常态混凝土高拱坝温控措施敏感性仿真分析.pdf

第 4 1卷 第 8期 2 0 1 0年 4月 人 民 长 江 Ya ng t z e Ri v e r VoI 41 No 8 Ap r ， 2 01 0 文章编号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 0) 0 8 0 0 6 70 4 常态混凝土高拱坝温控措施敏感性仿真分析 凌 骐 ， 黄 淑 萍， 张 志 超 ， 曾 为 成 ( 河海 大学 土木 工程学院 ， 江苏 南 京 2 1 0 0 9 8 ) 摘要： 依据某常态混凝土拱坝的详细施工进度和实际监测资料， 采用三维有限单元法对拱坝横缝灌浆前进行 了施工期仿真计算。重点讨论 了该拱坝分别采用两种不同温控措施后， 坝体内温度场和温度徐变应力场的分 布情况。通过敏感性分析 ， 比较 了两种温控措施 的效果及 实 际作 用， 所获得 的结论 对 于同类工程 的设 计和施 工有一定的参考价值。 关键词 ： 敏 感性 分析 ； 有 限元仿真 ；温控 防裂 ；混凝土温控 ； 拱坝 中图法分类号 ： T V 6 4 2 4 文献标 志码 ： A 近几 十年来 随着土木工程 和水利工程 的迅速发 展， 混凝土筑坝技术也不断进步。在水工建筑物中， 大 体积混凝土结构十分常见 ， 对于这些挡水建筑物 ， 例如 混凝土拱坝 ， 必须进行温度场和温度应力场仿真分析 ， 并采取合适的温控措施 ， 以防止坝体产生比较大 的拉 应力及出现裂缝。目前普遍采用的温度控制措施主要 有 ： 合理的结构形式和适 当的分缝分块 、 降低混凝土浇 筑温度 、 按高度分层施工并设置间歇期 、 布置冷却水管 进行强制冷却 、 改善混凝土性能以及进行表面保护等。 由于每个工程的地理位置 、 气候环境 、 坝型结构 、 混凝 土材料性能等条件都不尽相 同， 因此所使用 的施工方 案和温控措施也大相径庭 。国内一些学者及科研单位 也就其 中的部分工程进行 了深入研究探讨 ， 例如文献 1 对普定碾压混凝土拱坝的温度场和温度应力进行 了仿真分析 ， 提出了合适 的温控措施并 已应用于该工 程 。 与碾压混凝土拱坝相 比， 常态混凝土拱坝由于水 泥用量相对较多 ， 施工方法也完全不 同， 坝内温度场和 应力场具有其 自身的特点 ， 因此施工期的温控措施非 常重要。本文依据某在建常态混凝土高拱坝的详细施 工进度和实际监测资料 ， 应用三维有限单元法 ， 重点研 究该拱坝典型坝段分别采用 不同温控措施后 ， 坝 内温 度场和温度徐变应力场 的分布情况。 1 计算原理 1 1 大坝瞬态温度场 在混凝土坝施工期 ， 由于水泥水化热的作用 ， 混凝 土的温度将随时问而变化 ， 属于具有 内部热源的热传 导问题 。瞬态温度场 T ( ， Y ， z ， )在 区域 R内应满足 下列方程及边值条件 2 J ： O T 窘+ o 2 7 , + ) + O0Oy Oz ( 1 ) = l + ， + J + l l J a 丁 a a tr 、 初始条件和边界条件为 ： ， T ： T o ( ，Y ，z ) = 0 J = 厂 = 厂 【 。 ( O T + + ： ) + 卢 (一) ： F ： F 2T T a 0 【 。 ( + + ) + 卢 (一 ) 其中， ( ， y ， z )为给定 的初 始温度；T b 为给定的边 界温度 ； 为气温 ； ， n ， 为表面外法线方 向余弦 ； 为介质表面放热系数 ， 口为导温系数 。 在边界 厂。 上满足第一类边界条件 ， 在边界 厂 上 满足第 三类边 界条 件。根据 变分原 理 ， 热传 导方 程 ( 1 ) 等价于泛函( 2 ) 的求极值问题 ： ， ( ) = ( ) + ( ) 2 + ( + 收稿 日期 ： 2 0 0 91 0 2 1 作者简介： 凌骐， 男， 博士研究生， 主要从事高性能计算与工程仿真研究。Em a i l ： L q 6 8 人 民 长 江 一 1 0 TT ，d O + ( 譬 一 3 T o r ) d s ( 2 ) 0 d 丁 二 基于上述理论 ， 可利用 F o r t r a n编制三维有限元仿 真计算程序对混凝土坝施工期瞬态温度场进行模拟 。 