（工程力学专业论文）改善高拱坝陡坡坝段应力集中的结构分缝形式研究.pdf

摘要 拱坝一般比较单薄，对外界气温和水温的变化比较敏感，坝内温度变化比较大。 由于三面都受到基岩的约束，温度变形时产生比较大的温度应力。工程实践表明，对 于高拱坝的陡坡坝段，因为体形较差，温度变形导致的应力集中问题普遍存在。如何 有效的解决高拱坝陡坡坝段的温度控制及防裂是工程中迫切需要解决的难题。工程上 通常采用结构分缝的措施来释放约束产生的温度应力，本文采取新的结构分缝，改善 应力分布，减少应力集中产生的不利影响，结合相应温控措施，达到整个坝体的安全 需求。 本文阐述了拱坝混凝土温度场和温度应力的有限元计算方法；详细介绍了拱坝裂 缝的危害及成因，以及相应的防裂措施。以溪落渡拱坝为研究背景，应用三维温度徐 变应力有限元程序，通过坝体不分缝和分缝的对比仿真计算，了解分缝形态和位置对 应力集中的削弱效果，论证陡坡坝段采用新的结构分缝的可行性。 在采用新的结构分缝的基础上以满足大坝安全需要为前提，对高拱坝陡坡坝段进 行必要的温控防裂研究( 考虑了跳仓浇筑、混凝土随时间变化的热学、力学参数，冷 却水管问距、冷却水温等对温度应力的影响，一期和二期冷却效果等) ，计算得出的 温控措施在实际工程中安全可行，同国内其它工程相比，相对经济、节省投资进一 步论证结构分缝形式的合理性，为拱坝陡坡坝段的安全经济设计和温控防裂提供依 据。 通过对实际工程中的这种新的结构分缝形式的仿真计算，研究总结出新的结构分 缝与温度应力之自j 的关系，揭示其作用机理。采用这种结构分缝，能够简化温控措施， 为解决高拱坝陡坡坝段的应力集中问题寻找到一条新的途径。 关键词：高拱坝陡坡坝段应力集中结构分缝仿真计算 a b s t r a c t g e n e r a l l yt h ea r c hd a m i st h i nr e l a t i v e l y , w h i c hi ss e n s i t i v et ot h ec h a n g eo fe x t e m a l t e m p e r a t u r e a n dw a t e r t e m p e r a t u r e f o rt h et e m p e r a t u r e c h a n g e i nt h ed a mi s c o r r e s p o n d i n g l yg r e a t ，t e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o nw i l lc a u s eq u i t eg r e a tt e m p e r a t u r es t r e s s b e c a u s et h r o es i d eo f t h ed a mw a sr e s t r i c t e db yr o c k 1 1 1 ep r o j e c tp r a c t i c ei n d i c a t e dt h a ti t s u n i v e r s a lt h a tt e m p e r a t u r ed e f o r m a t i o nc a u s e ss t r e s sc o n c e n t r a t i o ni nt h es t e e ps l o p ed a m s e c t i o n so f h i l g l la r c hd a mb e c a u s eo f t h e i rf o r mi i m i t a t i o n h o wt oc o n t r o lt e m p e r a t u r ea n d g u a r da g a i n s tt h ec r a c ko fh i g ha r c hd a ms t e e ps l o p ed a ms e c t i o ne f f e c t i v e l yi sad i f f i c u l t p r o b l e mw h i c hi su r g e n tt os o l v e i nt h ep r o j e c tt h em e a s u r eo fs t r u c t u r ej o i n t i n gw a s u s u a l l yu s e dt or e l e a s et e m p e r a t u r es t r e s sb yr e s t r i c t , t h r o u g ht a k i n gan e ws t r u c t u r e j o i n t i n gm t 捆t s u r e i nt h i sa r t i c l e , s t r e s sd i s t r i b u t i o ni s i m p r o v e da n dt h ea d v e r s ee f f e c t p r o d u c e db yt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o ni sr e d u c e d ，a n dc o m b i