（水利工程专业论文）三峡工程三期rcc围堰施工过程仿真.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 碾压混凝土坝是最近二十多年采用的新的筑坝技术，由于其具有节约大量水泥、 简化施工工艺、施工速度快和工程造价低等优点，因此迅速在世界范围内得到推广。 然而已建碾压混凝土坝却较多的出现了裂缝、漏水和溶蚀现象。 本文描述了碾压混凝土坝技术的应用发展概况和国内外研究的概况及发展趋势， 分析指出碾压混凝土坝产生裂缝的主要原因是在受约束条件下，温度拉应力超过了混 凝土的允许拉伸变形能力从而导致开裂。 为了寻找裂缝的形成、发展和扩展的规律，本文首先用a n s y s 软件仿真计算了 三峡工程三期r c c 碾压混凝土围堰1 2 4 、1 3 8 挡水坝段施工期的温度场，并对其作了 分析，证实了a n s y s 用于高碾压混凝土重力坝施工期温度场仿真的可行性：由于 a n s y s 软件不仅能进行温度场分析，还能进行温度应力分析，因此本文将a n s y s 的若干功能进行组合，并借鉴并层算法中用混凝土弹模来确定并层龄期的观点来描述 混凝土的弹模，用用户子程序来模拟混凝土徐变，由此，使碾压混凝土重力坝施工期 温度应力仿真分析成为实际可行。 最后，本文通过对已建碾压混凝土坝温控防裂与裂缝资料的分析，总结了碾压混 凝土坝的温控防裂特点及裂缝形成原因，并提出了裂缝危害性顺序，同时还对碾压混 凝土坝温控防裂中的几个重要问题进行了探讨，提出了一些可行的温控措施。 关键词：碾压混凝土坝热传导方程 有限元分析 华审科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o l l e r c o m p a c t e dc o n c r e t e ( r c c ) d a mi sa d o p t e d a san e wd a mc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g yd u r i n gt h el a s t2 0y e a r so rs o b e c a u s eo fi t se c o n o m yi nc e m e n tc o n s u m p t i o n ， s i m p l e rc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , s h o r t e rc o n s t r u c t i o np e r i o da n dl o w e rc o s t ，r c cd a mh a s s p r e a da t lo v e rt h ew o r l di nas h o r tt i m e ，h o w e v e r , m a n yc r a c k s ，l e a k a g e sa n de r o s i o n s h a v eb e e nf o u n di nt h er c cd a mt h a th a sb e e nc o m p l e t e d 。 t h i sa r t i c l ef i r s to u t l i n e st h ed e v e l o p m e n to f t h er c ct e c h n o l o g ya n dt h e r e s e a r c h e si n t h ef i e l da th e m ea n da b r o a d t h ea r t i c l ep o i n t so u tt h a tt h em a j o rr e a s o nf o rc r a c k so nt h e d a mi st h a tt h et h e r m a ls t r e s se x c e e d sp e r m i s s i o n i no r d e rt of i n dt h el a wo fac r a c k sf o r m a t i o n ，d e v e l o p m e n ta n de x p a n s i o n ，t h ea r t i c l e s i m u l a t e st h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h e1 2 “、1 3 ”s e c t i o no ft h ew a t e r r e t a i n i n gd a mo ft h e t g pr o l l e dc o n c r e t ec o f f e r d a md u r i n gt h ec o n s t r u c t i o np e r i o dw i t ht h eh e l po fa n s y sa n d c o n d u c t ss o m ea n a l y s i s ，v e r i f y i n gt h ef e a s i b i l i t yo fs i m u l a t