（水工结构工程专业论文）斜层铺筑对碾压混凝土重力坝温度场及温度应力的影响研究.pdf

摘要 论文题目：斜层铺筑对碾压混凝土重力坝温度场及温度应力的影响研究 学科专业：水工结构工程 研究生：刘曜 指导教师：陈尧隆教授 摘要 签名： 签名： 斜层平推铺筑法碾压混凝土筑坝技术已经在许多工程中应用，与传统 的平层铺筑法相比斜层平推铺筑法具有更简便、更经济、更高效等优越性。 关于碾压混凝土坝的温度场和温度应力的研究，前人在这方面已经做出了 很多重要成果，而使用斜层平推铺筑法在这方面目前并未总结出定量的标 准，本文研究斜层铺筑对温度场和温度应力的影响，从而为施工设计提供 一定的依据。 本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a n s y s 的a p d l 语言编制了碾压混凝土重力坝温度场、温度应力 场的仿真计算程序。该程序在编制过程中考虑了碾压混凝土分层浇筑、施 工间歇、弹模变化、绝热温升过程、环境温度的变化、混凝土徐变、不同 蓄水高程等因素对坝体温度场及应力场的影响。 本文结合某碾压混凝土大坝工程实际对斜层平推铺筑法与平层铺筑法 两种不同的施工方法的温度场、温度应力进行了全过程的仿真分析。通过 对结果的分析，得出一些结论，希望对今后这方面的研究能提供一些参考。 关键词：碾压混凝土重力坝；斜层平推铺筑法；a n s y s ；温度场： 温度应力：有限元法 t i t l e ：t h er e s e a r c ho fi n c l i n e d l a y e rp l a c i n ge f f e c t o nt h et h e r m a lf i e l da n dt h et h e r m a ls t r e s s o ft h er c cg r a v i t yd a m m a j o r ：h y d r u l i cs t r u c t u r e n a m e ：y a ol i u s u p e r v i s o r ：p r o f y a o l o n gc h e n a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： i n c l i n e d - l a y e rp l a c i n gm e t h o do fr o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t ed a r nt e c h n o l o g yh a sb e e n u s e d mm a n ye n g m e e n n ga p p l i c a t i o n s ，w i t ht h et r a d i t i o n a lb u i l t - l a y e rc o m p a r e d ，i n c l i n e d 1 a y e r p l a c i n gm e t h o di sm o r ec o n v e n i e n t ，m o r ee c o n o m i c a l ，m o r ee f f i c i e n t ，t h er e s e 扣? c ho ft h e t e m p e r a t u r ea n dt h e r m a ls t r e s so fr o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t ed a m ，o u rp r e d e c e s s o r si n t h i s r e g a r dh a v ea l r e a d ym a d eal o to fi m p o r t a n tr e s u l t s ，b u tt h e r ei sn oq u a n t i t a t i v ec r i t e r i a s u m m a r i z e da b o u tu s i n gi n c l i n e d l a y e rp l a c i n gm e t h o d i nt h i s p a p e rs t u d yt h ee f f e c to f i n c l i n e d l a y e rp l a c i n gm e t h o do nt h et h e r m a lf i e l da n dt h e r m a ls t r e s ss oa st op r o v i d eab a s i sf o r t h ec o n s t r u c t i o nd e s i g n i nt h i sp a p e r , t h et h e o r yo fh e a tc o n d u c t i o ni s d e r i v e df r o mt e m p e r a t u r ea n dt h