（水工结构工程专业论文）严寒地区碾压混凝土重力坝设纵缝温控仿真分析.pdf

摘要 论文题目：严寒地区碾压混凝土重力坝设纵缝温控仿真分析 学科专业：水工结构工程 研究生： 指导教师： 郭磊 陈尧隆教授 摘要 签名： 签名： 碾压混凝土坝作为大体积混凝土结构，由于荷载因素或非荷载因素， 坝体可能会出现裂缝。温度、自重和水荷载作为其主要因素，对建筑物的 安全和使用等功能具有重要的影响。对于高碾压混凝土重力坝，由于坝体 基础部位沿上下游方向的尺寸很大，受施工设备、能力的限制，以及温度 应力和综合应力或地基特性等的要求，是否在坝体内部设置纵缝是一个有 争议的课题。本文主要研究在坝体设置纵缝对坝体应力的影响。 本文采用国际大型通用有限元软件a n s y s 与自主开发主体计算程序相 结合的办法来实现对坝体纵缝的仿真计算。对坝体的纵缝处采用接触单元 模型来模拟，根据热传导理论、弹性徐变理论、有限元理论及接触单元计 算原理，作者编制了能模拟接触单元的碾压混凝土坝温度场和温度应力场 三维有限元仿真计算程序。用三维有限元浮动网格法仿真程序来计算坝体 的温度场和温度应力场，用a n s y s 软件建立带有纵缝的重力坝模型，计算 自重和水荷载产生的应力，再把用程序得到的温度应力与a n s y s 软件计算 的自重应力和水荷载应力通过编制程序进行叠加得到综合应力。 本文通过分析纵缝对坝踵、上游面、坝体中心部位、坝趾、下游面的 温度应力以及综合应力的影响情况，总结出规律，得出一些具有应用价值 的结论，为实践工程中设计坝体纵缝和进一步的理论研究提供了一定的理 论依据。 关键词：严寒地区；碾压混凝土重力坝；纵缝；仿真分析；温度应力； 综合应力 一 里圭墨三查兰堑主兰堡垒查 一一 _ - - _ _ 一一一 t i t l e ：simu l a t i ona n a l y s isoft emp er a tur ec o nt r ol a b o u ts e t t i n gl o n g i t u d i n a lj o i n ti n t h es e v e r e c o l da r e ag r a v i t yd a m m a j o r = h y d r a u l i cs t r u c t u r ee n g i n e e r i n g n a m e ：l e ig u o s i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r = p r o f y a o l o n gc h e n s i g n a t u r e ： a b s t r a c t a st h em a s sc o n c r e t es t r u c t u r e ，r o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t ed a mm a y h a v ec r a c k sc a u s e db yl o a da n dn o n l o a d t h et h e r m a l ，d e a dl o a da n dw a t e r p r e s s u r ei st h em a i nc a u s eo ft h ec r a c ka n dt h e yh a v eg r e a ti n f l u e n c eo ns a f e t y a n dt h ef u n c t i o no fu s i n gt ot h eb u i l d i n g r e g a r d i n gh i g hr o l l e rc o m p a c t i o n c o n c r e t eg r a v i t yd a m ，b e c a u s et h eb a s i cp o s i t i o no fd a mb o d yi s v e r yl a r g e a i o n gt h es i z e o fv i s i t i n gt h ed i r e c t i o nf r o mh e a dt o f o o t ，r e s t r i c t e db y c o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t ，a b i l i t y ，t h er e q u e s t s o ft e m p e r a t u r es t r e s sa n d c o m b i n e ds t r e s so rt h eg r o u n dc h a r a c t e r i s t i ce t c ，d e v i s eal o n g i t u d i n a lj o i n to r n o ti sad i s p u t e dp r o b l e m t h i sa r t i c l em a i nr e s e a r c ht h es t r e s s i n f l u e n c eo f d e v i c el o n g i t u d i n a lj o i n tt od a m t h i sa r t i c l ea d o p tt h em e t h o dt h a t i n t e r n a t i o n a ll a r g e 。