i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e l do fa h i g hr o l l e d c o n c r e t eg r a v i t yd a md u r i n gt h ec o n s t r u c t i o np e r i o db ym e a n so fa n s y s b e s i d e st h et e m p e r a t u r ef i e l d a n s y sc a l la sw e l la n a l y z et h et h e r m a is t r e s s ，a sar e s u l t ， t h ea r t i c l ec o n t i n u e st oc o m b i n es e v e r 破f u n c t i o 矗so f a n s y st os i m u l a t et h ec o n c r e t ec r e e p d u r i n gt h i sp r o c e s s ，t h ea u t h o rd e s c r i b e st h ee l a s t i cm o d u l u s ，u s i n gf o rr e f e r e n c et h ei d e ai n t h el a v e 卜c o m b i n a t i o na l g o r i t h mt h a tt h ee l a s t i cm o d u l u so ft h ec o n c r e t ec o u l dd e c i d et h e l a y e r - c o m b i n a t i o na g er e l a t i o n t h e nt h ea r t i c l ed r a w sa c o n c l u s i o nt h a tt h es i m u l a t i o na n d a n a l y s i so f t h et h e r m a ls t r e s so f r c cd a m 戤p r a c t i c a l o nt h eb a s i so ft h ei n f o r m a t i o na b o u tt h ec r a c k sa n dt e m p e r a t u r ec o n t r o lm e a s u r e st o p r e v e n tt h e ma d o p t e db ys o m ec o m p l e t e dr c cd a m s ，t h ea r t i c l ec o n c l u d e so nw h yt h e c r a c k so c c u r , h o wt op r e v e n tt h e m ，a n dt h er a n ko ft h e i rf a t a l n e s sa n da tt h es 锄et i m e d i s c u s s e ss o m ei m p o r t a n ti s s u e sc o n c e r n i n gt h ep r e v e n t i o no fr c cd a mc r a c k st h r o u g h t e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 a tl a s t ，t h ea u t h o rr a i s e ss o m et e m p e r a t u r ec o n t r o lm e t h o d s k e yw o r d s ：r o l l e dc o m p a c tc o n c r e t ed a m t h e r m a lt r a n s m i s s i o ne q u a t i o n f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i i 独创性声明 本人声暇所里交的学位论文是我个人巍导薅指导下进葶亍豹礤究工作及取缮躲 研究成果。器我所鲡，酴文中已经标疆弓i 用的内容井，本论文不包含任何其他个 人或集体巴经发表域撰写过的研究成果。对本文的研究傲嫩贡献的个人和集体， 筠邑在文嚼：懿明确方式标臻。本入完全意识刭本声明的法律结莱由本人承担。 学位论文干罄者签褒：多数 日期：妒馋牛月，夕目 学位论文版权使用授权书 奉举证论文作者完全了解学校有关傈留、使阁学位论文的规定即：学校有 权保留并向国家有关部门或枧孝句送交论文的复鲤】传秘电子版，允谗论文被壹阙帮 僚阕。本人授权华中科技丈学可以将本学位论文的全部成都分内容编入有关数据 蓐进行检索，可以采用影印、缩印或担攒等复制芋段保存鞠汇绩本学傻论文。 保密西，在年解密后适用本授税书。 本论文震予 不保密吼 ( 请在戬上方程岗打“”) 学袋论文作尝签名 参数 基期：钾。睥争胃岁日 指导教筛豁阈建l 中 霸鬟：籼妊绎层f f 墨 华中科技大学硕士学位论文 l 。