n i n gw i t ht h ec o r r e s p o n d i n g t e m p e r a t u r ec o n t r o lm e a s u r e s t h ee n t i r es e c u r i t yr e q u i r e m e n t so ft h ed a mo a nb c a c h i e v e d t 1 l i sa r t i c l ee l a b o r a t e da b o u tt h ea r c hd a mc o n c r e t et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e t e m p e r a t u r es t r e s s ，t h e ni n t r o d u c e dt h ec r a c kh a z a r da n dt h eo r i g i n a t i o n ，w e l la s c o r r e s p o n d i n gm e a s u r eg u a r da g a i n s tt h ec r a c ki nd e t a i l t a k i n gt h ex il u o d ua r c hd a m a st h eb a c k i n g , a p p l y i n gt h et h r e ed i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r ec r e e ps t r e s sf i n i t ee l e m e n t p r o c e d u r e , b ys i m u l a t i n ga n dc o m p u t i n gb o t hw h o l ea n dj o i n t e d ，p r o v i d e dw e a k e n i n g e f f e c to ft h ej o i n ts h a p ea n dt h ep o s i t i o nt ot h es t r e s sc o n c e n t r a t i o n ，p r o v e dt h ef e a s i b i l i t y o f t h en e ws t r u c t u r ei o i n t i n gu s e di nt h es t e e ps l o p ed a ms e c t i o n b a s e do nt h es t r u c t u r ej o i n t i n ga n dw i t ht h es a t i s f a c t i o no fd e g r e eo fs a f e t ya st h e r e c o n d i t i o n ，t e m p e r a t u r ec o n t r o lt ot h es t e e ps l o p ed a ms e c t i o no ft h eh i g ha r c hd a mh a s b e e nr e s e a r c h e d , t h ec o m p u t a t i o nh a sn o to n l yc o n s i d e r e dt h ei n f l u e n c ef a c t o rt ot h e t e m p e r a t u r es t r e s s ，s u c ha st h es e q u e n c ec o n s t r u c t i o nm e t h o d s ，t h ec o n c r e t eh e a ta n d m e c h a n i c sp a r a m e t e rc h a n g i n gw i mt h et i m e , t h ec o o l i n gw a t e rt u b es p a c i n g , t h ec o o l i n g w a t e rt e m p e r a t u r ea n ds oo n ，b u ta l s ot h ec o o l i n ge f f e c to fp r i m a r yc o o l i n ga n ds e c o n d a r y c o o l i n g , t h em e a s n r eo ft e m p e r a t u r ec o n t r o li ss a f ea n df e a s i b l ei nt h ea c t u a lp r o j e c ta n d m o r ee c o n o m i ct h a nt h eo t h e rp r o j e c t s ，w h i c hf u r t h e rd e m o n s t r a t et h er a t i o n a l i t yo ft h e s t r u c t u r ej o i n t i n ga n dp r o v i d et h