碾压混凝土重力坝的温度应力与温度控制

1、碾压混凝土重力坝的温度应力与温度控制摘 要:本文系统地研究了碾压混凝土重力坝的温度应力与温度控制问题，发现在基础温差、上下层 温差、内外温差、劈头裂缝及底孔超冷等各方面，碾压混凝土重力坝与柱状浇筑常态混凝土重力坝都有 重大差别。本文还研究了碾压混凝土重力坝中基础常态混凝土垫层的温度应力问题。关键词:温度应力控制 碾压混凝土坝 一 nf s当碾压混凝土开始用于筑坝时，由于水泥用量比常规混凝土大为减少，人们曾经一度认为碾压混凝 土坝不存在温度控制问题。示来经过研究，发现碾压混凝土筑坝，仍然存在着温度应力和温度控制问题山。由于人量掺用粉煤灰，碾压混凝土屮的水化热发展推迟，而坝体上升速度较快，所以碾压

2、混凝土坝 施工过程中通过浇筑层面散失的热量较少。另外，气温年变化和寒潮也是引起裂缝的重要原因，它们对 碾压混凝土和常态混凝土的影响是和同的，实际上在碾压混凝土坝中也出现了裂缝，因此，目前人家都 已认识到，碾压混凝土坝同样存在着温度应力和温度控制问题，但到目前为止，研究工作尚不够深入， 不够系统，不少作者仍沿用过去研究柱状浇筑常态混凝士重力坝温度应力的观点和方法来研究碾压混凝 土重力坝的温度应力和温度控制问题，实际上碾压混凝上重力坝的温度m力有它自身的特点，必须充分 考虑这些特点，才能得到正确的结论。二碾压混凝土的材料特性碾压混凝土的弹性模最e和线膨胀系数ot与常态混凝十相近。碾压混凝土的绝热温

3、升0低于常态混凝 土，但其极限拉伸也略低于常态混凝土。在徐变度c(t, t)中令t-00得到最终徐变度c(t),混凝土的徐 变系数为<d(r) = e(r)c(r) = c(r)十1 / e(r)所以代表在龄期t受力时，最终徐变度与瞬时弹性变形的比值。在相同温差作用下，越小，温度 应力越大，在表1中列出了碾压混凝土和常态混凝土的徐变系数。从表中叮见，碾压混凝土的 低于常态混凝土，这点对防止裂缝是不利的。表1碾压混凝土和常态混凝土的徐变系数混凝土龄期(d)72890岩滩坝碾压混凝上1.1200.690.47三峡由堰碾压混凝土0.5460.390.25龙滩坝碾压混凝土0.7170.480.3

4、9常态大坝混凝土(五坝平均值)1.3601.080.77三 基础温差引起的温度应力过去人们认为通仓浇筑重力坝因浇筑仓面大，rh相同基础温差引起的应力大于柱状浇筑重力坝，但 我们发现，考虑施工过程的影响示，情况并非如此。对于柱状浇筑的常态混凝土重力坝，在接缝灌浆前 必须进行人工冷却，使混凝土温度降至坝体稳定温度，此时浇筑块还远未浇筑到坝顶，坝前尚未蓄水， 因此在计算基础温差引起的应力时，自重和坝前水压力可以忽略，只需单独考虑基础温差。而对于通仓 浇筑的常态混凝土和碾压混凝土重力坝，情况则完全不同：坝内无纵缝,不必进行接缝灌浆前的二期冷 却，当坝体内部温度由于自然冷却而降至坝体稳定温度时，坝体早已

5、竣工，因此在计算坝体应力时，必 须把基础温降、混凝土自重和坝体水荷载进行叠加，三利|荷载叠加所产生的拉应力小于单独山基础温降 引起的拉应力。1. ta度荷tt(ar-nt)2. “ 自 r3. 水荷戟(低水头)4. * 度自整5. -国度自k 低水头(135m)6. 狙度自 u 中水issm)7. is度自高水头(175m)*607iss2itx1:v：2 -3y3 -2 -、101 i80图1温度、自重与水压力共同作用下的坝体应力为了研究自重和水压力对碾压混凝土重力坝丿应力状态的影响，用有限单元法对三峡重力坝碾压混凝 土方案(坝高175m)进行了以下7种工况的计算：(1)单独温度荷载一坝体均