s c a l e s o f t w a r e a n s y so ff i n i t ee l e m e n ti nc o m m o nu s ec o m b i n e sw i t hs u b j e c tc a l c u l a t i o n p r o c e d u r eo fi n d e p e n d e n td e v e l o p m e n tt o r e a l i z et h ed a ml o n g i t u d i n a ljo i n t s i m u l a t i o nc o m p u t a t i o n t h ec o n t a c t i n ge l e m e n tm o d e li s u s e dt os i m u l a t i o n t h el o n g i t u d i n a lj o i n to ft h ed a m 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 y ，e l a s t l c c r e e dt h e o r y ，f i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n dc o n t a c t i n ge l e m e n tc a l c u l a t i o nt h e o r y ， t h e3 一df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o np r o g r a mf o rr c cd a mi s w o r k e do u tt o s i m u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h et h e r m a ls t r e s sf i e l do ft h er c cd a m w i t ht h el o n g i t u d i n a ljo i n t i nt h i sp a p e r ，t h e3 一d f i n i t e e l e m e n tr e l o c a t i n g m e s hm e t h o di su s e dt oc a l c u l a t et h et h e r m a ls t r e s sf i e l da n de s t a b l i s ht h e g r a v i t yd a mm o d e lw i t ht h ea n s y ss o f t w a r e ，c a l c u l a t et h es t r e s sp r o d u c e d w i t hd e a dl o a da n dw a t e rp r e s s u r e a n dt h e np l u st h ea b o v es t r e s sb yp r o g r a m w ew i l lo b t i o nt h ec o m b i n e ds t r e s s a b st r a g t t h i sa r t i c l ea n a l y z e dt h el o n g i t u d i n a lj o i n t si n f l u e n c et od a mh e e l ， u p s t r e a mf a c e ，d a mc e n t e rs p o t ，d a mt o e ，d o w n s t r e a mf a c et e m p e r a t u r es t r e s s a sw e l la st h ec o m b i n e ds t r e s sa n ds u m m a r i z et h el a w ，o b t a i n ss o m ev a l u e c o n c l u s i o n ，o f f e r e dc e r t a i nt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h et h i n gt h a td e s i g n e d t h ed a