1 阏题的提蹬 1 绪论 碾疆混凝土城( r o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t e ，简称r c c ) 是最近2 0 多年采用的新 筑坝技术，融汇了常态滢凝主矮器碾矮石颉黪饶点。由于碾惩混凝土瑷其裔节约太鸯 水浞、麓化藏工工艺、旌工速度恢露王程造徐低等饯点，辍l 逝，蠡1 9 8 0 年在爨本黯建川 建造世界上第一座碾雎混凝士重力坝以来，该筑坝技术得到迅遮推广，至今已有2 0 多个 国家已建和在建碾压混凝土坝约2 0 0 多座，其中中国有近4 0 多座。然而，在已建的一 部分碾愿混凝土坝中出现了较多的裂缝、漏水和溶蚀现象，且比较严重，这不仅影响大 埙豹安全运行，雨量使入督j 对碾压混凝主瑕的筑顼技术产生疑虑，这些现象的产生除了 碾压混凝驽琶筑攒历史短等原因岁 ，箕主要嚣嚣是入 | 、】对冁压混凝矮静薄詹碾垂瓣藩 面、漫度影响等一些关键技术闻题的了鳞还不够全强f 2 。霆此鼹碾匿漫凝坝藏工 期及运行期的温度场、应力应变等进行分析将具有重要的学术价傻和现实意义。 据对国内外融建礁压溅凝土坝的运行观测 2 1 ，总体来说碾压混凝土筑坝技术是成 功的，落己运行的一部分坝中出现较多裂缝，如加拿大的r e v e l s t o k e 、美阑的d w o r s h a k 以及中蘸翡求末等大籁，穰继出现裂缝和漏承。这不仅影响了大联的安全运行，箍置 搜人我对碾蕊漫凝竣瓣筑坝技本产生疑虑，因恧孳l 起阑骣域工赛款态度耋亳冕。 碾压混凝主鬟产生裂缝懿主要嚣因是在受约束条肄下，溢度披应力超；蔓了混凝主 的允许挝伸变形熊力从两导致开裂。为了寻找裂缝灼形成、发展期扩展躲掇律，在设 计阶段必须进行温度场及成力场仿真分析，并提出温控防裂搽施 7 , 8 1 。 由于施工过程中的温度变化对碾压混凝土坝的废力状态商重要影响，隧蕾碾压混 凝土筑坝技术的发展及坝高的不断增加，这种影响会越来越大，且现在在建、拟建的 碾艇混凝土坝绝大多数是碾压混凝土重力坝，因此，碾服混凝土重力坝成层浇筑过程 中瀚温菠场及应力场静仿冀诗算就成为一个重簧的研究课题泌j 。迄今为止，虽然人们 对露态援凝主重力壤豹藏王蘩瀑度场巍瘦力场镑寞及萁变化规律骞了较残熬豹淫论 和计算程序 9 t 4 】，但对于碾压漫凝土蓬力坝此阅题鲍研巍尚不够滚入、不够系统，不 少人仍、瀚用_ i 过去研究柱状浇筑常态混凝土坝的观点和方法来研究碾压混凝土重力坝， 在实践中产生了一定的偏煮。 华中科技大学硕士学位论文 事实上，由于碾压混凝土坝在材料和施工方法上与常态混凝土坝不同，致使其在 发热过程、温度变纯规律等方筒均与常态混凝土坝有所差异，因此，其施工期温度场 窝应力场静分毒及发袋基本毅律与常态援凝堠裔重大差剐。勇钤，漆于凝压鬣凝 重力坝采用避仓薄层浇筑方式【i ”，一般层厚0 3 0 5 m ，沿坝寒方趣要分镶多层，瑟浇 筑层的顶面耍向外界进行热交换，底面要同老混凝土或基岩进行热交换，这样在施工 过程中沿浇筑层高度方向的温度梯度和应力梯度都比较大。在进行施工期温度场和应 力场计箨时，为了保证必要的精度，必须采用浇筑层厚o 3 0 5 m 的计算网格，这样划 分丽嵇，沿锚直方商这凡西甚至凡千层，节点狠多，计算量非常大”“挣j 。弱外，由于 每个浇驽：【屡豹承化热、浇绞湿壤、弹模、徐变疫都不露，显施工期豹滠疫场秘应力弱 还要受实际艟工进度及气激变他的影响，这都增加了仿嶷分板的潍度。 综土质述。甥对于零态混凝羹力坝瑟言，碾疆漫凝灌力坝麓王疑滋瘦傍粪要 困难得多，熙其旒工期温度场和应力场的分布及发展基零规律与鬻态混凝坝鸯重大 差别。因此，必须采用不同于常态混凝土重力坝仿真分析的方法来进行碾联混凝土重 力坝施工期温度仿真分析，对其分布及发展规律作系统、全酾的研究。只有这样，才 麓为选择合疆的漩控标准及防裂措施提供依据。勇外，实践袭明，虽然碾蕊混凝土坝 袭我国汪有卡多年毂建设经验，毽等国辨稳毙，工麓并不够浚，造价节省稳不多，经 济效益并不摄萋，这主要悬因为我国施工寿失冁压混凝快速、越捷耱点，特别是瀑 度控制标准过严，因此还有必要对碾压混凝土坝的漫控标准及防裂措旗作出进一步煦 研究，使在保证大坝安全运行的同时，充分发挥碾压混凝土坝经济、快速的优势。这 对碾压混凝土重力坝的设计和施工具有深远意义。 三峡工程三期r c c 围堰三期剩余混凝土方量为1 1 0 万m ，高9 0 m ，2 0 0 3 年1 月 至6 男士旬避行溉凝围联的浇筑。豳堰施工时混凝土月最大浇筑强度为3 5 万m 3 ， 最瘫墨浇筑爨戈1 8 9 万m ，最大翻上升高庭t 2 m ，综合难度藩整界蓠刊，跌国内 外已建及在缝熬r c c 坝黪施工蠖提来看，月浇筑强度建3 5 万m 3 及霞浇菠量1 蹲 万m 3 遗今还没有达到过【2 0 】。并且2 0 0 3 年5 月上旬三期上游土石围蝗过水，由r c c 围堰挡水，边蓄水边施工，这就要求挡水混凝土要有一定的龄期，且堰面高程须高于 相应时间的上游水位。因此它的成功与否不仅影响三期主体工程能否按期开工，面且 将痘谈澎桷左岸第一羝橇缝能番按期发宅。雨三峡工程三期r c c 萄瑶能否在整个施 工过程中顺零| | 逑完成其任务又取决予抉速照王方案瓣露嚣性。同时，玉于爨堰在! 麓工 华申科技大学硕士学位论文 建设过程中就要担负锖水的任努，如一旦失事，后果将不堪设想。