e t e m p e r a t u r es t r e s so ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dt h e o r e t i c a lf o r m u l a a p d ll a n g u a g eo fa n s y s a r eu s e dt oc o m p i l et h es i m u l a t i o na n da n a l y s i sp r o g r a m so ft h e r m a lf i e l da n dt h e n n a l s t r e s s i nt h ep r o g r a m ，t h ee f f e c to fs t r a t i f i e dp o u r i n g ，c o n s t r u c t i o ni n t e r v a l ，t h ec h a n g e o fm o d u l u so fe l a s t i c i t y , t h ea d i a b a t i cr i s eo ft e m p e r a t u r e ，t h e c h a n g eo fa m b i e n t t e m p e r a t u r e ，c o n c r e t ec r e e pa n dt h eb r e a c hf l o wo nt 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 s f i e l da r ec o n s i d e r e d b a s e do na 1 1a c t u a lp r o j e c t ，t w od i f f e r e n tm e t h o d so f i n c l i n e d 1 a y e rp l a c i n gm e t h o da n d l a y e r - b u i l tm e t h o da r eu s e dt oa n a l y s i st h e r m a lf i e l da n dt h et h e r m a ls t r e s s s o m em e o r e t i c a l h o p ef o rt h ef u t u r er e s e a r c hi nt h i sa r e ac a np r o v i d es o m er e f e r e n c et h r o u g ht h ea n a l y s i st o r e s u l t ，af e wc o n c l u s i o n sh a v eb e e nf o u n dt oo f f e rr e f e r e n c et ot h er e s e a r c ho fi n c l i n e d 1 a y e r p l a c i n gm e t h o d k e yw o r d s ：r c cg r a v i t yd a m ；i n c l i n e d l a y e rp l a c i n gm e t h o d ；a n s y s ；t h e r m a lf i e l d ； t h e r m a ls t r e s s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i 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：j 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i 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 论文侈者签名：塞r 上塑星。i 护秒罗年蔓月工f 目 学位论文使用授权声明 本人盔! 醺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土硕士学位。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，。郾：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i ，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。 本入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。j ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明 。 