ml o n g i t u d i n a ljo i n ta n dt h ef u r t h e rf u n d a m e n t a lr e s e a r c h k e yw o r d s ：s e v e r ec o l da r e a ；r c cg r a v i t yd a m ；t h el o n g i t u d i n a ljo i n t ； s i m u l a t i o na n a l y s i s ；t h e r m a ls t r e s s ；c o m b i n e ds t r e s s u i 独创性声明 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研究的工 作和成果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：盘鑫一硝年弓月叫日 学位论文使甩授权声明 本人蔓f 勉在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索：2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权 论文作者签名：却碧压：导师签名 年乃叫 1 日 1 绪论 1 绪论 1 1 碾压混凝土坝及温度控制的研究 1 1 1 碾压混凝土坝的发展简史及现状 碾压混凝土筑坝技术是最近三十多年来发展起来的一项筑坝新技术。回顾碾压混凝土 坝的发展简史，可以看出碾压混凝土筑坝技术的发展速度是很快的。1 9 6 0 年碾压混凝土 首次使用于我国台湾石门坝的围堰上，作为其防渗体材料；1 9 7 0 年在美国加州阿西洛玛 ( a s i l o m a r ) 召开的“混凝土坝快速施工”会议上，加州大学拉斐尔( r a p h a e l ) 教授在 其论文“最佳条件的重力坝”首次正式提出碾压混凝土的概念；1 9 7 2 年，加农 ( r w c a n n o n ) 在美国加州召开的“混凝土坝快速施工 会议上提交了“用土料压实的方 法修建混凝土坝”的论文；1 9 7 4 年美国陆军工程师团在巴基斯坦的塔贝拉( t a r b e l a ) 工 程泄洪洞出口消力池修复工程中成功的采用了碾压混凝土，从而证明了碾压混凝土快速施 工的可行性；1 9 7 6 年在日本大川坝的上游围堰也使用了碾压混凝土。世界上第一座用碾 压混凝土筑坝的是在1 9 7 8 年9 月修建的日本岛地川坝，该坝高为8 9 m 的碾压混凝土重力 坝，于1 9 8 0 年建成；1 9 8 2 年美国陆军工程团仅用了不到5 个月时间建成了一座全碾压混 凝土坝柳溪坝( 坝高5 2 m ) ；随后世界上许多国家都相继开展了这个领域的研究工作， 碾压混凝土的筑坝技术已越来越得到世界各国坝工界的重视，并使用了该项技术筑坝。我 国自1 9 8 6 年建成第一座碾压混凝土坝( 福建坑1 3 坝) 以来，也大力研究发展该项技术。u 1 碾压混凝土筑坝技术改变了柱状浇筑的常规混凝土坝用振捣器插入混凝土振捣密实 的方法，而是用振动碾压机在层面振动碾压，大仓面碾压施工。碾压混凝土筑坝材料采用 超干硬性无坍落度混凝土，为使压实振动波易传到层底，每层上下部压实均匀，混凝土摊 铺碾压的层厚一般为3 0 厘米。碾压混凝土在成型条件、配合比的组分比例、高掺量混合 材料的应用以及凝聚结构等方面，都与常态混凝土有明显差别。 碾压混凝土重力坝是将常态混凝土坝的结构和碾压土石坝的施工技术等优点集中于 一体，该项新技术具有节省水泥、施工简便、缩短工期、造价低廉等优点。但是，由于碾- 压混凝土筑坝是采用通仓薄层浇筑方法，与传统的柱状浇筑方法有明显的区别，因此，在 水化热、散热条件和方式等方面与常态混凝土筑坝有重大差别。由于碾压混凝土单位体积 混凝土所用水泥用量比常态混凝土少，绝热温升也将较低，这是一个有利的条件。但碾压 混凝土坝不能像常态混凝土坝施工中柱状块浇筑所具有的那么大的散热表面积，这是温控 方面的不利条件。因此，由于筑坝方法的改变而引起的一系列关键技术问题需进行科技攻 关研究。坝越高，引起的相关技术问题越复杂，坝的高度体现了一个国家的综合科学技术 水平。2 1 随着对碾压混凝土筑坝技术研究的不断深入，目前已在全世界得到广泛应用，坝高也 西安理工大学硕士学位论文 在逐步提高。据统计，当前世界上已建及在建的坝高在1 0 0 米以上的碾压混凝土高坝共有 2 9 座。它们分别分布在8 个国家，以日本最多有1 2 座，中国次之有1 0 座，哥伦比亚再次之 有2 座，其它5 座分别在安哥拉、墨西哥、智利、阿尔及利亚和俄罗斯。在这2 9 座坝中， 最早建成的是日本的玉川坝，高l o o m ，1 9 9 0 年建成。我国2 0 0 1 年开工的龙滩坝计划分两 期建成。一期坝高1 9 2 m ，最终坝高2 1 6 m ，最近主张一次建成的呼声也比较高，原计划一 期将在2 0 0 9 年建成，将是迄今为止世界上最高的一座碾压混凝土重力坝3 1 。 