因此，对围堰施工 过程进行仿真分析及蓄永过程联体安全佼进行全面深入的分析研究是非常必要的。 1 2 碾压混凝土坝的发展概况 碾压渥凝坝是泛几十年泉发爨起来戆一萃孛瑟坝型，宅楚在鬻态瀵凝援与石 坝激烈宽争中产生出来的1 1 1 。 与土石坝相比，裳态混凝坝安全性褰，但其三誊孝( 水泥、钢楗、本楗 懿凝爆 量太，工程投资离，鼠多采用分块浇筑的传统方式，仓蕊较小，模块众多，妨碍了机 械的通用化和效率，从而导致工期较长。另一方面，在过去的几十年里，由于土力学 理论的发展，放宽了土石城对予建筑材料的限制，增大了利用当地材料筑坝的可能性， 且大型主石方施工枫缓的绥焉，麓浚了石矮的施工速凄，使得土石顿静逡份降低， 在经滂上积速度上都占了优势，从露使其获褥了蓬勃鳇发展。世器上1 5 m 及其以上毫 度的坝中，混凝士坝所占比例，截至1 9 5 0 年为3 8 ；从1 9 5 1 年至1 9 7 7 年跌至2 5 ； 从1 9 7 8 年至1 9 8 2 年则进一步减少到1 6 5 。但是，在造价降低的同时，土石坝的安 全惟较常态混凝土坝低的特性并没有改变。世界上最近的一次混凝土坝失潦是1 9 5 9 年法国瓣马尔精寨坝( m a l p a s s e t ) 失事，丽在过去的年巢，数百魔各种勰模的土 石坝失褰了。此辨，蚕蛾数! i l 洪建菠甥不能与援体结念，懿要在埂辨男纾森鬟专门 的溢洪道，熙大规模开采当地材拳斗对周围环境的破坏相擞大，这都是制约土石坝发展 的因素。 注意到士石坝和混凝坝各自具有的特点，人们努力寻求一种新的坝型，以便把 混凝土坝的安全和土石坝的高效率施工结合起来。在这种情况下，碾压混凝土坝应运 而生。 碾压混凝土筑坝改变了常态混凝土筑坝用振捣器插入振捣密实的方法，代之以在 蘑丽振动碾溉，将土磊顼大鳌施工杭械雨藏混凝颜上，实现了快速、大仓面碾压施 工。这撵，联匿瀵凝壤裁糁霉态混凝壤静结构帮疆凝蠢坝麓工等扰点集中子一 体，具商节约水泥用鼙、髓化旗工工艺、施工速度快和工程逡馀低等饯点【l 。因此， 自8 0 年代初。世界上第一座碾压混凝土坝日本的岛地川坝建成以来，碾压混凝 土筑坝技术越来越得到世界各国坝工界的厦视，并迅速得到推广使用。迄今为止，全 整拜高于1 5 m 的融建和在建碾舔混凝竣已有2 0 0 余痊，分布在2 3 个国家和遗医， 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = _ = = 2 = # ；= = ；= = = = = = ；= _ # = = = = # = = ；= ；= 。= = = # = = = = 高于1 0 0 m 的碾压混凝土大坝有2 5 座( 日本1 4 座、中阑6 廖，智利、哥伦比亚、安 哥拉、凝西衙、西班牙各1 座) 。 我国对碾压混凝土筑坝技术的研究虽然起步较晚，历时不长，但发展迅速，取得 了一系列的科研成果i z ”j 。自1 9 8 6 年福建坑口碾压混凝土重力坝建成以来，到1 9 9 9 年底已有3 4 座碾压混凝土坝投入运行，1 2 座在建，2 0 座正在设计。在建的和近期拟 建的高度在1 0 0 m 以上的碾压混凝土坝有龙滩( 2 1 6 5 m ) 、百色( 1 2 6 m ) 、大朝山 ( 1 2 0 5 m ) 、棉花滩( 1 1 l m ) 、沙牌( 1 3 2 0 m ) 。其中，龙滩碾压混凝土重力坝和沙牌 碾压混凝土拱坝，是目前世界上最高的碾压混凝土重力坝和拱坝。 我国已建的碾压混凝土坝，在吸收国际先进技术的基础上，逐步形成了具有我国 特色的筑坝技术。目前，我国建设的碾压混凝土坝除施工工艺和机械化程度外，无论 在坝型、坝高还是在坝体体积及数量上都已超过或达到世界先进水平。同时可以预料， 随着西电东送和西部大开发的水资源的深入开发利用，这种筑坝技术在我国将会得到 更广泛的应用，从而推动碾压混凝土筑坝技术的进一步发展。 随着碾压混凝土坝的建设和发展，在设计、施工碾压混凝土重力坝方面已有较成 熟的经验，但将碾压混凝土筑坝技术用于建筑拱坝还处于探索、实践阶段【2 i 。目前在 世界上，除南非建造了两座分别高5 0 0 m 和7 0 0 m 的碾压混凝土重力拱坝外，我国已 建成坝高7 5 0 m 的普定碾压混凝土拱坝和坝高4 8 0 m 的温泉堡碾压混凝土拱坝，初步 取得了设计和施工经验，在建的沙牌碾压混凝土拱坝是目前世界上最高的碾压混凝土 拱坝，该坝的建造，必将开拓百米级以上的高碾压混凝土拱坝的新领域，推动碾压混 凝土拱坝技术和坝工建设的发展。 1 3 国内外研究概况及发展趋势 碾压混凝土黧力坝施工藕温度场、温度应力分析和潞控设计方法，有以美国为代 表的有限元时间过程分析法和以日本为代表的约束系数绒阵法，英国和法国一般采用 a d i n a t 和a b a c u s 等专剥稷净。 世界上最早锻有限元时间过程分析法引入混凝土温度场分析中的，是美国加州大 学的戚尔逊( e l w i l s o n ) 教授。他在1 9 6 8 年为美国陆军工程师团研制出可模拟大体 积浸凝结搀分期施工温度场的二续有隈元疆彦d o t - - d i c e ，势瑁子禧沃歇爨 4 华审稀技大学硕士学位论文 - = = ；= # = = o = = = = = = 女= = ；= = = _ ；= # # = = _ = = = = = = = _ = = = # = ( d w o r k s h a k ) 坝温度场的计算。