6、匀温降at=-1tc, (2) 单独自重作用，(3)单独水荷载(低水头，水位135m), (4)温度+自重，(5)温度+自重+低水头(135m),(6)温度+自重+中水头(155m), (7)温度十自重十高水头(175m),计算结果见图1。山图1可见：(a)在基础约束范围内，自重和水荷载引起的水平应力为压应力，可以抵消一部分山 温降引起的拉应力，对木坝来说，最大拉应力减小了 0.5mpa, (b)在坝体温降单独作用下，坝踊和坝趾 的铅直应力巧均为拉应力，最大值为1.4mpa,考虑口重和水压力影响后，均变为压应力(上游面6,= -2.2mpa,下游ffiuy=-0.4mpa)o对该坝进行仿真计算

7、，也得到同样的结果。上述计算给我们一个i分重要的启示：与人们传统看法相反，山于坝体内部温度降低到稳定温度时, 坝体早已竣丄，口重和水压力的影响已经存在，坝体拉应力不是大于而是小于柱状分缝常规混凝土重力坝因基础温差而产生的拉应力。m上下层温差引起的温度应力上下层温差主要是山于混凝土浇筑温 度的季节性变化和较长时间的停浇所引起。 对于柱状浇筑块，当浇筑块长度不超过25m 时，一般情况下，温度应力不大，不起控制 作用；対于碾压混凝土重力坝，由于通仓浇 筑，坝块长度人，上下层温差引起的应力可 能比较大。为了求出上下层温差引起的应力 与浇筑块长度的关系，对不同长度的浇筑块 进行了计算。s）浇筑块 （b）

8、上下温差（c）温度应力图2上下层温差引起的应力与浇筑块长度的关系五内外温差引起的应力对于碾压混凝土重力坝和柱状浇筑的常规混 凝土重力坝，内外温差所引起的温度应力的变化规 律是不同的。人们过去没有注意到这一重要差别。混凝土浇筑以后，由于水泥水化热，坝体内部 温度升高，表血与空气接触，温度较低，形成内外 温差，并在表面产生拉应力，如图3所示，对于柱 状浇筑的常规混凝土重力坝，在接缝灌浆前进行二ttt应加伍应力琨伍混凝土鱼力境3 卜人工冷却注状uhtt力以时间f根据施工计划，用有限元方法计算了温 度分布和温度应力，计算结果见图2。由图 可见，上下层温差引起的应力与浇筑块长度 关系十分密切。对于长20

9、m的浇筑块，只 在基础约朿部位有较大应力，在英他部位应 力很小；但对于长浇筑块，上下层温羌可能 引起较大的拉应力，碾压混凝土重力坝，因无纵缝，浇筑块较长，故上下层温差引起的应力较大。期水管冷却，使坝体内部温度降至稳定温度，此时图3内外温差引起的表而应力表面应力即转变为压应力。正是由于这个原因，在柱状浇筑常规混凝土重力坝屮，表面裂缝通常发生在早期，当然，严寒地区可能例外。碾压混凝土重力坝，无纵缝，无二期冷却，坝体内部温度下降很慢，但冬季表面温度可能很低，因 此在坝体表面可能产生较大拉应力，以致引起铅直和水平裂缝。六劈头裂缝柱状浇筑常规混凝土重力坝上游血很少出现深层劈头裂缝。而在通仓浇筑常态混凝土