1 1 2 碾压混凝土坝温度控制研究 碾压混凝土坝与常规混凝土坝在结构上同属于大体积混凝土。碾压混凝土与常规混凝 土存在相同之处，在其凝结硬化过程中也要产生水化热，因此也存在为防止发生温度裂缝 而应采取温控措施的问题。但由于碾压混凝土原材料、配合比、热学性能、物理力学性能、 结构型式、施工工艺等各个方面都与常规混凝土坝有所区别。所以为防止发生温度裂缝而 采取的措施当然也有不同之处。即使同是碾压混凝土筑坝方式，对温控工作的看法、作法 亦存在差异。美国的r c c 与日本的r c d 在结构设计、材料配比、筑坝施工方法上均有不同， 温控计算理论也有差异，导致温控措施不同。国内在这方面也存在着一些不一致的观点。 例如，有人认为碾压混凝土水泥用量减少，水化热较低，因而最大温度应力比较小，产生 温度裂缝的可能性亦减小。而另一些人的研究表明，实际情况并非总是如此，因为大体积 混凝土温度应力的大小不仅与水泥量有关，还与混凝土块体尺寸等因素以及可采用的降温 措施有效程度有关。碾压混凝土坝不设纵缝，不设或少设横缝，都会增大温度应力，加之 可采用的降温措施明显少于常规混凝土，如果温控措施再跟不上去的话，则有可能产生较 大温度应力而导致裂缝发生。在碾压混凝土坝问世初期，人们曾一度认为碾压混凝土坝己 不存在温度控制问题，国内外对碾压混凝土的温度应力和温度控制均不够重视，后经朱伯 芳院士与董福品高工的研究1 发现：( 1 ) 碾压混凝土虽具有水泥用量少、绝热温升相对较 低的优点，但因大量掺入粉煤灰，水化热散发推迟，而碾压混凝土上升速度快，施工中层 面散热不多，因此碾压混凝土中的水化热温升并不太低；( 2 ) 由于水泥用量较少，碾压混 凝土的徐变较小，极限拉伸变形也略低，故抗裂能力较低；( 3 ) 碾压混凝土浇筑仓面大， 块体长，在同样温差作用下，温度应力较大；( 4 ) 由于碾压混凝土用水量少，加冰十分困 难，其施工工艺要求一般不埋冷却水管，对削减水化热温升不利；( 5 ) 除水化热外，浇筑 温度高、寒潮、冬季低温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 影响基本相同。碾压混凝土仍然存在着温度控制问题。近年来一些已建的碾压混凝土坝也 确实发生了温度裂缝。可见，在碾压混凝土坝的设计和施工中，为了防止发生温度裂缝， 不可忽视温度控制工作。 朱伯芳院士研究认为柚? ，与常规混凝土坝相比，碾压混凝土重力坝，尤其是高坝， 其温度应力有它自己的一系列重要特点：( 1 ) 碾压混凝土重力坝在基岩面上一般要浇筑2 m 厚的常规混凝土，然后停歇2 个月左右以便进行基岩固结灌浆，这是典型的薄层长间歇， 最容易产生贯穿性裂缝。由于处于基础强约束区，这种裂缝很容易向上继续扩展，即使在 2 1 绪论 上面浇筑新混凝土时布设骑缝钢筋，也很难防止( 2 ) 碾压混凝土重力坝一般是通仓浇筑 的，不设置纵缝，有的甚至不埋设冷却水管，坝体内部温度降低很缓慢，在冬季低温和寒 潮袭击下，很容易出现裂缝，上游面容易产生劈头裂缝。由于浇筑块很长，基础温差和上 下层温差引起的应力都比柱状浇筑块大。另外，当坝体温度降至稳定温度时，坝体早已竣 工，自重、水压力与降温三种作用应该叠加，因此，在计算碾压混凝土重力坝温度应力时， 应模拟坝的施工过程，同时考虑温度、水压力与自重三种荷载作用进行仿真计算。 我国碾压混凝土坝设计导则中明确规定，碾压混凝土重力坝必须进行坝体温 度控制设计，提出温度控制标准及防止裂缝的措施，计算时应考虑施工条件，所用参数应 经试验确定。对中、小型工程，计算方法可参照混凝土坝重力坝设计规范 8 1 9 对大型 工程，宜采用有限元等数值分析方法进行温度及温度徐变应力的分析研究。 混凝土坝重力坝设计规范中也作了类似的规定，规定对高、中坝应进行防裂及温 度控制设计，提出防裂措施及温度控制标准。大型工程应采用有限元法进行温度场、温度 应力分析。规定碾压混凝土坝应针对其通仓、薄层、连续升高等施工工艺特点，进行防裂 及温度控制设计。 1 1 3 碾压混凝土坝的防裂措施 a 碾压混凝土坝防止裂缝的主要方法 为达到碾压混凝土坝的温度控制设计标准，需要采取一系列防裂措施l o j 。包括原 材料的选择、配合比的优化、降低混凝土出机口及入仓的温度、仓面的降温、混凝土的表 面防护、合理分缝分块等结构措施、合理安排施工进度和施工季节以及加强混凝土质量提 高其抗裂能力等。具体方法如下： ( 1 ) 根据温度应力计算及温控研究，确定合适的横缝间距是防裂措施之一。 ( 2 ) 碾压混凝土坝中不可避免地要设置孔洞，这些部位在收缩时产生应力集中或其它 原因导致拉裂。对于通仓浇筑的不设纵缝的碾压混凝土重力坝，其底孔超冷问题比常规柱 状法浇筑施工的混凝土重力坝更为严重。在施工期间，加强对底孔的保护，以防裂缝发生。 ( 3 ) 碾压混凝土重力坝，坝内不设纵缝，浇筑仓面大，有的甚至不埋设冷却水管，无 二期冷却，且一般的碾压混凝土坝靠近基岩部位，均要设计一定高度的常态混凝土垫层， 因而相对于柱状法浇筑的常态混凝土坝，其基础强约束区的高度要比常态混凝土坝高一 些。