碾压混凝土重力坝的温度应力与温度控制

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、八一刖言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。后来经过研究，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［1。由于大量掺用粉煤灰，碾压混凝土中的水化热发展推迟，而坝体上升速度较快，所以碾压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相同的，实际上在碾压混凝土坝中也出现了裂缝，因此，目刖大家都已认识到，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应力有它自身的特点，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量E和线膨胀系数a与常态混凝土相近。碾压混凝土的绝热温升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-8得到最终徐变度C(t)，混凝土的徐变系数为①(t)=E(t)C(t)=C(t)-［1/E(t)］所以①(T)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，①(T)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O(t)。从表中可见，碾压混凝土的①(t)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岩滩坝碾压混凝土1.1200.690.47三峡围堰碾压混凝土0.5460.390.25龙滩坝碾压混凝土0.7170.480.39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，由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后，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，三种荷载叠加所产生的拉应力小于单独由基础温降引起的拉应力。3-2-1 0 1D剖面<r,(MPa) 温度荷-lit）3-2-1 0 1D剖面<r,(MPa) 温度荷-lit）•……自建 水荷载（低水头） 温度+自R 温度+自直+低水头（135m） 温度+自重+中水头（155m） 温度♦自攻+高水头（175m）5-6.0图1温度、自重与水压力共同作用下的坝体应力—<.3一一七t4.•・—•_5三a-■5/zS7 77 97 ij7高程30m水平剖面弓（铅宜正应力） X（m）为了研究自重和水压力对碾压混凝土重力坝应力状态的影响，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匀温降AT=-1ir，（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。由图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，可以抵消一部分由温降引起的拉应力，对本坝来说，最大拉应力减小了0.5MPa，（b）在坝体温降单独作用下，坝踵和坝趾的铅直应力气均为拉应力，最大值为1.4MPa，考虑自重和水压力影响后，均变为压应力（上游面气=-2.2MPa，下游面气=-0.4MPa）。对该坝进行仿真计算，也得到同样的结果。上述计算给我们一个十分重要的启示：与人们传统看法相反，由于坝体内部温度降低到稳定温度时，坝体早已竣工，自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。

四上下层温差引起的温度应力上下层温差主要是由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；对于碾压混凝土重力坝，由于通仓浇筑，坝块长度大，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。温差（C） <»r（MPl）（a）浇筑块 （b）上下温差 （c）温差（C） <»r（MPl）（a）浇筑块 （b）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。图3图3内外温差引起的表面应力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，表面与空气接触，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期水管冷却，使坝体内部温度降至稳定温度，此时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中，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面很少出现深层劈头裂缝。而在通仓浇筑常态混凝土重力坝上游面往往产生劈头裂缝，其深度可这20〜30m，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 雷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5〜20cm的表面裂缝，在坝体竣工以后，有些表面裂缝可能扩展为深层大裂缝。表面裂缝扩展的条件可用断裂力学来说明。在重力坝上游面切取一水平截面如图5。上游面有一深度为L的表面裂缝，缝面上作用着水压力p图4 雷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5〜20cm的表面裂缝，在坝体竣工以后，有些表面裂缝可能扩展为深层大裂缝。表面裂缝扩展的条件可用断裂力学来说明。在重力坝上游面切取一水平截面如图5。上游面有一深度为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,c)，裂缝稳定的条件为%-Kit+Kip-、^£ ⑴式中：％一缝端应力强度因子，、T一温度场引起的应力强度因子，£p一坝体荷载和缝内水压力引起的应力强度因子，KIJ一止水至上游坝面之间横缝内水压力引起的应力也度分布图5坝体上游面的表面裂缝强度因子，％C一断裂韧度。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大裂缝，而柱状浇筑重力坝上游面的表面裂缝很少扩展为大裂缝。柱状浇筑重力坝在施工过程中也可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，表面应力转变为压应力，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，坝体竣工、水库开始蓄水后，坝体内部温度还很高，而上游面温度很低，内外温差引起的拉应力和缝内裂隙水的劈裂作用导致裂缝的扩展。碾压混凝土重力坝的上游面似乎还未产生过大的劈头裂缝，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大。▽180.00▽186.00VI07.00]图6Norfork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，坝体上游面温度低于坝体内部温度，这些情L6L4L2P6P4P2R2S3SI%牛...■. I■I'■IIIC'n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有可能扩展为大裂缝，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：M=Tp+T~Tf （2）式中Tp一混凝土浇筑温度，Tr一混凝土水化热温升，Tf一坝体稳定温度。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，一般说来，按式（2）计算温差是正确的。当坝内有孔口时，情况有所不同。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4,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出现较多裂缝的原因。例如，在设有孔口并通仓浇筑的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、基础约束范围较大。如图7所示，两座重力坝，高度均为200m，底宽均为150m，底孔至岩面的（a）柱状浇筑重力坝 （b）（a）柱状浇筑重力坝 （b）通仓浇筑重力坝图7通仓浇筑与柱状浇筑重力坝中的底孔2、对于通仓浇筑重力坝，施工过程中出现的表面裂缝容易扩展为大裂缝。由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，而底孔又位于基础强约束区，所以通仓浇筑重力坝孔口中的表面裂缝容易扩展为大裂缝。对于柱状浇筑重力坝，因有图8碾压混凝土坝中的常态混凝土垫层图8碾压混凝土坝中的常态混凝土垫层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90〜103m之间有一泄水孔，在高程50〜70m之间有一临时导流底孔，各坝段基岩表面高程为10〜45m，对于基岩表面高程45m的坝段，导流底孔与基岩表面之间的高差为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措施（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%(MPa)(a)水化热引起的应力50 60时间(d)图9%(MPa)(a)水化热引起的应力50 60时间(d)图9垫层混凝土中央断面上的温度应力(无表面保温)--*.一-匕j鼠强度rj.一*- /Z>一—.一-―-——*-一--—!//'___.~«****^二■ 一一 表面应力VJ*(MPa)2-中4i，'应力1AT~考而应士 —- 50 60时间(d)%(MPa)(b)%(MPa)(b)表面2cm泡沫塑料保温图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力通常在基岩表面浇筑1.5〜3.0m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，垫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，在岩面上浇筑了1.50m厚的常态混凝土垫层后，停歇60天，以便进行基础灌浆，用有限元方法分析了温度徐变应力。混凝土绝热温升为9(t)=25.0t/(2.29+t)(°C)，气温变化为Ta=±0.20t(C)，其中时间T的单位为天。在图9(a)中表示了中央断面上单独由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面裂缝，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=0.20i，由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。如果在垫层浇筑以后，气温逐渐下降：T=-0.20c，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2cma厚泡沫塑料保温，则温度应力将大大减小，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土坝。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，自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，上游面温度低于坝体内部温度，上游面表面裂缝有可能扩展为深层劈头裂缝。应采取措施予以防止，最有效的方法是利用表面保温防