌 工方法，滑模平均滑升速度为1 5 m h 。 公伯峡面板堆石坝存在以下特点： ( 1 ) 公伯峡水电站地处高原寒冷地区，最低气温低，温变幅度大，气候 干燥，这样，在面板内产生的温度应力及干缩应力相应就十分显著。 ( 2 ) 同其它类似工程一样，公伯峡电站面板堆石坝的面板也采用常态混 凝土( c 2 5 ) 。虽然面板较薄，但因为常态混凝土水泥用量高、面板浇筑速度 快，一般面板内部最高温升仍可达2 0 。c 以上。另外，由于面板长度大且不设 永久水平缝，对这样的面板布置及施工情况，类似工程的研究表明，即使在 面板底部铺设沥青等软弱垫层以减少约束，一般仍可在温降和干缩时在面板 中产生较大的拉应力而导致裂缝的产生。 ( 3 ) 虽然在面板内配置了单层双向钢筋，但根据类似工程经验，面板中 配用钢筋一般只能起到限裂作用，使条数少而宽度大的裂缝分散成条数多而 宽度小的裂缝。但不能从根本上阻止裂缝的发生。 2 1 2 公伯峡面板堆石坝技术研究的现状及存在的不足 ( 1 ) 关于面板坝技术研究的现状 截止目前，围绕公伯峡面板堆石坝的技术难题，主要进行了或正在进行 如下几方面的研究工作： 坝体填筑料静动力特性试验研究； 坝体三维非线性有限元静、动力应力变形分析； 高趾墙稳定及应力变形有限元分析。 ( 2 ) 存在的不足 从本电站的大坝设计成果及上述研究工作开展情况来看，还未进行 过面板温控及湿控方面的研究工作，关于温控措旌( 方案) 也主要是针对电 站进水口坝段及电站厂房等大体积砼而提出的。 在上述关于坝体三维非线性有限元静、动力应力变形分析研究中， 将面板混凝土视作弹性体，未考虑温度应力及干缩应力，也未考虑面板混凝 第二章公伯峡水电站概况及计算依据 土的徐变变形。 2 2 计算依据 2 2 1 气象资料 公伯峡坝址区的气象资料采用坝址下游的循化县气象站统计资料，统计 年限为1 5 年( 即1 9 8 1 1 9 9 5 年) 。 ( 1 ) 气温资料 气温资料见表2 1 。 ( 2 ) 水温资料 水温资料见表2 2 。 表2 - 1 公伯峡气温资料表 单位：。c 月份l 234567891 0l l1 2年均 月平均 一；21 - 6471 071 461 741 97 1 9 61 4 9 94203 8 上句 一250 8891 41 6i2 08i 6 4j 22i 中旬 5 3 】021 361 71 9 71 91 4 40 32 638 一52 06 下旬 一4308i i 7i 53j 8 22 0 i1 8 51 3d 6 6 一日5 月平均 271 2 41 8d2 l42 4 12 622 6l2 0g1 6 49 44il ；7 月平均 831 051 38983 643他32 3 一8 2 一l44i 从表2 1 可以看出，公伯峡坝址区月平均气温在全年内基本上呈现周期 性的变化规律，7 月中下旬气温最高，元月中旬气温最低。 表2 - 2 公伯峡水温资料表 单位：。c 月 l234567 891 0l 】1 2 全年 份 月平 04449 61 3 51 6 41 8 41 8 31 5l 】o438o 492 ol 从表2 2 可以看出，公伯峡坝址区天然水温在全年内也基本上呈现周期 性的变化规律，7 月水温最高，元月水温最低。 第二章 公伯峡水电站概况及计算依据 ( 3 ) 地温资料 公伯峡坝址区多年平均地温为1 1 5 0 c 。 ( 4 ) 风力资料 公伯峡风力资料见表2 - 3 。 