因此，这部分的温控要求特别严格，采用降低基础强约束区范围内的浇筑温度，选择 适宜的浇筑季节，采取表面保护措施等严格的温控措施。 ( 4 ) 提高碾压混凝土的抗裂能力，是防止裂缝的有效措施：工程实践表明，改进碾压 混凝土的施工工艺，提高施工质量，适当掺用外加剂，严格控制砂石级配，降低热强比， 是提高碾压混凝土抗裂能力，防止裂缝发生的经济而有效的措施。 ( 5 ) 碾压混凝土坝施工方案和进度的安排，对改善温度应力控制裂缝发生有一定的影 响。不同的开工日期相应有不同的坝体最大应力值，最佳开工日期取决于最高坝段基础约 西安理工大学硕士学位论文 束区的温度应力与开工后第一个夏季浇筑的基础混凝土的约束应力。 ( 6 ) 保温和养护措施是大体积混凝土结构防止裂缝的有效措施之一。由于碾压混凝土 重力坝通仓浇筑，有的甚至不埋设冷却水管，坝体内部温度降低缓慢，高坝要经过几十年 甚至更长的时间才能降至稳定温度。在漫长的降温过程中，尤其在冬季，坝体表面会出现 较大的拉应力，由于水平施工缝的层面结合强度较低，更容易产生水平裂缝。坝体的内外 温差不仅仅是发生在早期，而且在整个施工过程中都起控制作用。对碾压混凝土坝的表面 做好保温工作，以减小内外温差，是防止裂缝发生的有效措施之一。由于碾压混凝土掺加 了一定比例的粉煤灰，水泥用量较少，因此，早期强度较低，抵抗变形的能力差，如遇到 不利的温度和湿度变化就容易产生裂缝。加强早期养护防止发生早期表面裂缝，是防止碾 压混凝土坝发生裂缝的关键措施。 b 严寒地区碾压混凝土坝防裂特点 水工混凝土结构设计规范n 1 1 ( s l t1 9 1 9 6 ) 及水工建筑物抗冰冻设计规范1 2 1 ( s l 2 1 卜9 8 ) 中规定，最冷月平均气温低于- i 0 为严寒地区。最冷月平均气温高于一3 为 温和地区。最冷月平均气温在一1 0 与一3 之间为寒冷地区。 由于严寒地区年平均温度较低，大坝稳定温度也相对较低，较大的基础温差易引起基 础贯穿性裂缝。较大的气温年变化幅度、较大的昼夜温差和频繁的寒潮作用，极易引起混 凝土表面裂缝。严寒地区施工条件与温和地区不同。严寒地区大坝混凝土施工期一般为4 月至1 0 月份，每年1 0 月末至翌年4 月初冬季停止混凝土施工。这种冬季长间歇式施工方 式，在混凝土坝越冬层面附近，因较大的上下层温差和较大的内外温差，上下游表面附近 引起较大的拉应力集中，在越冬停浇面的项面中间部位引起较大的水平拉应力。为混凝土 的防裂带来较大困难。 文献【1 3 】从以下几个方面总结了严寒地区( 包括寒冷地区) 碾压混凝土坝的特点： ( 1 ) 年平均气温低。坝体内部混凝土散热慢，长期处于较高温度状态，冬季内外温差 较大，容易出现裂缝，对温度控制要求严。 ( 2 ) 碾压混凝土坝的裂缝容易引起渗漏。有的坝虽然渗漏量很小，但在冬季容易结冰， 一是影响美观，二是冰冻会引起下游坝面的破坏。 ( 3 ) 气温低，混凝土冻融破坏严重。如吉林的丰满溢流堰面和辽宁的参窝溢流堰面， 皆因冻融破坏而采取凿除重新浇筑钢筋混凝土的处理措施。 与常规混凝土坝不同的结构型式，不同的温控措施以及这种间歇式的施工方法和恶劣 的气候条件使严寒地区碾压混凝土坝具有独特的温度应力时空分布规律，更增加了碾压混 凝土坝温控与防裂难度。如何防止和减少坝体的温度裂缝是严寒地区修建碾压混凝土重力 坝面临的严峻课题。 4 1 绪论 1 2 混凝土坝分缝的发展 1 2 1 坝体分缝的理论发展 无论在国内或国外，有关混凝土坝坝体接缝的论著都是比较少见的。但是坝体接缝对 于混凝土坝，却是不可缺少的组成部分。一般认为在混凝土拱坝和重力坝的设计中，对于 坝形断面的选择，力学强度的计算，稳定要求的分析，建材性能的试验，钻探资料的研究， 坝基地质的处理等等技术问题，远比坝体接缝设计占有优越领先的重要地位，所以，有关 坝体接缝的专题论述，也就刊行不多。 二十世纪三十年代中，法国雷诺氏( a r e n a u d ) 对重力坝伸缩接缝的设计，有过较早的 报道。四十年代初期，美国坝工专家司蒂莱氏( b w s t e e l e ) 对美国重力坝的横向缝间距尺 寸，作了较多的调查统计和研究归纳，但仅限于四、五十年代以前美国所建的重力坝，坝 型既少，坝数不多，而且重点只涉及缝距的一个项目，很不全面。 二次大战以后，自1 9 4 8 年的第三届到1 9 7 9 年的第十三届国际大坝会议论文集中，随 着混凝土坝工的发展，坝体接缝问题逐渐被重视，有关坝体接缝设计与构造的论述，日渐 增多。尤其是最近三十多年来，对于接缝数目与施工进度、工程经济的关系，浇筑层高与 坝体开裂的影响，缝面键槽、和水平缝面处理以及坝缝止水设备效果等技术问题，均有较 多进展，充实了坝体接缝设计上和构造上的内容n 们。 1 2 2 坝体分缝在实践中应用的发展 自有混凝土坝之始，便存在有坝体接缝的设计和构造问题。