论文作者签名：建l 塾；，导师签名： 、p 乏坦麓 v 7 0 爹 声，叫日 1 绪论 1 绪论 1 1 碾压混凝土坝及其温度控制的研究进展 1 1 1 碾压混凝土重力坝的发展概况 碾压混凝土坝在我国经历了2 0 年的发展历史，过程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，2 n n 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 3 年至1 9 7 9 年，美国陆军工程师团在艾克溪( e l kc r e e k ) 和劳斯特溪( l o s tc r e e k ) 工程中分别进行了碾压混凝土坝现场试验：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采用，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 月修建的日本的岛地川坝，该坝为高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- 杉9 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一1 已越来越多的受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( 福建坑口坝) 以来，也大力研究发展该 项技术。 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。但是， 碾压混凝土坝不能像常规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。 西安理工大学硕士学位论文 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 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。目前已建成的最高的碾压混凝土坝 是哥伦比亚的拉麦尔坝，坝高1 8 8 m ，2 0 0 3 年建成。当前在建的坝高超过拉麦尔坝的就是 我国2 0 0 1 年开工的龙滩坝，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。 随着碾压混凝土重力坝的建设和发展，其趋势主要体现在： ( 一) 碾压混凝土坝的地区分布较广泛规模日益扩大 碾压混凝土坝可修建在各种不同气候条件下的世界各个地区。在高温地区，阿尔及利 亚的b e n ih a r o u n 坝( 坝高1 2 1 m ，碾压混凝土量1 6 9 万m 3 ) ，所处地区最高气温可达4 3 ； 在低温地区，美国的上静水坝( u p p e rs t i l l w a t e r ，坝高9 1 m ，碾压混凝土量1 1 2 万m 3 ) 和 加拿大的l a cr o b e r t s o n 坝( 坝高4 0 m ，碾压混凝土量2 8 万m 3 ) 两坝所处地区冬季最低 气温可达- - 3 5 以下；在多雨地区，智利的潘戈坝( p a n g u e ，坝高1 1 3 m ，碾压混凝土量6 6 万m 3 ) 在1 3 个月的施工期内总降水最高达4 4 3 6 m m ，最集中的3 个月降水量达3 1 3 0 m m 。 1 9 9 9 年与1 9 9 4 年相比，每年建成的碾压混凝土坝平均坝高从4 5 m 增加到8 7 m ，平均 碾压混凝土量从1 5 万m 3 增加到4 5 5 万m 3 。我国在2 0 0 1 年开工的龙滩碾压混凝土坝， 坝高2 1 6 5 m ，碾压混凝土量为6 8 0 万m 3 ，是目前世界上最高的碾压混凝土坝。可见，碾 压混凝土坝的规模正在日益扩大。 ( 二) 碾压混凝土材料与筑坝技术在发展中相互促进 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，而从目前的发展趋势 看，当今的碾压混凝土多采用高胶凝材料用量的富浆碾压混凝土，自1 9 9 2 年以来采用不 同胶凝材料用量修建的碾压混凝土占总数的比例为：富浆碾压混凝土( 胶凝材料用量 1 5 0 k g m 3 以上) 占4 5 左右：中等胶凝材料用量的碾压混凝土坝( 胶凝材料用量 1 0 0 1 4 9 k g m 3 ) 占2 3 左右；r c d 坝占16 左右；贫浆碾压混凝土坝( 胶凝材料用量低于 9 9 k g m 3 ) 占1 2 5 左右。 在中国、日本、美国和西班牙这四个碾压混凝土坝最多的国家，碾压混凝土坝的平均 水泥用量大致相当，基本上在7 5 - - - 8 5 k g m 3 的范围内。而传统混凝土重力坝的水泥用量 约为2 2 0 k g m 3 。四个国家胶凝材料用量的差异，主要是活性掺和料( 粉煤灰) 用量的不 同。日本碾压混凝土胶凝材料用量较低，活性掺和料的掺量也最低，而西班牙胶凝材料用 量最高，活性掺和料的掺量也最高。 ( 三) 高碾压混凝土重力坝的设计、应力和承载能力计算分析日趋完善 ( 1 ) 碾压混凝土重力坝的设计 2 1 绪论 碾压混凝土坝设计要考虑的因素有：便于碾压混凝土施工、加快进度、缩短工期；保 证坝体稳定、满足强度、抗渗和耐久性要求；做好防渗、排水、廊道等构造：确定温控要 求，设置温度收缩缝，防止坝体裂缝；降低造价等。根据上述要求和高坝的特点，正在研 究高碾压混凝土坝完善的设计方法。 ( 2 ) 碾压重力坝的应力和承载能力计算分析 碾压混凝土重力坝的应力和稳定计算，可用常态混凝土坝的计算方法。在传统的重力 坝结构计算方法中，坝体应力计算采用材料力学法，抗滑稳定计算采用刚体极限平衡法， 对于高混凝土重力坝，需要用有限元法计算分析坝体应力和坝基应力状态，综合评价大坝 的安全性。因此，非线性有限元分析已成为大坝设计中应力分析和稳定分析的重要手段。 根据弹塑性力学和非线性断裂力学的最新进展，采用非线性弹性理论、弹塑性增量理 论和非线性断裂理论研究重力坝的应力状态和承载能力，已成为高混凝土坝的重要分析研 究方法。 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已 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 3 西安理工大学硕士学位论文 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u 一1 ，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 厚的常态混凝土，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 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1 中明确规定，碾压混凝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u ，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 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b “1 。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 4 1 绪论 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，不设纵缝，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。 1 2 碾压混凝土坝温度控制的研究方法 1 2 1 碾压混凝土坝温度场的研究方法 对碾压混凝土坝温度场的研究方法，一般可分为解析和近似两类方法n 盯。解析方法是 用数学分析方法，求出严格地满足微分方程和边界条件的函数形式的精确解答。但是水工 结构实际中遇到的问题大多数边界条件比较复杂，难以求出理论解答。解析法一般可用于 验证数值方法的可靠性。近似方法包括数值解法、图解法等。数值方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。 ( 1 ) 差分法：在有限单元法出现以前，温度场的数值计算多采用差分法。差分法过程 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。 ( 2 ) 边界元法：边界元法具有以下优点：沿计算域边界离散，使问题的维数降低，计 算精度提高，数据准备少，但是要用边界元模拟混凝土坝的施工过程及多种材料比较困难。 ( 3 ) 有限元法：有限元法是随着计算机的出现而迅速发展起来的数值方法。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，再解方程组求出结点的温度值。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；另外， 用有限元法计算温度场可以与温度应力场的计算嵌套进行，这是其他数值方法目前尚难以 做到的，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。有文献提到建立时空有限元，即在时间域也采用有限元 西安理工大学硕士学位论文 至 = 至芝i j ：至 三耋 谢瓯 c 3 ， 6 1 绪论 3 ) 广义约束矩阵法 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m 个单元，整个坝体的单元数为n 个。( b ) 令第i 个单元的温度下降l ，求出其它第j 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。 ( 3 ) 数值方法 以上实用算法无法考虑混凝土的徐变、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，这很难甚至不可能正确反映混凝土坝的温度，因而提出 了数值方法。数值方法有边界单元法和有限单元法两种方法。