表2 - 3 公伯峡风力资料表 全 月份 123456 7891 01 11 2 芷 月平均 253 545d 43 93 7312 82 】 ：j4 风建m s 最太风魂 1 81 72 41 531 8151 62 4 m s 5 级风 1 52 32 52 21 71 62 2l ?2 3 4 口数 从表2 3 可以看出，公伯峡坝址区全年各月平均风速大致均在 2 1 4 5 m s 范围内，分布基本较为均衡；月平均最大风速为2 4 m s ，出现在 每年的4 月份。 ( 5 ) 寒潮资料 公伯峡历年平均寒潮次数及其最大降温幅度见表2 - 4 。 表2 4 公伯峡历年平均寒潮次数及其最大降温幅度表 月份 1234567891 0l l1 2全年 月平均 o 7o 9 142426080709 lo 14o 5o31 36 寒潮次数 寒潮品大 降温幅度9 11 2191l l ；1 4 2999 5l l51 227 21 4 2 从表2 4 可以看出，公伯峡坝址区全年各月均有寒潮发生，寒潮次数最 多的月份为5 月，最少的月份为1 2 月。寒潮最大降温发生在每年5 月，最大 降温为1 4 2 。c 。 ( 6 ) 日温差资料 公伯峡日温差资料及与龙羊峡、李家峡和拉西瓦工程资料的类比见表 第二章公伯峡水电站概况及计算依据 2 5 。从中可以看出，龙羊峡和拉西瓦电站的日温差情况较严重，而公伯峡日 温差情况与其上游的李家峡电站类似，但公伯峡每年有3 1 天出现最大日温差 2 0 。c 。总体来看，公伯峡日温差发生频率较高的为1 0 0 c 和1 5 。c 这两种情况。 表2 - 5 公、龙、李、拉工程曰温差资料表 同温差。c 1 01 6l 82 02 5 公伯峡d 2 5 81 4 43 1 龙羊峡d 3 0 92 0 81 3 2l l 李家峡d 2 7 71 4 6 拉西瓦d 1 9 01 1 72 9 8 ( 7 ) 冻融循环资料 公伯峡冻融循环资料及与龙羊峡工程资料的类比见表2 6 。 表2 - 6公伯峡及龙羊峡冻融循环资料表 月份l 234667891 0i i1 2全年 公伯峡 1 2 1 4t 82 7 1 07 306 4 l5 9】58 l7 7 2 冻融次数 龙羊峡 1 83 t i41 2 32 330 46 7 冻融次数 ( 8 ) 空气湿度资料 公伯峡空气湿度资料见表2 7 。 表2 - 7 公伯峡空气湿度资料表 垒 月份 l2 345678 g1 0l l1 2 拉 平均相对 湿度 4 44 44 65 9 6 56 26 35 95 25 d 从表2 7 可以看出，公伯峡坝址区天然水温在全年内也基本上呈现周期 第二章公伯峡水电站概况及计算依据 性的变化规律，7 月空气相对湿度最大，元月空气相对湿度最小。 2 2 2 面板混凝土热力学指标 根据国家电力公司西北勘测设计研究院工程科研实验院( 2 0 0 1 年8 月) 编制的公伯峡水电站工程混凝土配合比及其性能试验报告，面板混凝土采 用配合比编号为1 5 号的混凝土( 永登硅酸盐中热5 2 5 4 号水泥) ，设计标号为 c 2 5 w 1 2 f 2 0 0 。面板混凝土的热学性能试验结果见表2 8 。 表2 - 8面板混凝土热学性能试验结果表 设计水泥产地级水灰平均导温导热表面放线膨胀预测塌终 容重 标号及品种配比比热系数系数热系数系数绝热温刀 k g m 1k j 他c c m 2 hk 1 血h 。