10、重力坝上游血往往产生劈头裂缝，其深度可这2030m,如美国德沃歇克（dworshak）坝和加拿大雷威尔斯托克 （revelstoke）坝,见图 4。图4宙威尔斯托克坝的上游面裂缝经验表明，施工过程中坝体上游面可能产生一些深度 520cm的表面裂缝，在坝体竣工以后，有些表血裂缝可能 扩展为深层大裂缝。表面裂缝扩展的条件町川断裂力学來说 明。在重力坝上游面切取一水平截面如图5。上游面冇一深 度为l的表面裂缝，缝面上作用着水压力p。横缝止水至上 游坝面的距离为b,在止水以上的横缝面上也作用着水压力 p，坝内温度场为t(x,y,z,i),裂缝稳定的条件为(1)式中：ki缝端应力强度因了，kit温度场引

11、起的应 力强度因子，ke坝体荷载和缝内水压力引起的应力强度 因子，ku止水至上游坝面之间横缝内水压力引起的应力裂址止水二k卩旳血图5坝体上游而的表而裂缝强度因了，me断裂韧度。现在我们可以说明，为什么通仓浇筑重力坝上游面的表面裂缝容易扩展为人裂缝，而柱状浇筑重力坝上游血的表血裂缝很少扩展为大裂缝。柱状浇筑重力坝在 施工过程中也町能产生一些表面裂缝，在接缝灌浆前进行二 期水管冷却后，坝体内部温度降至稳定温度，表血应力转变 为压应力，如图3所示，因此表面裂缝不会扩展。对于通仓 浇筑的重力坝，无纵缝，无二期水管冷却，坝体内部温度降 低缓慢，坝体竣t、水库开始蓄水后，坝体内部温度还很高, 而上游面温度

12、很低，内外温差引起的拉应力和缝内裂隙水的 劈裂作川导致裂缝的扩展。碾压混凝七重力坝的上游面似乎还未产生过人的劈头裂 缝，这可能与目前碾压混凝土重力坝的高度还不大有关，即 使上游面有些表面裂缝，水库蓄水后缝内裂隙水压力还不人。图6 norfork坝第16坝段的裂缝碾压混凝土重力坝无纵缝、无水管冷却，水库开始蓄水时，坝体上游血温度低于坝体内部温度，这些情况与通仓浇筑常态混凝土重力坝是相似的，施工过程中上游面产生的表面裂缝冇可能扩展为大裂缝，因 此，对于比较高的碾压混凝土重力坝，在设计和施工中应充分重视防止裂头裂缝的产生。七底孔超冷在混凝土坝的温度控制中，温差at按下式计算:t=tp+t-tf(2)

13、式中tp混凝土浇筑温度，tr混凝土水化热温升，tl坝体稳定温度。tp+tr为混凝土最高温度。在实 体重力坝内部，tf是最低温度。因此，一般说來，按式(2)计算温差是正确的。当坝内有孔口时，情况冇所不同。孔口内缘与水或空气接触，冬季水温和气温低于坝体稳定温度tf, 孔口边缘的实际温差将超过按式(2)计算的温差，这就是孔口边缘往往岀现较多裂缝的原因。例如，在设冇孔口并通仓浇筑的norfork坝内产生了一条宽4.7mm,高25.9m的大裂缝，如图6所示。 底孔超冷问题对于通仓浇筑的重力坝比对于柱状浇筑的重力坝更为严重，其理由如下：1、基础约朿范围较大。如图7所示，两座重力坝，高度均为200m,底宽均

14、为150m,底孔至岩血的(a)柱状浇筑重力坝 (b)通仓浇筑重力坝高差为10mo对于柱状浇筑的重力坝，坝块 宽度为25m,底孔实际上已脱离基础约束范 围。但対通仓浇筑重力坝，底孔则位于基础 强约束区内。2、对于通仓浇筑重力坝，施工过程中出 现的表血裂缝容易扩展为大裂缝。山于没有 灌浆前的二期水管冷却，孔口中的水温低于 坝体内部温度，而底孔乂位于基础强约朿区,图7通仓浇筑与柱状浇筑重力坝屮的底孔所以通仓浇筑重力坝孔口中的表血裂缝容易 扩展为大裂缝。对于柱状浇筑重力坝，因冇 接缝灌浆前的二期水管冷却，孔口附近内外温差较小， 孔口又脱离了基础约束，所以表面裂缝扩展为人裂缝的 机会较少。当然，如果底孔