边界单元法节省计算时 间，但要考虑施工过程中的徐变应力场及坝内介质非均匀性，则会遇到很大困难，而 且目前该计算方法在混凝土坝应力场中的运用提及甚少。 有限单元法是目前较为成熟的计算混凝土坝温度场和应力场的数值方法。根据温 度应力随时间发展变化的特点，一般采用增量初应变法。即在每一计算时段初用前一 时段的应力增量计算徐变变形增量，并将其看作计算时段的初应变而转化为等效结点 荷载，再求解计算时段的位移增量和应力增量。为了将此方法实用化，减少计算机存 贮量，英国著名学者0 c z i e n k i e w i c z 提出了等时段条件下徐变增量的递推算法；在 此基础上，我国水工结构专家朱伯芳院士又提出了不等时段条件下徐变增量的递推关 系。为了进一步提高计算精度，朱伯芳院士又提出了混凝土结构徐变应力分析的隐式 解法。这些改进工作使得在微机上可以利用有限元时间过程分析法计算混凝土坝的温 度应力。 1 3 温度控制的的研究现状及发展趋势 随着温度问题的大量出现，人们逐渐意识到因温度开裂给工程带来的严重影响。国外 对大体积混凝土结构温度应力的研究是从上世纪3 0 年代中期美国修建鲍尔德坝( 现改称 为胡佛坝) 开始的。u 混凝土坝的温度场，温度应力场分析和温控设计方法，有以美国 为代表的有限元时间过程分析方法和以日本为代表的约束系数矩阵法，英国和法国一般采 用a n s y s 、a d i n a 和a b a c u s 等专用程序。 1 9 7 3 年，中国水利水电科学研究院朱伯芳院士自编了我国第一个混凝土温度徐变应 力的有限元程序，并开创性的将其应用于三门峡重力坝底孔温度应力分析中，实现了我国 历史上首次大体积混凝土温度应力的仿真计算。【2 0 2 妇 我国在大体积混凝土结构温度应力数值计算分析和理论研究方面，一直处于世界前 列，这是我国坝工界，特别是我国水利科研院所、高等院校从5 0 年代起不懈努力的结果。 进入8 0 年代以来，中国水利水电科学研究院、清华大学、天津大学、大连理工大学、西 安理工大学、河海大学、武汉水利电力大学、四川大学等，都进行了碾压混凝土坝温度应 7 西安理工大学硕士学位论文 力的攻关研究，分别对沙溪口溢流坝、岩滩工程围堰、观音阁、铜街子、普定、龙滩、小 湾等已建、在建和待建的混凝土坝进行了温度应力计算。上述单位通过理论研究和工程实 践，取得了一批有价值的成果。u b 埘1 中国水利水电科学研究院朱伯芳院士为减少计算工作量，提出了以误差控制为特点 的“并层算法 乳2 3 1 。在此基础上，他还提出了温度场和应力场的分区异步长算法 2 3 , 2 4 , 2 5 , 2 6 。该算法主要是为了解决计算时段太多的问题。它与上述的并层算法相结合， 对密集单元区域、单层单元区域、复合并层单元区域及均质并层单元区域，分别采用不同 的计算步长，密集单元区域和单层单元区域的计算步长较小( 如0 2 1 0 天) ，而复合并 层单元区域和均质并层单元区域的计算步长较大( 如1 0 一- - 3 0 天) ，即大大减小了计算规模， 又具有较高的精度。 1 9 8 9 年西安理工大学结合三峡大坝坝体混凝土快速施工分缝研究，对大仓面薄层浇 筑混凝土中施工期温度应力进行了粘弹性有限元模拟，采用了一种将两层或多层并于一层 的“互层单元”，在此基础上经过多年的探索和研究，提出了“三维有限元浮动网格法 ， 并在“八五”、“九五”期间对龙滩碾压混凝土重力坝的温度应力进行了系统研究“l 蹦2 9 。 所谓“浮动网格法 ，是根据混凝土的材料特性与龄期的关系，将浇筑到某一时间之前的 若干层网格进行浮动，将这些薄层网格浮动为一个或若干个大网格。碾压混凝土坝在分层 浇筑时，各层的物理力学性质，如弹性模量、水化热温升、徐变度等都是随龄期的增长而 变化，在混凝土达到一定龄期后，这些浇筑层的物理力学性质的变化梯度已很小，于是， 在有限元计算中，可以把这些浇筑薄层的网格浮动为大网格，浮动后的内的混凝土可作为 均质体计算，其弹性模量、水化热温升和徐变度可用平均龄期的数值进行计算。经计算验 证浮动与不浮动的误差不超过3 。该法可使各种分层施工的多层混凝土结构及高坝的三 维有限元温控仿真分析在微机上实施称为可行，且既能降低计算工作量又能保证足够的计 算精度。 武汉水利电力大学王建江博士在“八五 攻关项目中提出了旨在减少网格数量的“非 均质单元法”“川，在该方法中，混凝土坝根据各施工层混凝土的龄期的不同，而被逐 步并和，在充分考虑了分层施工影响的同时，计算工作量得到了简化；大连理工大学在碾 压混凝土拱坝的三维应力场仿真分析中，根据大坝分层的施工特点，将混凝土水化热项单 独考虑，提出了仿真分析的“波函数法；1 9 9 0 年至1 9 9 2 年河海大学结合小浪底工 程完成了大体积混凝土结构的二维、三维有限元仿真程序系统( t c s a p ) ，且提供了丰富的 前后处理和图形输出技术。