因为混凝土坝在浇筑过程 中，有大量水化热发出，若不引导热量的散发，便会使坝体因胀缩而发生开裂，产生许多 裂隙。这些裂隙将在何处、何时发生以及裂隙发生后的分布情况和将来发展，不但难以预 测，而且一经发生便往往难以控制和补救。此外，由于坝基河槽的地形变化、基岩构造情 况、地质分布和岩性等往往因处理不当，引起坝体开裂。为了防止以上各种可能引起坝体 开裂，最早的坝工工程师便在坝体中设置各种人为的分缝。经过世界各国工程师广泛地采 用，并经过近1 0 0 年的实践经验证明，坝体分缝确属防止坝体开裂措施中行之有效的方法 之一。随着水坝建筑事业的发展，混凝土坝不但在数量上不断增加，而且坝身的高度也日 益增加。很早以前的坝高不过几米或十几米，但在二十世纪六十到八十年代，则建成有 2 8 5 m 高的瑞士大狄克逊混凝土重力坝。同时，坝体的混凝土方量也发生了惊人的增长， 在当初不过建造几千或几万立方米的坝，但到八十年代则有混凝土方量为9 1 2 1 0 4 m 的苏 联萨扬舒申斯克拱形重力坝。为了便于大体积混凝土坝的施工，国内、外均采用分段分块 分层的柱状浇筑方法，因此坝体接缝的设置，不但是防止坝体开裂的有效措施，而且还可 适应柱状施工的实际需要。所以，随着混凝土坝工的不断扩展，坝体分缝的重要性也日益 显著，同时分缝的类型也就逐渐增多。比如：在拱坝中的应力释放缝，碾压混凝土坝中的 诱导缝等。 5 西安理工大学硕士学位论文 1 3 混凝土重力坝分缝的类型 坝体分缝的种类，在混凝土重力坝中，一般包括三类：1 横缝2 纵缝3 水平缝k 1 5 | 。 重力坝的断面尺寸，一般都较大，特别是高坝更是如此。实际施工时常须分缝浇筑。 平行于河流的缝可以成为横缝，而平行于坝轴线方向的缝则成为纵缝。横缝和纵缝将坝体 分为许多较小的块子，以便进行浇筑。分缝的型式虽然很多，但其基本设计原则不外以下 三类：( 1 ) 施工条件的考虑分缝后的坝块尺寸须适合于现场的施工条件；( 2 ) 温度及收缩 应力的考虑一分缝后的坝块温度和收缩应力必须减低到许可的限度，以防止或限制开裂； ( 3 ) 枢纽布置上的考虑例如坝内式厂房布置中，坝体横缝的设计须与机组布置条件相适 应；又如要通过坝体导流时，布置分缝就应该考虑导流条件；坝内有某种埋藏式结构物或 坝体外形有重要变化等，也对分缝的设置有影响。 1 3 1 坝体横缝 根据实际工程的需求，横缝又可以分为以下几种n 4 1 5 ： a 贯穿横缝 贯穿横缝一般均做成永久性温度缝形式，常在悬臂式重力坝中应用。其宽度可在 0 2 2 0 厘米，缝间常以柔性填料充填，将相邻坝段完全分开，使成为互不牵连的独立 块体。对于整体式重力坝，横缝间不放填料，而是键槽，并敷设灌浆系统。对于铰接式重 力坝在横缝间设置键槽，但不进行灌浆。 b 局部横缝 凡横向缝面的延伸范围，不贯穿整个坝体断面的，均属于局部横缝。其缝面方向与贯 穿横缝相同，但有的缝面不向上延伸至坝顶而成为中断式横缝，有的缝面不向下伸至坝底， 而成为中断式横缝的另一种型式，但两者均自上游坝面贯穿至下游坝面。也有分缝在上下 游方向不贯穿，分缝深度仅达表面内一定距离。 c 宽缝 常将横缝在坝体内部扩大而成为宽缝，即做成为“宽缝重力坝”。但在上游或下游的 头部，相邻坝块仍应贴紧，并在缝间设置止水。 1 3 2 坝体纵缝 纵缝通常是一种临时性施工缝和温度缝，在最后须灌浆封顶。从结构上看，横缝的设 置并不会显著地影响重力坝的应力分布，而纵缝如不处理，是会引起显著的应力重分布的。 混凝土重力坝的纵向接缝是顺着坝顶轴线方向的铅直面，从河谷的左岸至右岸，并与 各横向接缝互成正交。 由于重力坝的横断面肥大，为了适应应力和施工的需要，在常态混凝土中纵缝一般是 不可少的，而且数目上往往有3 一- 4 道，甚至7 - 8 道。通过纵、横缝便可把各坝段分割为 许多柱状块体，以利浇筑和减弱约束及其散热。 6 1 绪论 从纵缝在坝体中的平面布置型式而言，可分为下列两种n 4 1 5 ： ( 1 ) 串通纵缝各坝段的纵缝都是连续串通的，从坝的左端直到右端，没有间断。此 种纵缝在坝体平面图上，对拱型的、直线的和折线的重力坝，分别是连续的弧线、直线和 折线。 ( 2 ) 错开纵缝相邻坝段的纵缝都是相互错开而不连续的。此种纵缝在坝体平面图上， 对拱型的、直线的和折线的重力坝，分别是断开的弧线、直线和折线。 从纵缝的宽度而言，可分为两种型式： ( 1 ) 狭式纵缝纵缝只是坝块冷却收缩后而张开的缝隙，此种狭缝使用最为广泛。 ( 2 ) 宽式纵缝纵缝宽度往往达2 一- 3 m ，待到适当时期再用收缩性小的混凝土填塞。 从纵缝在坝的横断面上延伸的范围而言，可分为三种型式： ( 1 ) 垂直纵缝纵缝自坝底向上延伸，直通至坝顶或坝的下游面为止。垂直纵缝( 或 称柱状浇筑法) 采用颇广，在美国、苏联、欧洲各国、日本、印度都用此法浇筑过高坝。 ( 2 ) 错开纵缝常称为错缝，纵缝自坝底向上非连续延伸，而是错开，也称为砌砖式 分缝。错缝多应用于中等或较低的坝中，前苏联的德聂伯水电站的拦河坝就是用错缝方式 施工的。 ( 3 ) 倾斜纵缝常称为斜缝，通常自坝底平行坝体下游面直通到上游面。斜缝出现的 较晚一些，我国的新安江拦河坝及日本的丸山坝曾采用这种型式。此外，如果要在已完成 坝体的下游面加厚加高，实际上也形成了斜缝。 此外，通仓浇筑发展也是很快的，以往只是应用在低坝上，近年来由于温度控制和施 工浇筑的水平以及碾压混凝土的应用，已能应用到1 4 0 m 以上的高坝了。 1 3 3 坝体水平缝 水平缝就是上下相邻两块间的施工接缝。缝面一般都做成水平，必要时，可具有很小 的斜角( 不能大于1 0 ：1 ，且应下游面较高) 。水平缝常为坝体中的一个薄弱面，要加强缝 面的抗剪和抗渗能力，常采用以下措施：( 1 ) 升高前对缝面进行细致的凿毛、冲洗，除去 表面不坚固部分，铺上砂浆，再继续浇筑；( 2 ) 在迎水面处加设一道阻水片；( 3 ) 缝面留键 槽，如分有纵缝，各坝块的水平缝应错开，不在同一高程；( 4 ) 在缝面上埋置大块石以提 高缝面粗糙度和抗剪能力n 钉。 1 4 混凝土重力坝纵缝研究现状及存在问题 1 4 1 混凝土重力坝纵缝研究现状 从结构上来看，纵缝将完整的断面切割为几块，会引起显著的应力重分布。所以一般 对纵缝必须进行灌浆处理。由于这些耗费巨大，需要强大的冷却容量，而且不能在坝体浇 筑后即行蓄水，对工程建设总的进度有影响。并且灌浆后也不能很好地保证坝的整体性。 基于这些影响，近二十年来，国内对纵缝进行不灌浆而采用并缝处理的措施进行了研究n 钉。 7 西安理工大学硕士学位论文 研究方法主要有模型试验法，在坝体内布置观察仪器，以及有限元计算法。研究的内容主 要有：垂直纵缝并缝不灌浆的坝体的结构应力分布性态，分析纵缝开度的位移情况，纵缝 对坝体位移的影响，对自重应力的影响，对水压力的应力的影响，对温度收缩应力的影响， 以及对结构自振频率的影响；并作了整体浇筑坝体，纵缝灌浆坝体，不灌浆坝体的三方面 的方案比较“7 1 盯。对于具体工程和试验各家较一致的结论是：混凝土重力坝采用纵缝不 灌浆并缝的措施是可行的。其中以文献m 1 叙述较具体和全面，具有代表性。 同时，也有少数几篇文章，提出了设置宽缝的观点：为了加速坝块天然冷却和避免纵 缝灌浆，宜采用设置宽缝的方法，把纵缝宽度增加到1 - 2 m 左右，在坝体冷却到预定的温 度时，用微膨胀混凝土回填这些宽缝k 2 1 | o 此外，通仓浇筑不设纵缝的措施应用实例逐渐增多。以往是应用于低坝，近年来由于 温度控制和施工浇筑水平的不断提高，已能应用到1 4 0 m 甚至更高的坝。特别是碾压混凝 土重力坝在百米以下不设纵缝，在国际上基本上取得了较一致的看法1 2 4 。 1 4 2 混凝土重力坝纵缝研究存在问题 就国内的资料来看，在纵缝研究方面，以下几方面的内容较少。 ( 1 ) 就纵缝并缝措施而言，对并缝后上部混凝土与不分缝整体浇筑后的同一部位的混 凝土应力、位移、变形进行比较分析的较少，进而从结构方面怎样具体确定并缝高程的合 理位置探讨的很少。 ( 2 ) 并缝后，缝面设键槽与不设键槽的情况进行比较分析的很少，研究分析键槽对坝 踵、坝趾的应力，和对坝体整体性程度的影响有多大，即敏感性如何，也研究的少。 ( 3 ) 混凝土重力坝坝体的温度对应力的影响是很大的，温度不仅在施工期产生重要作 用，而且在运行期也显著影响坝体应力，具体到某一大坝纵缝条数与间距对混凝土大坝的 温度应力影响的敏感性的研究和分析较少。 ( 4 ) 地基的温度在建坝前后的温度场是不同的，它同大体积混凝土坝体内部热量自然 散发一样，都需要一个较长的时间。若基岩的导热性能以及弹性模量较混凝土的差别大时 ( 特别是基岩的导热性能比混凝土的小，基岩的弹性模量比混凝土大) ，坝体、坝基的降 温的不同步，在坝内地基强约束区产生一定的拉应力。纵缝对此种情况产生的影响有多大， 研究的也较少。 此外，研究纵缝多在常态混凝土坝中，而在碾压混凝土坝中几乎没有几篇关于研究纵 缝的文章，其中的原因与碾压混凝土的特性及其坝的施工方法有很大的关系。 碾压混凝土以低热著称，具有水泥用量少、绝热温升低等优点，因其大量掺用粉煤灰， 水化热散发推迟嘲1 ，比常态混凝土浇筑块的平面尺寸相对要大一些。碾压混凝土坝的施 工工艺过程与碾压式土石坝相似，从混凝土拌和楼到浇筑区的运输，一般采用固定缆式起 重机、斜坡轨道，自卸汽车等，在浇筑现场采用自卸汽车运料，用推土机摊铺，用振动碾 压实。浇筑方法是以整个坝体水平断面为浇筑层。浇筑层厚度为3 0 或5 0 c m ，最大可达 1 绪论 l o o c m ，依振动碾的碾重与压实能力而定“ ，因此，碾压混凝土不同于常态混凝土的“分 块浇筑法”，而是分层大仓面碾压，坝体分缝( 特别是纵缝) 不利于发挥碾压混凝土的施 工优势。 。 