eb a s i sf o rt h es u r e l ya n de c o n o m i c a l l yd e s i g na n d t e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 t h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y z i n gt h ea c t i v ew o r ks t a t u so ft h i sn e ws t r u c t u r ej o i n t i n gi n t h ea c t u a lp r o j e c t , w ec a nr e s e a r c ha n ds u m m a r i z et h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ej o i n ta n dt h e t e m p e r a t u r es t r e s s t h e no p e no u ti t sa c t i o nm e c h a n i s m 。n em 氍l s u 托o fs t r u c t u r ej o i n t i n g c a ns i m p l i f yt h et e m p e r a t u r ec o n t r o ln l e a s i l r 岱a n ds e e kan e ww a yt os o l v et h es t r e s s c o n c e n t r a t i o np r o b l e mo f t h es t e e ps l o p eo f h i g ha r c hd a ms e c t i o n k e y w o r d ：h i g ha r c hd a m ：s t e e ps l o p eo fd a ms e c t i o n ；s t r e s sc o n c e n t r a t i o n ：s t r u c t u r e j o i n t i n g ：s i m u l a t i o na n a l y s i s ； 学位论文独创性声明： 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 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加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过的研究成果。与我一同工作的同事 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。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：望丝 u 学位论文使用授权说明 2 胡年 | 月7 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ： 年月7 日 ?一 i l i f 海人学坝i 。学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 拱坝是一种既安全又经济的坝型，再加上其泄洪方便，抗震性能好等优点， 在国内外得到了广泛应用。目前国内外已建成了许多拱坝，其中坝高1 0 0 m 以上 的混凝土拱坝约有1 6 0 座，1 5 0 m 以上的约有5 7 座，2 0 0 m 以上的约有1 7 座。从拱 坝的发展趋势来看，拱坝的高度在不断地增加，我国现在正准备兴建坝高3 0 0 m 级 的高拱坝( 如小湾拱坝2 9 2 m ，溪落渡拱坝2 7 8 m ，景屏拱坝3 0 5 m ) 。高拱坝的快 速发展也给拱坝的温控防裂提出了新的挑战。 拱坝一般比较单薄，对外界气温和水温的变化比较敏感，坝内温度变化比较 大，由于三面都受到基岩的约束，温度变形受到的外界约束比较大，不能自由伸 缩，当温度变形产生的拉应力大于混凝土抗拉强度时，便产生了裂缝。对于混 凝土高拱坝，尤其是陡坡坝段，由于体形较差，陡坡坝段受到基岩及相邻坝体 约束较大，加上混凝土内散发大量的水泥水化热，当坝体受到温度应力和混凝 土干缩等影响，很容易导致混凝土在坝尖和与陡坡相接触区域产生应力集中。 陡坡坝段温度变形导致的应力集中问题普遍性，长期以来一直是高拱坝设计的 难题。 合理的分缝分块能减少混凝土内 部的相互约束，释放内部应力。分缝 形式应该按照尽量避免应力集中和 减小温度应力的原则来进行。在以 往的工程中，陡坡坝段通常采用横缝 贯穿到底的结构形式，如图1 - 1 所示， 该结构形式在坝体与岸坡交界的区 域应力集中明显，尤其是坝段的底部 拉应力很大，往往超过混凝土允许的 抗拉强度而导致裂缝产生；也有的工 程采用如图卜2 的结构措施，应力集 中问题得到明显改善，但是在横缝直 角拐角处，应力集中仍然明显；为了更好的解决这一难点，本文在图1 - 2 的基 础上，试图通过改变横缝的结构形式( 如图1 - 3 所示) ，进一步改善应力状况， 避免产生裂缝。 