威尔逊还和他人合作研制了考虑混凝土徐变的应力 分析程序引。 1 9 8 2 年，美国陆军工程师闭的工程师t a t r o 和s c h r a d e r 对d o t - - d i c e 程序作了 修改，将其塌于美国第一鹰碾压混凝土坝柳溪坝的漱度场分祈。为减小计算规模， t a t r o 稻s c h r a d e 在诗箨裁箍串都取0 9 m 宽静条带，两条垂巍边赛绝热，只有谈瑟肇 元的表露教热，基岩深度吸取3 m ，每一滋筑层取一层警元，单元尺寸为0 3 m o , 3 m e 这个分析是较粗浅的一维成果，发表在1 9 8 5 年美图混凝土学会会刊上，被认为是碾 压混；疑主温度场有限元分析的第一份文献。 继柳溪坝之后，美国w o o d w a r d - - c l y d e 咨询公司又采用d o t - - d i c e 的最新版本 对斯特基科奇坝( s t a g e c o a c hd a m ) 温度场进行了二维有限元分析。重点研究了从施 工结束到蓄水完毕的两年多时间内温度场的变化，较好地反映了水库蓄水后水温对坝 体温度场的影响，而这是柳溪坝一维有限元模型无法考虑的。为减少计算工作量，该 坝的有限元模型也作了简化，如采用线性三角形单元，每层单元包含两个r c c 浇筑 层，只考虑2 8 d 的水化热散发量，月平均气温、水温，以天为单位分析温度变化。这 样就很难准确考虑水泥水化热和环境温度的日变化，使得计算结果与实测值有较大差 异。 美国的上静水坝( u p p e rs t i l lw a t e rd a m ) 由于其施工方法( 不设横缝) 和坝址的 恶劣气候，其温度荷载比较严重。美国垦务局用h e a t f l 计算程序，考虑混凝土的热 学性能、坝址气候条件和旋工进度，对该坝进行了5 年的仿真计算，研究了三种入仓 温度对混凝土最高温度的影响，根据非线性温度梯度计算应力。此外，在d o t - - d i c e 程序基础上，针对碾压混凝土坝的特点编制了t h e r m 计算程序，并对美国的蒙克斯 维尔坝( m o n k s w i l l ed a m ) 也进行了类似的温控计算分析。 有关约束系数矩阵法的研究成果在第十五届和第十六届国际大坝会议上均有报 导【2j ，并在1 5 5 m 高的日本宫濑碾压混凝土坝的温控设计中得到应用。 我国在研究大体积混凝土结构施工期温度场和温度徐变应力场有限元计算方面 做了大量开创性的工作，目前已处于世界先进水平【2 1 2 3 2 8 一们。 碾压混凝土重力坝施工期温度场和温度应力场的计算分析，需与坝体的施工过程 结合起来考虑，动态模拟坝体的施工过程，逐时段计算坝体的温度场和应力场，需汜 华审科技大学硕士擎位论交 录和反映坝体施工、运行环境对温度和应力的影响，还要根据碾压混凝土薄层连续浇 筑施工成长、短间歇的实际情况和在施工过程中可能出现的各种情况变化，用计算机 进行诗舞分橱，律密快速豢应，提供顼俸任意时亥翡温度场藕温浚应力，为调螯施工 方褰提供婊摄达到最优纯鬻躲。 碾压漫凝土鬟力缎麓工赣添度场稻瀣度应力场的诗舞与分析，矮三维有限元模瓠 燕工过程在微规上实施是慰难的，尤其是现在坝裹越来越毫，以坝裹2 0 0 m 必铡，接 薄层( 联厚o 3 m ) 划分单元，我高度方向也有7 0 0 多层，而模拟施工过程又是按时间 步长反复计算的，计算工作量很大，占据计算机内存和耗费机时很多，如不采取措施， 在微机上无法实施。因此，在该项研究的总体思路中，应提出一种新的方法来解决单 元数量太庞大、计算梳对太长静闯题。 针对同一特点，中国工程院院士朱伯芳提出了“并腰算法”辟9 ，翊。该法的宗旨是 禳器碾援混凝土交形特性警龄鲻的关系，洽商发方商瓿上翻下把稚压混凝重力嫒分 免耀令匮蟋。第1 区阕是上部碾篷混凝圭，每层采蹋密集兹诗算鼹格；第2 区藏爨分 层计算，但每层的内部采用扩大的计算网格；第3 区闻根摄碾压漫凝土龄期的不同， 把几个相邻的浇筑层加以合并：第4 区间按均质体计算。这样，随篱坝体的逐渐升高， 下面的备层逐渐合并，实际计算的层数并不多，但每个浇筑层都经历了从分层计算到 并朦计箨的全过程，分层的影响已在计算中得到充分考虑，因此，这怒一个合瑾而实 鼹戆计箨方法，锼碾鬟漫黢联莲工麓熬滠瘦仿寞计算褒徽梳上袋为蜜际可行。在我 基础上，他逐提出了瀑度场和应力场鲍分区异步长爨法，对晕龄期的瑕压漫凝采用 小时间步长，对老混凝土采用大时间步长；对于引起温度急剧变化的因素，采取小步 长；对于虽引起温度变化但变化较平缓的因素采用大时间步长，由此节省了机时。 在碾压混凝土坝的施工过程中，坝内常设有横缝，把坝体分割成许多坝块，而在 施工过程中备坝块的商度参差不齐，在进行仿真分析时，限制了并层仿真的效果。为 茈，朱稍芳院士又提出了种特殊的接缝单元，其中有平面接缝单元和空间接缝单元， 在商限元分聿嚣孛，倥麓这蛰接缝萃元，使备褒决之闼及壤俸等基者之溺，可划分为不 网厚度载单元，蔓不影响，扶薅使传囊计算更为方便快捷； 1 9 8 9 年嚣安理王大学缀合兰蛱大壤璞体快速憨工，瓣大仓瑟薄凄浇筑熬混凝麓 工期温度场程应力场进行了糙弹一| 生有限元模拟，采髑了一穗燎鼹层或多层单元并予一 层单元的“互层单元”，提嫩“慝层单元”的概念慰解决该问题的关键。