但事实上，碾压混凝土坝也属于大体积混凝土结构，其产生温度应力的机理与常规混 凝土坝相同，经过认真研究碾压混凝土材料的特性和碾压混凝土坝的施工特点，人们发现 尽管碾压混凝土坝具有水泥用量少、绝热温升低，大量掺用粉煤灰，水化热散发推迟等优 点i 但碾压混凝土上升速度快，因而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，故抗裂能力较低，因此，碾压混凝土坝不容置 疑地也存在着温度应力问题，而温度应力与结构形式、气候条件、施工过程、材料特性等 多种因素有密切关系；尽管碾压混凝土使用通用机械，进行大仓面碾压施工是它的优势， 但随着建坝的高度越来越高，坝体上下游方向的长度就很大，混凝土的拌和能力和浇筑进 行强度以及大仓面浇筑引起的温度应力，这两方面的客观原因，对高碾压混凝土坝实施通 仓浇筑是个挑战性的问题。特别是在一些气候比较恶劣的地区，为了发挥碾压混凝土的通 仓浇筑的优势，在采用温控措施上的代价是很大的2 7 1 。 1 5 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 根据热传导理论、三维有限元理论和混凝土徐变理论，推导出三维温度场、温度 徐变应力场的有限元计算公式； ( 2 ) 推导模拟纵缝的三维接触单元有限元计算公式； ( 3 ) 学习a n s y s 建模技术及对接触单元的模拟，把前处理生成的单元和节点信息导入 a n s y s ，实现用接触单元对纵缝的模拟； ( 4 ) 用a n s y s 软件计算带有纵缝的重力坝的自重应力和水荷载应力，再用f o r t r a n 语 言编制程序将用程序得到的温度应力与a n s y s 软件计算的自重应力和水荷载应力进行叠 加得到综合应力； ( 5 ) 通过工程实例计算分析纵缝对坝体温度应力和综合应力的影响。 9 西安j 翌- r _ 大学硕士学位论文 2 大体积混凝土温度场和温度应力场三维有限元计算原理 2 1 三维有限元基本理论 取如图2 - 1 所示边长为2 的8 结点正6 面体单元为母单元，建立原点在单元形心的 局部坐标系( 亏，1 1 ， ) ，通过坐标变换，可得到曲面曲边的空间8 结点等参元 2 9 3 4 1 。坐标变 换关系式如式( 2 1 ) 所示。 8 x = n 。( 孝，r ，f ) 而 8 y = 艏，矽，f ) m ( 2 1 ) i = i 8 z = n j ( 孝，矽，f ) 毛 则单元的位移函数为： 8 u = n ；( 芎，t 1 ， ) u ； v = n i ( 专，1 1 ， o u n 式中n 为表面外法线方向。若表面是绝热的，有 翌：0 一= 钮 ( 3 ) 第三类边界条件 ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 假定经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度丁和气温之差成正比，即 一名= p ( t - 疋) ( 2 3 2 ) 式中：一混凝土表面的等效热交换系数( ( ，z 2 h ) ) ； 疋一环境温度( ) ；旯一混凝土的导热系数( k j ( m h ) 。 当表面放热系数趋于无限大，t = ，转化为第一类边界条件；当表面放热系 数= o ，_ 0 1 = 0 ，又转化为绝热边界条件哳1 。 2 3 温度场三维有限元计算公式 2 3 1 稳定温度场三维有限元计算公式 由热传导理论，稳定温度场t ( x ，y ，z ) 在区域r 内应满足拉普拉斯方程 3 s l ： 窑+ 窑+ 箕：o ( 2 3 3 ) 丽+ 萨+ 万2 0 ( 2 在第一类边界上满足：t = 瓦 在第三类边界上满足：入娑+ ( 丁一t o ) = 0 在绝热边界上满足：旯= 0 其中1 3 为表面放热系数，入为导热系数，n 为外法线方向，t a ，t b 为给定的边界温度。 将计算域离散为若干个8 结点空间实体等参元，取温度模式为： t = en ；t i = 【n 弦) c ( 2 3 4 ) 其中：n ；为形函数，t 为结点温度。 对( 2 3 3 ) 式在区域r 内应用加权余量法得： 班w i ( 筹+ 等+ 百a 2 t j d x 、曲a z = 。 泣3 5 ， 取权函数w 等于形函数n ；，并进行分部积分得： 班( 詈等+ 詈等+ 笔芸卜蛐一詈叩s = o 亿3 6 ， oi 叙a 】【钾钾a z 彘j 。 加 1 4 2 温度场及和温度应力场三维有限元计算原理 把罢= 喜挚；多= 喜挚；誓= 喜挚代入上式，8 分别取值，得到不 同的权值，并写成矩阵形式得： f f 陋，r 陋，弦y d v = f p 】r 竽出 ( 2 3 7 ) 。：。 - 。 o n 代入边界条件： 鼍= 鲁c 叼= 铷一喜叫= 鲁互一知m 。 亿3 8 ， 并对所有单元求和，得求解稳定温度场的方程为： 胪，r b 伽+ 孵【r 【k 弦) 。= 睁【】r 出 ( 2 3 9 ) o l 矗 j j o ， 式中： 阻】= 2 3 2 非稳定温度场三维有限元计算公式 根据热传导理论，三维非稳定温度场r ( x ，y ，z ，f ) 应满足下列偏微分方程及相应的 初始条件和边界条件 3 0 1