第一帝绪论 圈卜2 1 2 拱坝的结构特点和发展概况 1 2 1 拱坝的分类 按照不同的分类原则，拱坝可以分为许多种类： ( 1 ) 按坝高划分。拱坝可分为：低坝，即坝高小于3 0 米的拱坝；中 坝，即坝高3 0 7 0 米的拱坝；高坝，即坝高7 0 2 0 0 米的拱坝；特高拱坝， 即坝高大于2 0 0 米的拱坝。 ( 2 ) 按水平拱圈的型式划分。拱坝可分为：单心圆拱坝；多心圆拱坝； 抛物线拱坝；椭圆线拱坝；对数螺旋线拱坝；双曲线拱坝；一般二 次曲线拱坝等。 ( 3 ) 按拱厚划分。拱坝可分为：薄拱坝，厚高比( 坝底宽比最大坝高) 小于0 2 ；中厚拱坝，厚高比在o 2 和0 3 5 之间；厚拱坝，厚高比大于o 3 5 。 c 4 ) 按中心角和半径沿高度变化与否划分。拱坝可分为：定心定径拱坝； 等角拱坝；变角变径拱坝。 ( 5 ) 按拱坝垂直向有无曲率划分。拱坝可分为：单曲拱坝；双曲拱坝。 1 2 2 拱坝的结构特点 拱坝是主要的坝型之一，以体型优美、结构合理，承载能力强而著称。在 狭窄河谷建造水坝，拱坝是一种即经济又安全的坝型，对于高坝，拱坝的优势 尤为明显啪。 拱坝的外荷载主要通过坝体拱的作用传递到坝肩岩体，部分通过坝体悬臂 梁的作用传至坝基，靠两岸坝头岩体维持稳定，作用于坝肩和基础的主要是压应 i i l i 海人学颅l 擘位论文 力，而岩石的抗压强度一般都是比较高的：同时坝头的稳定与坝体体积无直接联 系，因而可以做得较薄，能充分发挥坝体材料( 混凝土或砌石) 抗压性能好的特 点，从而可节省材料。拱坝的稳定性主要依靠坝肩岩体维持，不像重力坝那样 主要依靠自重维持，因此，拱坝体积一般较重力坝小得多，在坝址、坝高条件 相同的情况下，拱坝体积可为重力坝的1 1 5 1 2 ，其坝体工程量一般只有重力 坝的5 0 或更少，拱坝所需的坝体混凝土为重力坝的1 3 2 3 ，特别是当薄拱 坝与重力坝相比时，坝体工程量常可节省2 3 以上。 拱坝通常属周边嵌固的高次超静定结构，当外荷载增大或坝的某一部位因 拉应力过大而发生局部开裂时，能调整拱作用和梁作用及其荷载分配，进行坝 内应力重分配，不致使坝丧失全部承载能力。国内外拱坝结构模型破坏试验表 明：混凝土拱坝的超载能力可达设计荷载的5 1 1 倍。1 。拱坝在合适的地形地质 条件下具有很强的超载能力，也具有很好的抗震性能及抵御意外洪水和涌浪翻 坝的能力。裂缝对于拱坝的威胁不像其他坝型那样严重，拱坝水平裂缝中的扬 压力只会降低坝体悬臂梁的作用，但一般拱坝都是以独立的水平拱进行一设计 的，悬臂的结构作用只作为一种安全裕度。铅直裂缝会使拱圈未开裂部分的应 力增加，原来的拱圈变成具有更小曲率半径的拱圈，坝内应力重分配，成为无 拉应力的有效拱。所以按结构的观点，拱坝坝面允许局部开裂。在两岸有坚固 岩体支撑的条件下，坝的破坏主要取决于压应力是否超过筑坝材料的强度极限。 一般混凝土均有一定的塑性和徐变特性，在局部应力特大的部位，变形受限制 的情况下，经过一段时间，混凝土的徐变变形增大，弹性变形减小，从而这些 特大应力有所降低。 拱坝的体型特点和工作原理与重力坝不同，渗透压力与重力等作用荷载的 影响要比在重力坝中小，温度变化和坝体混凝土收缩上升为主要荷载之一。在 重力坝内，温降引起拉应力，温升引起压应力，拱坝的中面在空问是曲面，不 但温降引起拉应力，温升也引起拉应力。对拱圈来说，温升在两端下游面和拱 冠上游面引起拉应力，从坝的整体来说，温升时，梁被推向上游变位，在坝体 下部下游面会引起拉应力。对于拱坝，不但要控制施工期的温度，还要控制达 到封拱温度的温度，不但要控制温降，也要控制温升。 综上所述，拱坝是一种坝身及基础工作条件好，超载能力极强的坝工结构， 有最可靠的抵御意外洪水和涌浪翻坝的能力，拱坝是事故率低和耐久性能够得 到保证的大坝，是安全性和经济性指标均佳的坝型之一。 1 2 3 国内外拱坝发展概况与趋向 人类修建拱坝具有悠久的历史。早在一、二千年以前，人们就已意识到拱 第一章绪论 结构有较强的拦蓄水流的能力，开始修建高十余米的圆筒形拱坝。十三年代末， 伊朗修建了一座高约6 0 米的砌石拱坝。到二十世纪初，美国已经开始修建较高 的拱坝如1 9 1 0 年建成的高9 9 米的巴菲罗比尔拱坝，在第一次世界大战以前，国 外1 5 m 高以上的拱坝只有约4 0 座。第一次世界大战后，拱坝逐渐被引进欧洲， 如1 9 2 0 年的瑞士蒙特萨文斯拱坝，采取了坝体竖线弯曲、水平拱为悬链曲线的 变截面体形。1 9 3 9 年意大利建成了高7 5 m ，设置垫座及周边缝的奥西列塔双曲 薄拱坝，对双曲拱坝建设起了很大的推动作用。1 9 3 6 年美国在试载法的基础上 建成第一座坝高超过2 0 0 米的鲍尔得重力拱坝。二次世界大战以后，拱坝有了 进一步发展，5 0 年代以后，西欧各国和同本修建了许多双曲拱坝，如意大利1 9 6 0 年所建的瓦扬特拱坝，1 9 6 8 年，美国建成的坝高1 8 5 米的莫西罗克拱坝，这一 时期，在拱坝体型、复杂坝基处理、坝顶溢流和坝内开孔泄洪等重大技术上有 了新的突破，从而使拱坝厚度减小，坝高加大，即使在比较宽阔的河谷上修建 拱坝也能体现其经济性。 进入7 0 年代，随着计算机技术的发展，有限单元法和优化设计技术的逐步 采用，使拱坝设计和计算周期大为缩短，设计方案更加经济合理。