在“互层单 矗 华中科技大学硕士学饭论文 竞”概念的基础上，经过多年的探索和研究，提出了“三维有限元浮动嘲格法” 2 3 , 3 5 , 3 6 1 新谓“浮动秘格法”，郎碾压瀛擞土坝在分层浇筑时，备层的物理力学性质，如弹性 模鬣、承张热温舞、徐变畿等舔怒隧着龄籁髂增长丽变纯，奁混被主达期一定龄期后， 遮登浇麓墨痰篱耪理力学装矮黪嶷健梯瘦既缀夺，予是，在骞隈元诗雾中，可以撬这 些滋筑薄屡辩鼹嬉浮麴先大题按，浮动黪鹣大辩穆肉浆鼹凝霹释海螺震体渚葵，其 弹性摸鬣、水他热渥升您徐变发珂用平均龄期鲍数馕进嚣计算。缝计算验 蓬浮动与不 浮动之误差不超过百分之三。这使得碾压混凝土坝按分层施工实际情况，在微机上实 施仿真分析成为实际可行。 西安理工大学在三维肖限元浮动网格法的基础上【3 5 1 ，采用朱伯芳院士提出的混凝 不稳定温度场分区髯步长解法理论，推导了有关公式，编制了三维有限元浮动网格 不稳定溢度场分涎异步长解法计算糕序，并霜该程穿对巍滩碾压瀛凝土重力坝的温度 场鄹涅发应力进行了分撰诗算。计算表睽，该方法猩微规土实藏怒戒功静，能大大节 省计算机内存和计算机时，大大提高计算效率。 河海大学在约柬系数艇晦法驰基醚上，提蹬了一套逶耀予我霹碾基混凝重力竣 温度控制设计的广义约束戆阵法。约柬系数矩阵法只能及映变温和约束应力沿坝窿方 向上的变化，而不能反映变温和约束应力沿水平方向的变化。广义约束矩阵法既能反 欧变温和应力沿坝高方向的变化规律，又能反映变滠和应力沿水平方向的变化规律。 宅不仅麓雳采研究防丘贯穿往袋缝霸深凄裂缝，置能用来研究防止由于上下游表面环 境激度变化皇志郝约寒弓l 起熬表溪裂缝。 我鬣现行碾藤混凝主璞湿控苈裂仍沿稻美潮三、圈十年 弋常态混凝土溘控设计的 陈l 麟概念，以防止平露坝辘线豹基础爨穿裂缝为重感，激允谗基吾凄温差俸为涩凄控铡 的主要准则。根据实际上_ 坝体多为内步 温麓产生的表面裂缝，又提出坝体允许最瘫温 度作为掖制内外温差的辅助准则。这样就将随时间和空间变化的温度与应力演变的复 杂控制条件，概化为与时空无关的基础温蒺、上下层温麓、内外温差等几个温差实 践表明，上述二个准委| j 并不能真芷防庄常规滢凝歼裂，更不麓套用于碾压混凝土。 因她夺必要对越终进一步戆磅究。 今嚣，奁辗毯淀凝主重力矮施工期温浚场、溢凄应力分祈茅西温控设计方法研究方 露的发展趋势 2 6 , 4 t ! ，是建立一套麓在徽捉上实施懿二维、三维线槛秘# 线性密陵元全 ? 华中科技大学硕士学位论文 过程仿真计算方法和程序，计算中能模拟碾压混凝土坝分层施工的实际情况，综合考 虑外界温度变化、混凝土水化热、弹模及徐变随龄期变化、不同材料分区及浇筑温度 的实际情况，并建立一套良好的人机交互界面，使工程技术人员在施工过程中，能根 据各种因素的变化，通过良好的微机界面，随时了解坝体温度场和应力的变化，以便 采取相应的温控方法和防裂措施。在后处理方面，建立一套与界面配套的图形处理系 统，从浩繁的成果数据中，将所需成果以图形输出，达到简便实用快捷的效果。 1 4 主要研究内容 由于碾压混凝土重力坝每层混凝土施工的时间不同，浇筑温度不同，材料参数各 异，仿真分析要考虑这些特点，不得不细分网格。在“仿真分析的并层算法”与“时 间分区异步长解法”提出以后，解决了许多重力坝的仿真计算问题，但并层在程序处 理上遇到了许多麻烦，且“异步长解法”中涉及到“人工边界”的反复调整使数据 交换自动化程序设计苦难重重，前处理工作量使人望而却步。如何有效、可靠地交换 数据，仍是一个难题。 与其数据输入一样，现有的碾压混凝士重力坝施工期温度仿真程序的输出数据的 处理也是异常复杂的。它们的图形功能弱，且被限制在d o s 环境下运行，在缺少人 机交互手段的情况下，繁杂的手工数据输出，给程序的使用带来了许多不便，也难以 管理输出的计算结果。要获得有代表意义的计算结果，必须配备强大的前后处理器。 为与其它仿真程序接口，还必须对结构边界进行可视化处理。在这一点上目前国内 几家做仿真分析的单位中，河海大学起步较早，成果也相对多一些，但离可视化的要 求尚有很远的距离。 由于以上几个因綮，现有的碾压混凝土施工期温度场及成力场仿真分析成果，疆 么终了过多麓纯，要么对徽撬要求穗澍裹且不荔被一般工程设诗人爨掌握，因筵，麓 了顺成碾压混凝土筑坝技术的发展，肖必要探索新的简单适用且能被一般工程设计人 员繇攀握越矮在施工过程孛及辩终密爱壤懿耨方法窳遴行璐蓬溪凝重力瑷薤工鬻 温度场和温度应力仿真分析。 如栗一个问题的解决从编箭程序、调试、改进副应用过程完全靠几个工程技术人 员完成，则凼于问题的复杂燃，不仅要耗费大量的人力和时间，而且很难保证在编制 程序中不出现入为的错误，使之留下隐患，并且这种只针对巢一工程的“专用”软件 g 华审科技大学硕士学位论文 在通用性和适应性上都受到限制。近年来t 国赋上较大激的蕊向工程的通熙数馒模拟 软件不断问鲢并被陆续引入豳内，a n s y s 就是其中一个很成功的软件4 2 删1 。 a n s y s 是由美国a n s y s 公司开发的大型通用有限元分析软件。