c l d d hc c1 06 。| c 。f c 2 5 w 1 2 f 2 0 0永登中热20 ，4 3 2 3 9 709 7 9 30 0 0 3 7 688 38 3 7 2l o0 54 2 7 2 ( 1 ) 面板混凝土绝热温升 按上述试验报告，面板混凝土的绝热温升式见式( 2 1 ) 。 曰= 4 2 7 1 7 t ( 2 0 3 5 4 + t 1 ( 2 ) 面板混凝土的弹性模量及泊松比 面板混凝土的弹性模量与龄期的关系曲线表达式见式( 2 2 ) 。 ( 2 1 ) e ( f ) = 3 3 2 2 ( 1 0 5 3 一o 1 4 8 5 7 ) 10 4 ( m p a )( 2 2 ) 面板混凝土的泊松比取0 1 7 。 2 2 3 面板混凝土湿度及干缩力学指标 由于缺乏公伯峡电站湿度及干缩物理力学指标的试验结果，因此湿度及 干缩应力计算时选用朱伯芳院士有关文献中建议的混凝土板的指标平均值 - 蜘 湿度扩散系数：f - 5 x l o 。6m 2 h 表面湿度交换系数：屏= 2 x 1 0 “m h 收缩系数：纰= 3 5 x 1 0 “ 第二章公伯峡水电站概况及计算依据 2 2 4 坝体其它材料及基岩的热和湿度物理力学指标 坝体垫层料、过渡料及堆石料和基岩，由于缺乏这些材料热和湿度方面 的试验成果，因此在其物理力学指标选用时，结合公伯峡电站这些材料的具 体情况，经分析后予以选取。 壁三! l 亘堡塑壁堑盐塞星堡皇茎墨坌堑 第三章面板温度场计算原理与结果分析 为了掌握面板施工期和运行期温度场的变化及分布规律，并为温度应力 的计算提供依据，首先进行面板温度场的计算与分析。 3 1 温度场计算原理 混凝土浇筑后，其温度场，( 墨儿z ，幻应满足下列热传导方程及相应的初 始条件和边界条件： 鲁钏爱+ 害十象，+ 鲁 ， 瓦钏暖+ 再十瓦+ 瓦 ( 3 1 ) 初始条件：，( i 且弓0 ) = 五( 五只功 边界条件： 第类边界条件：及f ) = ( ) ，( f ) 为已知温度变化 第二类边界条件： 一丑掣) ：z ( f ) ，鼻( f ) 为已知热流量变化。 若表面是绝热的，蜀有挈：0若表面是绝热的，则有二= 第三类边界条件：一旯擘) = 卢( r 一艺) ，乃为气温 式中， 为导热系数：a 为导温系数；r 为时问；口为表面放热系数；n 为表面法线方向；目为混凝土的绝热温升。 对平面问题，热传导方程简化为 罢：殍十孥) + 罢( 3 - 2 ) 瓦卸( 瓦十丙) + 瓦 2 j 将计算域离散为若干个4 结点等参元，则单元内任一点的温度可用形函 数插值表示为 第三章面板温度场计算原理与结果分析 则得 则 驰= 嘲_ 】m 。( 3 - 3 ) f 玎 柏孵 p4 ) 【万j 式中， 鼠 为单元几何矩阵。 同时，单元内任一点的温度变化速率也可用形函数插值表示为 a 丁 d f 4 ，挚： 掣( 3 - 5 )o z -d , g - 对热传导方程式( 3 - 2 ) 在平面域s 内应用伽列金方法并取权函数蟛= 州 删褰+ 塑a 2 y 1 ) + 去罡 a n l t a t a n i 、n ii 0 0 i + 瓦可厂i l 瓦 “= 1 , 2 ，3 ，4 ) 0f 3 - 6 1 将式( 3 - 7 ) 写成矩阵形式 肛九引协眼m 7 署拟+ m 帅，等幽 一n 7 鼍幽= 。 ( 3 p 卧 巧 巧 盟缸 盟砂 。