水工及结构 模型实验技术、混凝土施工技术、大坝安全监控技术的不断提高，也为拱坝的 工程技术发展和改进创造了条件。目前世界上己建成最高的拱坝是高达2 7 1 5 m 格鲁吉亚的英古里双曲拱坝。 中国有修建坝和拱桥的悠久历史，但是修建拱坝是近代才开始的，第一座 拱坝建造于1 9 2 7 年，福建厦门的上里浆砌石拱坝，坝高2 7 m 。5 0 年代以后我 国开始大规模修建拱坝。响洪甸重力拱坝是我国第一座高拱坝，坝商8 7 5 m 。 流溪河拱坝是我国第一座混凝土双曲拱坝，坝高7 8 m 。7 0 年代我国拱坝建设进 入高速发展期，据( w o r l dr e 舀s t e ro f d a m s ( 1 9 8 8 ) 统计，到1 9 8 8 年，全世界 共兴建高度1 5 m 以上的拱坝达1 5 9 2 座，其中我国有7 5 3 座，占4 7 3 ；又根据中国 大坝委员会的统计，截至1 9 9 8 年底，中国已建成高度3 0 m 以上的拱坝5 2 1 座。 其中包括高1 7 8 m 的龙羊峡拱坝，高2 4 0 m 的二滩拱坝” 1 。表卜1 0 1 给出了我 国建成的坝高1 0 0 米以上拱坝情况，表卜2 给出了我国在建的高2 0 0 m 以上的 高拱坝。我国拱坝的数量已占世界拱坝总数的一半，居世界首位。 4 j j 海人学颅i + 学位论立= 表卜l 我国已建成坝高1 0 0 米以上混凝士拱坝 名称坝型 坝高( m )总库容总装机容坝体混凝坝基岩石 ( 亿m 3 )量( 亿k w h )十( 万m 。) 正长玄武 二二滩 双曲拱坝 2 4 05 8 o3 3 0 0 4 1 3 石 花岗闪长 龙羊峡重力拱坝1 7 8“71 2 8 01 6 5 石 东风双曲拱坝1 6 2l o 2 52 5 l o4 3 石灰岩 东江双曲拱坝1 5 79 1 55 0 0l o o 花岗岩 混合斜长 李家峡_ 舣曲拱坝 1 6 51 6 52 0 0 01 2 0 岩 隔河岩重力拱坝 1 5 l 3 4 41 2 0 02 6 8 石灰岩 白山 重力拱坝 1 4 9 55 3 11 5 0 0 1 6 3混合岩 风滩 空腹重力拱坝 1 1 2 51 7 1 54 0 01 1 7 砂岩板岩 紧水滩双曲拱坝1 0 21 3 9 3 53 0 03 0 花岗斑岩 乌江渡重力拱坝 1 6 52 1 41 8 8 沙牌碾压混凝+ 拱坝1 3 2o 7 84 2 表1 2 我国在建的坝高2 0 0 u 以上的拱坝 名称坝型 坝高( m ) 总库容总装机容量坝体混凝 坝基岩石 ( 亿m 3 ) ( 亿k w h )土( 万m a ) 抛物线 小湾2 9 21 5 1 3 24 2 0 07 5 0 黑云花岗岩 双曲拱坝 对数螺线 拉西瓦2 5 0l o 5 63 7 2 02 5 3 花岗岩 双曲拱坝 构皮滩双曲拱坝2 3 2 56 4 72 枷3 4 6 石灰岩 抛物线 溪洛渡2 7 81 1 5 71 2 0 0 06 5 0 玄武岩 双曲拱坝 我国的水能资源蕴藏量丰富，其中大部水能资源集中在西南地区，至1 9 9 5 年，中国已建成8 30 0 0 多座水库，形成水库的大坝在数量位居世界各国之首“”。 随着国家西部大开发战略的逐步实施以及国家电力能源结构的调整，我国西部 ( 特别是西南地区) 的水电能源开发将更加得到重视“，西南地区有许多坝址适 合修建高拱坝，中国的拱坝建设正面临着一个崭新的机遇，小湾拱坝( 坝高2 9 2 米) 和溪落渡拱坝( 坝高2 7 8 米) ，锦屏一级等高拱坝( 坝高3 0 5 米) ，不仅坝 第一章绪论 高都在3 0 0 m 级，而且按坝身体积泄洪能力和装机容量来衡量，部位列世界最 前列。 1 3 拱坝混凝土温度场及应力场研究方法 1 3 1 温度场的研究方法 其研究方法一般可分为解析方法和近似方法两类。 ( 1 ) 理论解法 理论解法或解析方法目前主要用来求解边界条件比较简单的一维温度场， 常用的方法有分离变量法和拉普拉斯变换法，对于随时问而作简谐变化的准温 度场，还可以采用复变函数方法“2 ”1 。解析方法的理论根据是固体热传导 理论，对于具体的工程问题，可根据实际情况研究其边界条件和初始条件，然 后求得函数形式的解答。解析方法在验证数值方法的可靠性和精确性，了解温 度场的一般规律方面具有一定的使用价值，但该方法通常只能解决甚为简单的 问题，而实际工程遇到的问题大多数边界条件比较复杂，因此解析方法在实际 工程温度场的仿真计算方面应用价值不大。 ( 2 ) 近似方法 近似方法主要包括数值解法、图解法、电热模拟和水热模拟等。其中后面 几种方法近年来应用很少，因此近似方法主要指的是数值解法。数值解法根据 其计算原理的不同，又可分为差分法、边界元法和有限元法等。 差分法是一种古典的近似数值计算方法。它从微分方程出发，经过区域离 散化处理后，近似地用差分、差商来代替微分、微商，把对微分方程及其边界 条件的求解，归结为求解一个线性代数方程组。差分过程简单，计算量小，适 用于一些边界规则简单的低维问题，而对边界复杂、材料多样的多维问题则比 较困难。因此差分法在实际运用中常见用于浇筑层( 块) 的一维温度场计算”或 坝体内温度场的一维估算，偶尔也有用于坝体温度场的二维计算。另外，差分 解的收敛性及稳定性与差分网格的尺度、差分格式、计算步长等相关，因此需 运用边界元法来解决温度场的仿真计算问题还比较困难。