自1 9 7 0 年成立 阻来，a n s y s 公司在其创始人j o h ns w a n s o n 教授的领导下，不断吸取世界最先进的 诗箨方法稻计算梳技术，弓i 寻着毽羿有限元分析软件的发展。a n s y s 软件融前后处 理及求瓣予骞，含蠢多稀有黢元分辑瓣能力，包括篱攀线镶静态分橱翻复杂静菲线 性辫态分板，应用领域 常广。a n s y s 软馋以其先进憷、可靠性、开放瞧等姆点， 被全球工业界广泛认可，已掘有了全球最大的用户麟，并于1 9 9 5 年，在分辑设计类 软件中第一个通过i s 0 9 0 0 1 国际质掇体系认证，同时，它还是美国机械工程师协会 ( a s m e ) 及美国核安全局( n q a ) 及近2 0 种专业技术豢员会认证的标准分析软件。 磊前，瀚内避行水工设计的众多设计研究院及很多高校都己引进了该软件。 a n s y s 软件经过几十年的发展，已相当成熟，其无论在前后处理、计算功能还 是计算遮度、精发上，均较适合进行温度仿真分析，僵到目前为止，还没有入将此软 终旋翅子碾羼漫凝耋力璞麓工麓澄度镄_ 粪分橱中。基予魏患，本文磁密嗣a n s y s 软传来进行联压漫凝土重力坝熬王期渥度场帮滠度嶷力傍真分毒厅计箨，并对碾匿混凝 土羹力坝旅工期的温度场进行了较系统深入的探讨。具体来说，本文研究的主要内容 如下： ( 1 ) 碾胫混凝土熏力坝施工期的温度场属于非稳定温度场，彤用a n s y s 热分辑 模块中的瞬态热分析来模拟【4 2 , 4 3 , 4 6 1 。缀然a n s y s 舆有非常强大的功能，但庭接应用 于碾压混凝土重力坝施工期温度场仿真仍商不少困难，必须将其有关功能进行合理整 合，方女迸幸予实舔分析计算。霞诧，本文辩萁褶关功能逶行了整合，提出了其基本实 现过程。 ( 2 ) 碾撬混凝羹力辗施工期澈度场静彩嫡嚣素膏很多，为了模损的粪实住， 本文综合考崽了羚暴气温、澹凝本豫热滋舞、入仓瀑发筹毽爨数影响，基予a n s y s 方法，给出了碾压混凝土重力坝施工期温度场鲍计算方法。 ( 3 ) 本文对三峡三期r c c 豳堰蛇一个坝段按绘定的旌工进度模拟分层浇筑麓工 过程，计算了多种工况下的施工期温度场。同时，通过对各种方案的仿真计算，总结 了碾压混凝土重力坝施正期温度场的分布及发展规律，得出了一些有益的结论。 譬 华申科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 对三峡三期r c c 围堰的1 2 、1 3 4 坝段按给定的施工条件进行了施工期温度 场全过程仿真计算，褥出了其各个关键时猁的温度场，为设计施工单位提供了参考， 两辩遣验 歪了a n s y s 方法在高碾压滢凝主重力矮施工翳温痰场磷究上豹逶瘸瞧。 在a n s y s 软件中，可以先进行热分祈，然后调用箕成柒进行温麓应力场分析。 本文搽讨了耀a n s y s 较 孛迸 亍碾莲混凝重力溪麓王款溢凄应力场傍奏分孝厅过程中 应注意的然闻题，并提出了鏊本实现过程。 ( 5 ) 本文逶过对已建疆歪漫凝主壤滠控墨裂缝资料懿分橱，慧终了酸压瀵凝 坝的遗控防裂特点及裂缝形成的原因，并提出了裂缝危害性顺序。同时本文还对碾压 混凝土坝温控防裂中的几个重要问题进行了探讨，并提出了一些可行的温控措施。 1 0 华审科技大学硕士学位论文 2 1 热传导方程 2 基本漂理 由热量豹乎餐覆耀，滠度舞离搿啜牧静热嚣必矮等予扶外界流入熬蕊量与内部求 化热之秘队5 1 5 5 ”，即 等刮豢+ 窘十窘) + 垒c p 沼， 再2 盯萨+ 矿十矿+ 。 。小1 式中，r 一漫度，( ) ； 4 一导混系数，口= 影妒，单倥( m 2 腿) ； q 一波予本纯热终麓，擎经辩凝内单位俸辍中发逡魏热量，( k j m 3 h ) ； e 一滋凝魄热，( k j k g + ) ； 妒一瓷度，( k g m 3 ) ； r 一霎孪阔，( h ) 。 盎予承化热馋鼹，在鳃热条馋下混凝懿湿度上嚣速度为： 丝：旦：w q ( 2 2 ) a t c pc p 式中，一一混凝土的绝热温升，( ) ； 一潲凝土中的水泥用量，( k g m 3 ) ； q 一单位羹量水泥在单位时间内放出的水化热，( k j k g h ) 。 则( 2 1 ) 式的热传导方程将改麓为 堡；口( 粤+ 娶+ 窭) + 塑 ( 2 - 3 ) i 钏( 万+ 萨+ 虿+ 万 旺。 著滠凌r 澄z 辘方惫戈常数，刘结构静滚凄场为褥定鼢乎嚣趣憨，熬黉警 方程简化为 一0 t 吲1 0 2 t + 窭) + 塑 ( 2 。) 一= 矗 _ 十 j + 一 0 q ， a r、出。却“a r 华申科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 如果温度场不随时间变化，则称为稳定温度场。此时，_ o t ：o ，掣：o ，故 热传导方程为： 一0 2 t + 堡+ 空：o ( 2 - 5 ) o x 。c y 4 o 4 对于混凝土坝来说，由于水泥与水拌台戳后会产生永纯热，此时涌凝土本身也释 藏热量，裁称萁为有两热源酶导热阍题。定单位辩阔、肇位体积等热物体翡生残煞量 称为发热率，瘸q ，来表示。那么有均匀离熬源翡善热微分方程的形式为： o 疗t ，a i o 引t 2 + o 矿tz 十罟 + 石q i c ，一s ， 疗fi 魏z 毋。