在应力开裂仿真计算方面，清华大学刘光廷教授等将断裂力学 的研究成果融入功能强大的仿真程序中，应用“人工短缝 成功地解决了溪柄碾压混凝土 薄拱坝两岸的温度拉应力问题u ；武汉水利电力大学的肖明提出了考虑外部温度变化效 应的三维损伤开裂非线性有限元分析方法；曾召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，其成果直接被的沙牌碾压混凝土拱 坝所采用；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土坝全过程多因素 1 绪论 仿真分析方面取得出色成果u ；大连理工大学按照b a z a n t 混凝土固化徐变理论，提出了 混凝土的非线性徐变应力计算方法，考虑了混凝土不可恢复徐变对坝体应力状态的影响， 并将之用于沙牌碾压混凝土的仿真计算之中n 5 3 6 1 ；河海大学的陈里红首次在温度应力仿 真分析中考虑了混凝土的软化特性，并在龙滩碾压混凝土坝的温控设计中建立了一、二、 三维有限元综合分析的数值模型。这些研究成果大多是结合具体工程进行研究，因此形成 了各具特色的研究方法。从各家仿真计算结果来看，温度场的计算结果非常接近，但应力 成果有一些差别。 1 4 碾压混凝土重力坝的斜层平推铺筑法 1 4 1 斜层平推铺筑法的施工原理 斜层平推铺筑法的施工原理见图1 1 。图中h 为升程高度；l 为仓面长度；h 为碾压 层厚度。在小斜层底部坡角伸出一短的水平段，以避免底部形成尖角，解决坡角处骨料被 压碎而形成薄弱带的问题。斜层坡度、升程高度和碾压层厚度是平推铺筑法的3 个主要参 数，通过选择合适的参数，达到层间间隔时间缩短的目的。这种方法的主要特征是碾压层 面与浇筑块的顶面和底面相交，操作工艺则与通仓薄层连续铺筑法相同“玑1 。 图i - i 斜层平推铺筑法示意图 ( f a g 1 1s k e t c hm a po fi n c l i n e d l a y e rp l a c i n gm e t h o d ) 1 4 2 斜层平推铺筑法的优点 碾压混凝土重力坝施工的斜层平推铺筑法，在施工方法上与常态混凝土重力坝的台阶 施工法相似。采用斜层平推铺筑法这种新工艺，可以用较小的浇筑强度覆盖较大的坝体铺 筑面积，减小坝块面积过小的影响和模板工程量，可以进行大面积持续铺筑，由于斜层铺 筑法可以连续施工，大大提高r c c 施工的综合效率。在相同施工强度情况下，可以降低一 些关键设备( 如拌和机械和混凝上运输设备) 的配置容量，减少临时设备费用。因此，在降 低成本的同时，提高了工效，加快了工程进度，这是突出的优点，采用斜层铺筑法最明显 优点是层间间隔时间缩短，施工层铺砂浆后可即刻覆盖碾压混凝上，减少砂浆闲置时间， 也减少制冷混凝上在高温季节施工的温度，因而层间结合较好，解决了r c c 历来令人担心 的问题。以前的检测资料也表明，斜层铺筑法层面内摩擦系数f 提高5 ，层面凝聚力c 提高1 7 ，这些参数对重力坝稳定计算是非常有利的。另外在多雨季节施工。由于是斜层 面更有利于雨水排除，减少雨水对混凝土质量的影响。因某种原因中断施工时，形成倾向 9 西安理工大学硕士学位论文 上游的斜坡面，有利于大坝的抗滑稳定。浇筑能力足够大时，采取斜层铺筑法可以扩大沿 轴线方向的尺寸，即几个坝段可以同时施工。可减少横缝立模工作量，节省等强拆模时间， 并减少仓面混凝上品种( 不立横缝模板取消了模板附近的常态混凝土或变态混凝土) ，提高 了仓面工作速度。上游面防渗混凝土的上升方式虽然与平层铺筑法相同，但层间间歇时间 大大缩短，更有利于施工缝面上应用新鲜的砂浆垫层与极短的时间覆盖r c c 并碾压致密， 以保证其防渗性能与胶结的牢固性。斜层平推铺筑法于1 9 9 6 年在江垭工程施工中提出并 首先采用，斜层坡度为6 6 7 ；继江垭之后，棉花滩、汾河二库、大潮山等工程的碾压 混凝土坝，也采用了斜层平推铺筑法。 1 4 3 关于斜层铺筑法的方向问题 在主应力面上的剪应力为0 ，是不会发生剪切破坏的。因此，如果碾压混凝土的层面 是沿着主应力面的，也就不会发生沿层面的滑动了。碾压混凝土坝的主应力面是倾向于上 游的，若全沿着这一主应力面设置碾压层面，将为施工带来很大困难，甚至是不可能的。 为此，对于高碾压混凝土坝，在低部位可以一个或几个坝段为一个碾压单位，进行从下游 到上游的斜层铺筑，以提高碾压混凝土坝的抗滑稳定。碾压混凝土层面向上游倾斜 1 ：2 0 , - - 1 ：1 0 的坡度，可使层面的强度储备安全度提高1 6 4 2 6 5 ，效果是十分显著的。 而到坝体的中高部位，坝面的上下游宽度不适宣采用自下游到上游的斜层铺筑，铺筑方向 宜从左坝肩到右坝肩进行l 6 9 1 。 1 5 本文的研究目的及研究内容 1 5 1 本文研究目的 同常态混凝土坝相比，碾压混凝土坝由于受施工影响采用通仓浇筑快速上升，坝体内 毋庸置疑的存在着温度应力问题，碾压混凝土坝产生温度应力的机理与常规混凝土坝相 同，虽然碾压混凝土为低热筑坝材料，水泥用量少，其水化热温升一般为1 5 - - 2 5 c ，仅 为常态混凝土的5 0 - 7 0 ，但由于碾压混凝土掺有相当数量的粉煤灰，因而水化热发生 延迟，这使得施工面自然散热效率降低，关于碾压混凝土重力坝的温度应力问题，前人在 这方面做出了很多有用的成果，而用斜层平推铺筑法浇筑的碾压混凝土坝( 简称斜层碾压 混凝土坝) ，其温度场及温度应力如何，和一般的碾压混凝土重力坝又有何异同，并未总 结出定量的标准。