目前对于比较复杂的 一维问题，主要用差分法求解，对于比较复杂的二维和三维问题，主要用有限 单元法求解。 ( 3 ) 边界元法 边界元法是2 0 世纪6 0 年代后发展起来的数值方法，它把微分方程及边界 条件以域内积分和边界积分的形式表达，然后对边界离散，将求解积分方程转 化为求解边界节点为未知量的线性方程组。边界元法最突出的特点是沿计算域 边界离散、使采用单元的微数降低，因而特别适用于均匀无限域或半无限域问 6 河海人学硕f ：学位论文 题：另外，边界元法还具有计算精度高、数据准备少等优点，用边界元法求解 非稳定温度场有三种方法“”： 拉氏积分变换法，即通过拉氏变换将导热方程转变为与时间无关的椭圆 方程，然后化为边界积分方程，但当边界条件随时间有复杂变化时，此方法不 再有效； 边界元一差分解法，即在空间域用边界元离散，在时间域用差分处理； 采用与时问有关的基本解。尽管在理论上已为用边界元计算混凝土坝非 稳定温度场作好了准备，但要用此方法模拟混凝土坝的施工过程及多种材料还 比较困难。 ( 4 ) 有限单元解法 有限元法是随着计算机的出现与普及而迅速发展起来的数值解法，现已渗 透到工程结构计算中的各个领域。有限元法把求解一定边值条件下的温度场转 化为求解一个泛函的极值问题，先把计算域离散为有限个单元，在单元内采用 一定插值函数，则单元内温度可近似由单元的节点温度插值得到，然后建立单 元结点温度的线性方程组，再解方程求解结点的温度值“”“”，用有限元法求解 非稳定温度场时，一般采用有限元一差分解法，即用有限元法离散空间域，用 差分法离散时间域。有限单元法易于适应不规则边界和多种介质混合域问题， 且易于在局部调整单元尺度以提高计算精度：目前在进行坝体温度场和应力场 的仿真计算中均采用有限元法，能有效地模拟坝体的整个施工过程和材料特性 参数随龄期的变化过程以及边界条件的变化过程，实现坝体在整个施工期和达 到封拱温度的仿真计算，是目前最为常用的计算方法。 1 3 1 温度应力场的研究方法 对混凝土温度应力的分析通常分为理论解析法、实用算法和数值计算方法。 ( 1 ) 理论算法 由于混凝土坝边界条件和坝内材料的复杂性，要求运用理论解析法来求解 满足所有条件的温度应力解答几乎是不可能的。 ( 2 ) 实用算法 实际工作中为了能简单快捷地估算出混凝上的温度应力，采用了一些简化 后的实用算法。 实用算法主要包括约束系数法“”“”、约束矩阵法“”，和温度应力因素法n 8 1 。 这些实用算法对混凝土的徐变影响或者不予考虑，或者仅以一个系数反映，很 难甚至不可能正确反映混凝土坝温度应力的真实状况。因此，需定量地给出合 理的混凝土坝温度应力分析。还须借助数值计算法。 第一章绪论 1 ) 约束系数法m 9 3 目前国内外工程界多采用这一方法，即 矿= r a e 。a t 其中丁为计算体的变温( ) ：e c 为混凝土的弹性模量：口为混凝土线膨胀 系数，r 为约束系数。 r 的取值是约束系数法的关键，一般认为r 取值主要与浇筑块的高长比 日肛以及混凝土和基岩的弹模比e e 有关。可以表示为： r = l t e ：| e ，h f d 根据应力计算结果可以绘出约束系数曲线。 约束系数法计算简单，易于操作。但由于坝体内各部分的约束是不同的， 而且升温过程中混凝土的压力未被考虑，因而约束系数法的估算偏于保守。再 则，混凝土的开裂不但与应力过程有关，也与混凝土强度过程有关，也就是说 开裂不一定发生在最大变温时刻，而约束系数法无法考虑变温或应力的过程。 2 ) 约束矩阵方法“” 这一方法假定坝体内任意高度上沿水平方向的温度是均匀分布的，将坝体 沿着高度方向分为几个水平条块，当条块f ( f 2 1 , 2 ，1 ) 的温度均匀下降一单位 时，在条块，中产生的应力为a ，o r 。0 幔，当各条块f 温度下降巧时，条块- 中的总应力”，为： 0 - 1 。善以蜗= 幔善。蝇( _ ，：1 ，2 在己知j 一时可由上式算出坝体内沿高程的温度应力分布。约束矩阵法能 较好反映温度应力沿高程方向的变化，却不能反映温度应力沿水平向的变化。 3 ) 广义约束矩阵法o ” 约束矩阵法的缺点是只能反映变温沿高度方向上的变化( 实际上约束应力 亦沿水平方向变化) 。为此，广义约束矩阵法作了如下改进： ( a ) 将典型大坝剖面不仅沿高度方向分成n 层，而且将每层沿水平方向分为 坍个单元，整个坝体的单元数为 7 2 露j l ，( b ) 令第i 个单元的温度下降i c ， 求出其它第，个单元中的应力( 或应变) ，这样就可得到既能反映变温沿坝高方 向变化，又能反映变温沿水平方向变化的n n 阶的新的约束矩阵。 广义约束矩阵法既反映了应力沿坝高方向的变化规律，又反映了应力沿水 平方向的变化规律。但和约束系数法、约束矩阵法一样，广义约束矩阵汉无法 考虑徐变、混凝土弹模随时间的变化，而只能用一个粗略的综合影响系数来代 替。广义约束矩阵法由于没有考虑混凝土升温期产生的压应力，其计算结果偏 8 w 海人学顺i 学位论文 于保守。 数值计算方法主要包括边界单元法”“，和有限单元法“4 。1 等。边界单元法 在考虑施工过程中徐变应力场和坝体内介质非均质性时会遇到较大的困难，且 目前该计算方法在混凝土坝应力场中的运用提及甚少。