15、紧贴革础表面，表面裂缝也 可能扩展为人裂缝。受中国长江三峡开发总公司的委托，我们研究了三 峡重力坝通仓浇筑方案的温度应力和温度控制。该坝在 高程90103m之间有一泄水孔，在高程5070m之间侑 一临时导流底孔，各坝段基岩表面高程为1045m,対于 基岩表面高程45m的坝段，导流底孔与基岩表面z间的 高差为5m,而坝段底宽为105m,导流底孔位于基础强 约束区内，三维有限元计算结果表明，由于底孔超冷， 为了防止裂缝，必须采取很严厉的温度控制扌凿施(见朱伯芳、许平，三峡大坝通仓浇筑的温度应力与温 度控制问题研究，中国水利水电科学研究院，1997年10月)。八岩基上常态混凝土垫层的温度应力图9垫层

16、混凝上屮央断面上的温度应力(无表面保温)%mpa)(a)无表而保温x(mpa)图10水化热温升和气温线性下降在垫层混凝土中引起的温度应通常在基岩表血浇筑1.53.0m厚的常态混凝土作为碾压混凝土的垫层，并在浇筑后停歇较长时间以 便进行基础固结灌浆。实际工程中，热层混凝土中出现了不少裂缝。如图8所示，高155m、底宽120m的 碾压混凝土重力坝，在岩血上浇筑了 1.50m厚的常态混凝土址层后，停歇60天， 以便进行基础灌浆，川有限元方法分析了 温度徐变应力。混凝土绝热温升为 6(t)=25.0t/(2.29+t) (°c),气温变化为 ta= ±0.20t (°c)

17、,其中时间t的单位为天。在 图9 (a)中表示了中央断血上单独山水化 热温升引起的应力(无表面保温，无气温 变化)。在10d以后，全断面受拉，如果由 于寒潮而引起了表血裂缝，容易发展为贯 穿裂缝。如果垫层在低温季节浇筑，浇筑以后气 温逐渐上升：ta=0.20t,山水化热温升与 气温升高引起的应力见图9 (b),表面应 力始终为压应力。如果在梨层浇筑以后，气温逐渐下降：ta= -0.20t,如图10 (a)所示，若无表面保温,温度应力很大,裂缝几乎不可避免,但如表面复盖2cm 厚泡沫鴉料保温，则温度应力将人大减小，如停歇时间不超过45d,将不至于裂缝。九结论1、对于基础温差引起的应力，过去认为由

18、于浇筑仓面大，碾压混凝土重力坝将超过柱状浇筑常规混 凝十-坝。经研究发现，由于碾压混凝土重力坝内部温度降至稳定温度时，坝体早已竣工，白重和水压力 可抵消一部分温度引起的拉应力，总的拉应力水平低于柱状浇筑常态混凝土重力坝由基础温差引起的拉 应力。2、碾压混凝土重力坝无纵缝，无灌浆前的二期水管冷却，内部温度降低缓慢，水库蓄水时，上游曲 温度低于坝体内部温度，上游血表血裂缝有可能扩展为深层劈头裂缝。应采取措施予以防止，最有效的 方法是利川表面保温防止施工过程中出现表面裂缝。3、过去认为上下层温弟不起控制作用，经研究发现，这一结论只适用于柱状浇筑常态混凝土坝，碾 压混凝土重力坝因浇筑块长，上卜层温差可能产生较大的应力。4、底孔超冷在碾压混凝土重力坝中所引起的拉应力将超过柱状浇筑常规混凝土重力坝。5、碾压混凝土重力坝在岩基面上的常态混凝土垫层，由于长期停歇，可能产生裂缝，应采取措施予 以防止。参考文献lu董福品、朱伯芳(1987),碾压混凝土坝温度徐变应力研究，水利水电技术，1987年笫10期，10-25。2 朱伯芳等，水工混凝土结构的温度应力与温度控制，北京：水利电力出版社，1976年。3 bofang zhu (1985), computation of thermal stresses in mass