言肖 一缸 订一砂 | | ， 出 1 p 置。 妙 叻 出、陋0 肛 册 翌眈 望鼢 第三章面板温度场计算原理与结果分析 对所有单元取和并计入边界条件 令 b t 7 1 b f ，以+ 鲁f 7 妒吲以1 盟a r 雎吲7 罢洲一等p 、p 9 ， 5 旧= 嘲i 蜘n 啪+ 鲁册协j m = m 8 = 剖j 】删l 嘲= 他盯筹出+ 等p 幽 则式( 3 9 ) 变为 8 5 。 旧p + c 警却) ( 3 - 1 0 ) 在时间域内离散化，采用线性插补函数，在时间域0 t t 内，式( 3 - 1 0 ) 中的结点温度 订及自由项 舟可表示为 ( 3 1 1 ) r 3 1 2 1 式中，o p ) = i l - - 7 z - ，( f ) = 云：f 力。和 刀- 分别表示t 2 。和t 2 血时刻 的结点温度；( p ) 。和 脚。分别表示t = o 和t = t 时刻的 脚值。 则 警可掣掣咿- j l t h 。j h 一1 圳1 i 咿 r o a r，j ( 3 _ 1 3 ) a f l a fa f lf 小巩j 初始结点温度 7 ) 是已知的，待求的是t = t 时的结点温度 刀，。由伽列金 0 1 砜3 心h 仞 刀，n0 删 m 力 力 0 o 眦 = 卜 n 印 第三章面板温度场计算原理与结果分析 公式，驭时间域权函数所( t ) = 川( t ) ，由式( 3 - 1 0 ) 得 扣，( 删唯，警却，卜。，4 ， 将式( 3 - 1 1 ) 、( 3 - 1 2 ) 和( 3 - 1 3 ) 代入式( 3 - 1 4 ) ，并经积分、化简和 整理后得 睁，+ 扣灿= 。+ 知) 一+ 扣h ( 3 1 5 ) 其中 7 c 。= 丁( f 。) ) 丁) ，= r ( r 。+ f ) ) 仞) 。= p ( r o ) ) 办，= p ( v 。+ a r ) 当= 0 时，初始条件与边界条件可能不协调。因而在第一个时段不能采 用加权余量法，而应采用直接差分法。 取娶：至三盈，代入式( 3 1 0 ) 得 d rf t u l r 。小 挈蝴( 3 - 1 6 ) 整理后得 旧+ 辨巩嘲+ 罢 砜 ( 3 _ 1 7 ) 3 2 有限元计算模型及计算方法 3 2 1 典型剖面的选取 ( 1 ) 面板混凝土浇筑施工安排及其特点 按照陕西省水电工程局( 集团) 公司于2 0 0 2 年1 2 月编制的公伯峡水 电站混凝土面板堆石坝工程混凝土面板一次性施工技术研究补充报告，面板 第三章面板温度场计算原理与结果分析 混凝土浇筑施工时段选定为2 0 0 4 年4 月1 日6 月3 0 同，8 月中旬水库丌始 蓄水，9 月初发电。面板混凝土施工采用分序跳仓、单块一次性滑模浇筑的施 工方法，滑模平均滑升速度为1 5 m h 。具体施工安排是，2 0 0 4 年4 月1 | = = | 5 月3 0 同，进行底端高程低于1 9 4 0 m 的面板5 2 7 块的混凝土浇筑，首先从第5 块面板开始依次跳仓，当i 序块浇筑后1 4 天左右，再进行i i 序块( 合槽块 或补空块) 的浇筑：2 0 0 4 年5 月2 6 日6 月1 3 日，进行底端高程高于1 9 4 0 m 盼面皈1 4 、2 8 3 8 块的混凝土浇筑。 从上述面板混凝土浇筑施工安排可以看出： a 每块面板是独立且一次性连续浇筑的，而且相邻块之间的浇筑时问 相差1 4 天左右。这样相邻面板块之间的温度及湿度的相互影响