有限单元法是目前计算 混凝土坝温度徐变应力较为成熟的数值计算方法，它可以实现对混凝土坝温度 应力的时问过程模拟分析。混凝土坝从施工到投入运行，一般会经历一段很长 的时间，在此过程中许多影响因素，如气温、浇筑温度、水化热、混凝土材料 的力学、热学参数等会随时问发生变化，而且混凝土坝属于大体积混凝土结构， 不同的区域材料特性可能不同。为了分析混凝土坝温度应力的分桕和变化规律， 须在空间域用有限单元法对坝体结构进行离散化，同时在时间域也必须进行离 散化，此即有限单元时问过程分析法。利用此方法可考虑上述影响因素随时间 的变化，能够模拟坝体的实际施工过程。对于拱坝温度应力来说，用有限元法 计算具有以下优点：可以比较准确的计算温度场：可以真实的反映基岩对温度场 和应力场的影响：可以模拟施工过程，进行仿真计算。 1 4 拱坝温控问题国内外研究概况 自1 9 世纪混凝土诞生以来，就一直有学者进行水工混凝土温控问题的研 究。到2 0 世纪初期，人们已经意识到：温度变化对大体积混凝土结构的应力状 态具有重要影响，有时温度应力可超过其它荷载所引起的应力，甚至产生温度 裂缝。 对大体积混凝土结构温度场及温度控制进行系统研究，国外起步较早。上 世纪3 0 年代中期美国修建的胡佛坝，是当时世界上最高的混凝土拱坝，故对坝 体温度状况进行了系统的研究，取得了很多成果。胡佛坝采取的温控措施包括 分缝间距均为1 5 m ，水泥用量为2 2 3 k g m 3 ，采用低热水泥，浇筑层厚1 5 m ， 并限制间歇期，以及预埋冷却水管，进行人工冷却等曙蚰。稍后建筑的大古力坝， 除采用改良水泥外，其余温控措施和胡佛坝相同。它们和1 9 3 2 年建成的奥威海 坝相比，在每英尺长度上，出现裂缝的长度，奥威海为0 7 5 m ，大古力为0 5 6 m ， 波尔德为0 2 2 m ，没有出现破坏整体的贯穿裂缝。另据“垦务局对拱坝裂缝控制 的实施”( a s c e 1 9 5 9 8 ) 和v a 对混凝土重力坝的裂缝控制”( p o w e r d i v i s i o n ( 1 9 6 0 2 ) 忡可以看出，美国在对水工大体积混凝土温控防裂方面，在2 0 世纪6 0 年代初已经逐渐形成了比较定型的设计、施工模式，包括：采用具有 低水化热的水泥，或一部分用活性掺合料来代替；采用低水泥含量以减少总 的发热量，一般水泥含量为1 7 8 2 2 3k g m ，水灰比为o 6 o 8 ，外部混凝土采 9 第一章绪论 用o 5 o 6 ：限制浇筑层厚度和最短的浇筑间歇期；采用人工冷却混凝土 组成材料的方法来降低混凝土的浇筑温度；在混凝土浇筑以后，采用预埋冷 却水管，通循环水来降低混凝土的水化热温升；保护新浇混凝土的暴露面， 以防止突然的降温，在各种条件下，混凝土的养护，至少在1 4 d 以上。由于采 取了这些措施，到2 0 世纪6 0 年代末、7 0 年代初，美国陆军工程师团建造的工 程基本上做到了不出现严重危害性裂缝；前苏联直到2 0 世纪7 0 年代建造托克 托古尔重力坝时，采用了“托克托古尔法”，才宣布在温控防裂方面获得成功。 此法的核心就是得用自动上升的帐篷创造人工气候，冬季保温，夏季遮阳，自 始至终在帐篷内浇筑混凝土。1 。 有限单元方法应用于混凝土温度应力分析中，始于上世纪6 0 年代末，1 9 6 8 年美国加州大学土木工程系教授u i l s o n 为美国陆军工程兵团首先研制了一个大 体积混凝土结构分期施工的二维温度场有限元仿真程序d o t - d i c e ，并成功应 用于德沃夏克坝d w - o r s h a k 的温度场计算，1 9 8 5 年美国陆军工程兵团的工程 师t a t r o 和s c h r a d c r 进一步修改了该程序，将其用于美国第一座r c c d 一柳溪坝 ( w i l l o w c r e a k ) l 搁a 度场分析1 ，尽管采用的是比较简单的一维模型，但他们的 方法是当时最先进的，是他们第一次把结构计算与施工过程结合起来，用逐步 递推的方法，求出了不同时期坝体的温度场，且计算结果和实测结果吻合得相 当好，该项研究成果被认为是温度场有限元仿真分析的第一份文献。至于徐变 应力的分析，由于当时很难提出一个可靠的弹性模量和徐变随时间变化的关系， 因此，几乎和温度场仿真程序d o td i c e 同一时期编制完成的二维徐变应力分 析程序一直没有被广泛的应用。1 9 9 2 年，巴瑞特( p k b a r r e t t ) 等”1 ，介绍了三维 温度应力计算软件a n a c a p ，其创造性在于把b a z a n t 的s m e a r e dc r a c k 开裂模 型引入到温度应力的分析中，限于当时的计算机硬件水平，他们的计算是带有 一种尝试性质的。日本学者考虑了混凝土徐变的应力场计算远远复杂于温度场， 所以他们首先用有限单元法或差分法计算坝体温度场，找到几个特征温差后， 再利用a d i n a 程序计算三维应力场，并以此预测了宫懒坝在施工期和达到封 拱温度开裂的可能性啪1 。近年来日本学者在混凝土温度徐变应力的物理仿真研 究上，走在世界的前列。他们通过大量试验资料证明只要与温度应力有关的材 料参数精度足够，其实测的温度应力的精度也就足够。