十虿j + 石 “。 式( 2 3 ) 、( 2 5 ) 甥叱较，便雩导到： 磊：缪o _ o ( 2 7 ) 上式将混凝士的发热率用混凝土的比热、密度和绝热温升对时间的导数表示出 采，这样在褥到了求溅承傀燕熬资料淤惹，便曩隶窭混凝主熬发热率，扶蔼在程痔中 耀英以 毒载匏形式旌搬到鸯限元模型上去。 2 2 初始条件及边界条件 热传导方程建立了物体的温度与时间、空间的关系，但满足热传导方程的解有无 限多个，为了确定需要的温度场，还应满足相应的初始条件和边界条件1 。 2 2 1 初始条件 初始条件为谯初贻瞬时物体内部的温度分布规律。 t ( x ，弘z ，0 ) = r o ( x ，y ，z ) ( 2 培) 多数情况下，初始褥i 寸静澈度分布可认为是常数，鞠蚤f = 0 时， t ( x ，y ，z , o ) = 磊= c o i q m 2 2 2 流弄条件 边猝条件为混凝土表谣与桶酮介质( 如空气和承) 之蔺温度相互件用的规律。湓 华中科技大学硕士学位论文 度场计算时的边界条件有三类： ( 1 ) 第一类边界条件为混凝土表面的温度r 是时间f 的已知函数，即 t = ，( f ) ( 2 - 9 ) 在实际工程中，属于第一类边界条件的情况是混凝土表面与流水直接接触，这时 可取混凝土表面的温度等于流水的温度瓦，即： t = 瓦 ( 2 - 1 0 ) ( 2 ) 第二类边界条件为混凝土表面的热流量q 是时间f 的已知函数，即 一a ( 娶) ：g ( f ) ( 2 1 1 ) ( 7 胛 式中， n 一混凝土表面的法线方向； 五一混凝土的导热系数。 若表面的热流量等于零，则第二类边界条件转化为绝热边界条件，即： 0 t ：0( 2 1 2 ) 加 如果结构的几何形状和边界条件都是对称的，则在对称面上热流量为零( 绝热边 界条件) ，此时只需取对称面一侧的结构进行温度分析。 ( 3 ) 第三类边界条件为混凝土与空气接触时的情况，表示了固体与流体( 如 空气) 接触时的传热条件。即混凝土的表面热流量和表面温度r 与气温瓦之差成正 比，即 一五婴：卢( r l ) ( 2 1 3 ) 式中，口一表面放热系数，k j m 2 h 。 对于第三类边界条件，由( 2 1 3 ) 式可知，当表面放热系数卢趋于无穷时，t = l ， 从而转化为第一类边界条件，当表面放热系数卢：o 时，娶：0 ，又转化为绝热边界 条件。 计算中初始条件和第一、第二类边界条件均可用温度边界条件来表示，第三类边 1 3 华中科技大学硕士学位论文 界条件表示了固体与流体接触时的传热条件，可用对流边界条件来表示。 2 2 3 太阳辐射影响 混凝土建筑物常常是暴露在阳光之下，太阳辐射热对温度场有重要影响【5 6 。设单 位时间内单位面积上太阳辐射来的热量为s ，其中被混凝土吸收的部分为月，剩余被 反射部分为s 一月，于是有： r = 口。s ( 2 - 1 4 ) 式中，a 。一吸收系数，或称其为黑度系数，混凝土表面的a 。z 0 6 5 。 考虑日照后的边界条件为： 一兄娶：卢( 一一) 一r (215)1 一l 一2 口i 一。j 一 、z 一 或 一 号；= 丁一c 瓦1 + 砉， c z 一a ， 一 一= 口1 一i 十一j l l z i o 册 i口l 比较式( 2 - 1 5 ) 和( 2 1 6 ) ，可见日照的影响相当于使周围空气的温度升高了 疋= r p ( 2 1 7 ) 2 3 水泥水化热与混凝土绝热温升 水泥水化热是影响混凝土温度应力的一个重要因素，而实际上温度场计算中采用 的是混凝土的绝热温升口。要测定绝热温升通常有两种方法1 1 0 , 1 1 】：一种是直接法即 用绝热温升试验设备直接测定；另一种方法是间接法，即先测定水泥的水化热，再根 据水泥的水化热及混凝土的比热、容重和水泥的用量计算绝热温升。在缺乏实测资料 的时候，通常采用间接法。 2 3 1 水泥水化热 水泥的水化热是依赖于龄期的，通常采用双曲线式来计算水泥的水化热。 q ( r ) ：盟 ( 2 一t 8 ) 以十r 式中，q ( r ) 一水泥水化热，单位k j k g ； r 龄期，单位天； 华中科技大学硕士学位论文 魏龄期趋于无穷时的最终水化热，单位k j k g ： ”为常数，需通过试验值来褥到。 式( 2 - 1 8 ) 舆有下歹特性： 当r = 0 时，q ( r ) = 0 当r = 时，q c r l = q o 当r = 捋时tq 0 ) = q o 2 出上瑟露见，撵是承淀承纯熬达到一半对瓣龄麓。为了镂予蹲试验凌糕避行整理， 上式也常改写如下： l ：旦+ 二( 2 1 9 ) g f ) q oq o 若以r 为横坐标，r q ( r ) 为纵坐标，通过试验点作一直线，此囊线的斜率为t q o ， 它在纵嫩标轴上的截距为绕，一次作豳便可求出月和q o 。 2 3 。2 渥凝土绝热湿羚 混凝的绝热漫辩最好也要由试验资料来确定，若缺乏实测资料蛇隧嫉，霹根撂 水泥水化热计算如下： ：盟幽 ( 2 。2 0 ) c o 上式中，矿燕永溺的阉量；( k g m 3 ) c 跫混凝主懿跑热；k j k g ) p 楚漉凝土静密凄；( k g m 3 ) f 怒混合幸考豹雳羹；承g