本文正是基于这种前提对斜层碾压混凝土重力坝温度场及其温度应力做 一些分析与探讨。 1 5 2 本文主要研究内容 ( 1 ) 建立模型，运用生死单元仿真模拟出斜层碾压混凝土坝的浇筑过程； ( 2 ) 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； ( 3 ) 研究了a n s y s 通用软件在混凝土温度场计算中的应用，并编制了斜层碾压混凝土 1 0 1 绪论 坝温度场、：温度应力场的仿真计算程序( 命令流) ： 。 ( 4 ) 结合工程实例计算分析； ( 5 ) 分析在施工及运行过程中斜层平推铺筑法浇筑的碾压混凝土坝的温度应力场，及 水温、气温、施工安排对温度应力场的影响，得出一些具有应用价值的结论： ( 6 ) 将水平铺筑法和斜层铺筑法的计算结果经行对比分析，对比出两者之间的差别， 最终得出了斜层平推铺筑法浇筑的碾压混凝土坝更有利于温控的结论。 西安理工大学硕士学位论文 2 温度控制计算原理 2 1 热传导基本理论协瑚1 2 1 1 热传导方程 假设一均匀各向同性体，内含有热源，从中取出一个无限小的六面体a k a y a z ，如图 2 - 1 所示，单位时间内沿x 方向进入的热量为q x a y a z ，流出的热量为g ，+ 出a y a z ，则单位时 间内沿x 方向进入的净热量为 q = q j q x + a x 协出 ( 2 1 ) 由固体热传导理论，热流密度q ( 单位时间 内通过单位面积的热流量( k j h ) ) ，可表示 为 q 。：一名娶 ( 2 2 ) z2 一九：一 lz zj 式中旯一导热系数( k j m h ) ； 叭融= 一旧+ 譬刁3 ， q = x o 苏 r ：a x , # a z ， ( f i g 2 1t h e r m a lc o n d u c t i o ns k e t c hm a p ) ( 2 4 ) l 司理，沿y 、z 方向进入的净热量分别为 g “窘撕 ( 2 5 ) 盼允窘a x a y 出 ( 2 6 ) 则六面体吸收的总净热量为：q l = q ，+ q ，+ 鲮 由于水泥水化热作用，在六面体内单位时间发出的热量为 q 2 ：印娑蚴 ( 2 7 ) 式中：c 一混凝土的比热( k j k g 功；p 一混凝土的密度( k g m 3 ) ； 口一混凝土的绝热温升( 功。 在单位时间内，六面体由于温度升高所吸收的热量为 幺：印娶出抛 ( 2 8 ) 由热量平衡原理，混凝土温度升高所吸收的热量必须等于从外界进入的总净热量与 1 2 2 温度控制计算原理 混凝土本身水化热之和，即 q 3 = q l4 - q 2 ( 2 9 ) 代入q l 、q 2 、q 3 的表达式，化简后得固体中热传导方程 等= 口( 窘+ 害+ 窘 - i - 警 汜 瓦川【萨+ 矿+ 可j 瓦 吣川) 式中口一混凝土的导温系数( 肌2i h ) ，口= 兰，其中旯、c 、p 的含义与上述相同。 c p 若式( 2 1 0 ) 中的笺o 、要0 ，即温度场不但受混凝土水化热的影响，而且还随 时间变化，则为所谓的非稳定温度场。 若式( 2 1 0 ) 中的罢= 0 、i a t 0 ，即混凝土内无热源情况，但温度场还随时间的变化 而变化，则为准稳定温度场。 若式( 2 1 0 ) 中的罢：o 、罢：0 ，即混凝土内不但没有热源，而且温度场不随时间变 化，则为稳定温度场。 2 1 2 导热问题的定解条件 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， 为了确定需要的温度场，还必须知道初始条件和边界条件。初始条件为在初始瞬时物体内 部的温度分布规律，边界条件为混凝土表面与周围介质( 如空气或水) 之间温度相互作用的 规律，初始条件和边界条件合称为边值条件( 定解条件) 。 a 初始条件 初始条件指的是初始瞬时( f = 0 ) 导热物体的温度分布，即 丁g ，弘z ，) = 瓦g ，y ，z ) f = o( 2 1 1 ) b 边界条件 导热问题的边界条件，即物体边界上的换热条件，在热力学分为以下四类呦1 ： ( 1 ) 第一类边界条件 混凝土表面温度丁是时间f 的已知函数，即 丁0 ) = z ( f ) f 0( 2 1 2 ) ( 2 ) 第二类边界条件 混凝土表面的热流量是时间的已知函数，即 允娑= 以0 ) f o( 2 1 3 ) 式中n 为表面外法线方向。若表面是绝热的，有 1 3 西安理工大学硕士学位论文 竺：0 ( 2 1 4 ) ( 3 ) 第三类边界条件 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乙之差成正比，即 一力要：( 丁一疋) ( 2 1 5 ) 一以i 一2