鉴于通常很难给出符合 实际的大体积混凝土施工期的热学和边界性质，1 9 9 2 年日本t o b i s h i m a 公司发 表了根据实测资料以有限元为基础求热学和边界性质参数的后分析方法，该方 法可以为准确预测坝体的温度和应力提供可靠的参数。 我国的水工混凝土温度场与徐变应力场仿真分析技术，在朱伯芳院士等前 辈的带领奋斗下，一直处于世界先进水平，只是在商业化软件集成方面略显不 1 0 i i 鲰人学顾i 学位论义 足。朱伯芳院士为减少碾压混凝土坝的计算工作量，提出了以误差控制为特点 的“扩网并层算法”、“分区异步长算法“驯川。河海大学在7 0 年代后期开始 进行混凝土结构施工期温度场、徐变应力场的分析工作，“七五”期间曾结合国 家自然学基会与重点攻关项目先后承担了京杭运河船闸施工期温度应力计算， 东风拱坝施工期温度应力与裂缝稳定分析：在1 9 9 0 年至1 9 9 2 年问完成了小浪 底水利枢纽进水塔从施工期到达到封拱温度全过程仿真模拟的三维有限元程序 系统( t c s a p ) ，并且将国际上流行的虚拟裂缝模型推广应用到长期变温荷载作 用下的施工期软化开裂分析中恤删汹1 。目前，中国水利水电科学研究院、河海 大学、天津大学、清华大学、西安理工大学、武汉大学、四川联合大学、大连 理工大学等单位都开展了混凝土温度应力方面的研究。陈尧隆啪蜘等 利用浮动网格方法对混凝土坝进行温度场与温度应力的仿真分析，并混凝土浇 筑温度以及上游面设置短缝对温度应力的影响进行了研究；曹为民、谢先坤、 朱岳明3 为模拟施工期混凝土分段成层浇筑的温度场，提出双线性过渡单元和 层合单元模型。大连理工大学黄达海、宋玉普“h 2 1 等根据薄层碾压、连续施工 的混凝土坝温度场控制方程的特点，结合碾压混凝土坝的施工和发热特性，吸 收了分区异步长算法思路，提出了适合其温度场仿真分析的波函数法；清华大 学刘光廷教授、麦家煊教授等人提出将断裂力学应用到混凝土表面温度裂缝问 题的研究中，利用断裂力学原理和判据来分析在温度变化条件下混凝土表面裂 缝性能和断裂稳定问题“”1 。丁宝瑛等在温度应力计算中考虑材料参数变化的 影响”“。黄淑萍等则较深入地研究了碾压混凝土层面的温度徐变应力状况m 1 。 曾昭扬教授等系统地研究了碾压混凝土拱坝中“诱导缝”的等效强度、设置位 置、开裂可靠性问题，其成果直接被沙牌碾压混凝上拱坝所采用“”；张国新博 士、李荣湘教授在用边界元方法计算碾压混凝土坝结构应用方面取得了一些进 展“。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施工期温 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析方法； 天津大学赵代深教授、李广远教授结合国家攻关项目在混凝上坝全过程多因素 仿真分析等方面取得了一批成果驯o ”。结合东风双曲拱坝，我国首次研究了 混凝士高拱坝施工和运行全过程仿真，预报温度和应力的变化。李国润教授在 铜街予工程的温度应力计算中，比较了不同浇筑温度对温度应力的影响。近年 来，随着热传导理论的发展与解题方法的不断成熟，对大体积混凝土结构裂缝 成因的认识又有了进一步的提高o ”。张宇鑫、黄达海等对采用跳仓浇筑高拱坝 施工过程全过程温度及应力的特点及变化规律，以及高拱坝混凝土温度控制优 化进行了研究嘲1 。陈刚，江启升等对碾压混凝土高拱坝分缝形式进行研究。 陈嫒，张林，周坤，胡成秒登对高碾压混凝土拱坝分缝形式及破坏机理进行研 第一章绪论 究啡1 。王树和，许平，朱伯芳等对高拱坝全过程温度应力进行了仿真研究阿1 。 随着时代的发展，有限元方法的推广和计算机技术的逐步普及，随之而来 的是混凝土坝仿真分析研究的实用性及可行性增强，适用范围进一步扩大，成 果水平日益提高，从而为2 1 世纪水利工程的设计和施工起到了关键性作用。目 前，我国的高混凝土坝温度应力及温度控制仿真分析水平，在世界上处于领先 地位。已经用这套方法，对国内数十座大中型水电站进行了温度应力及温度控 制仿真分析，所得成果，被广泛应用于设计和施工。 1 5 本文主要的研究内容 合理的分缝分块能够改变约束，释放应力。对于高拱坝，尤其是陡坡坝段 普遍存在的应力集中现象，是导致坝体开裂的主要原因。从改善应力集中和节 省投资的角度出发，进行温控防裂研究来满足坝体的安全需求，还有待进一步 探讨。 本文以溪洛渡拱坝为依托，应用三维温度徐变应力有限元程序进行仿真计 算，论证结构分缝形式的可行性，研究陡坡坝段结构分缝对整个陡坡坝段的温 度应力影响状况，并在此基础上进行温控防裂研究，验证分缝形式的合理性。 论文主要的研究工作有： l 、首先叙述了拱坝的发展、特点以及拱坝温控研究现状； 2 、介绍了拱坝温度场及温度应力的研究方法和有限元计算理论； 3 、总结混凝土拱坝产生裂缝的危害性及其原因，并提出控制裂缝的一些方 法，阐述坝体的结构分缝。 4 、结合具体工程，对典型坝段在不分缝与新的结构分缝状况下的温度场和 应力场进行仿真计算，论证陡坡坡坝段采用新的结构分缝形式的可行性。 5 、在采用合理的结构分缝的基础上以满足大坝安全需要为前提，对高拱坝 陡坡坝段进行必要温控措施研究，验证分缝形式的合理性。 6 、通过温度徐变应力仿真计算，研究结构分缝与温度应力之间的关系，总 计结构分缝对高拱坝陡坡坝段整体性的影响、对温度应力的分布状况影响及对 坝体应力集中的实际改