1 2 大坝温度徐变应力场 在温度荷载作用下 ， 混凝土不仅产生弹性变形 ， 而 且随时间的增长产生徐变变形 。混凝土的徐变变形不 仅取决于其应力状态及其历时、 持荷时间、 加荷龄期， 还受温度及其历时的影 响。根据大量试验研究可知 ， 温度变化除了影响混凝土的基本徐变外 ， 当温度第一 次升温至某一值时 ， 还将产生瞬态徐变。根据虚功原 理 ， 不难导出计算混凝土结构在热 、 力作用下单元 的温 度徐变应力矩阵方程 ： 6 = P + P ： + i 尸 ： + P ： + AF ( 3 ) 式中， K 为单元刚度矩阵 ； 6 为单元结点位 移增 量 向 量； 尸 为 瞬 态 徐 变 等 效 荷 载 ； P ： 为 n时段基本徐变增量 等效荷 载； 为单元温差变形增量等效荷载 ； 为 自生体积 变形增量等效荷载 ； ， 为 时段单元结点力增 量 。 集合所有单元即可求得结构 的整体应力分析矩阵 方程 。求出结点位移后 ， 结构应力易于求得。 2 工程概况 、 研究背景及计算模型 该工程以发电为主， 兼有防洪、 灌溉、 拦沙、 航运等 综合利用效益 ， 属 I 等大( 1 ) 型工程。枢纽 由 昆 凝土双 曲拱坝、 右岸引水发电系统 、 泄洪 隧洞 、 水垫塘和二道 坝组成。大坝为抛物线型变厚度双曲拱坝， 最大坝高 近 3 0 0 m， 最大底宽 7 3 m， 坝顶宽度 1 2 r n 。大坝采用 边浇筑 、 边冷却 、 边封拱灌浆 、 边蓄水的施工方式。 由于该拱坝在施工过程 中发现了裂缝 ， 其产生部 位在 自由区， 而不是传统概念的基础约束 区。为了解 裂缝形成的原因， 本文按照实际工程进度并结合温控 措施进行了施工期温度徐变应力反馈分析计算 ， 其 中 按照施工过程计入 了坝体 自重荷载。由于该拱坝体型 结构庞大 ， 实际施工中采用的温控措施具有其特殊性 和复杂性 ， 为了尽可能真实地反映施工过程实际情况， 选择有典型意义的 3个坝段作为研究对象建模 。 在进行网格剖分时不仅预先考虑了由于跳仓浇筑 以及坝体上下游表面采用不同厚度的保温材料而产生 的复杂边界条件 ， 而且还充分考虑 了不 同的水管冷却 分区和混凝土材料分区。有限元计算模型共剖分六面 体 2 0节点等参 单元 2 1 1 6 0个 ， 节点 9 3 4 3 9个 ( 如 图 1 ) 。仿真计算采用 由工程设 计单位提供 的基本数据 资料， 具体参数列于表 1中。 图1 典型坝段网格剖分效果 3 典型坝段施工期温度场分析 施工期坝体内温度场 的形成主要与施工工艺、 自 然气候环境以及温控措施等条件有关。在材料性能不 易改变的情况下 ， 温控措施 的效果将直接影 响到施工 期温度场分布情况。该拱坝在施工初期采用了温控措 施方案 ， 而在施工 中后期则改为方案。具体来说 ， 温控措施方案的特点是施工过程中沿上下游方向将 混凝土仓面分为 3个冷却 区， 分区分批地进行二期冷 却， 目的是为了在坝体上下游方向形成封拱要求的温 度梯度。方案的特点是取消了分区分批的冷却方 式 ， 改为通仓同步冷却， 并且在一期冷却结束后到二期 冷却开始前进行中期冷却 ， 防止混凝土温度回升。 图 2是实行温控措施方案的典型坝段 1 0 1 3 5 m高程温度过程线， 其中AD为按顺水流方向选择 的计算特征点。由图中可以看出， 在该高程水平面上 一 期冷却期问的混凝土最高温度达到2 5 4左右 ， 一 期冷却结束后降至 1 7 5左右 ， 由此可见一期冷却的 温度削峰效果明显； 在一期冷却结束后约 7 0 d时间 内， 靠近表面的混凝土温度回升较高 ， 而远离边界的混 凝土温度则 比较稳定 ， 说明这段时期内外界气温对边 界部位的 昆 凝土影响仍然 比较大； 在混凝土龄期 3个 月左右时间开始进行二期冷却， 混凝土内部温度降至 1 0 0 C1 3 7 ， 此后随时问推移开始再逐渐回升至 1 3 0 C 1 7 5 o C。 图 3是采用温控措施方案条件下 ， 典型坝段开 浇后第 3 6 3天时对称面上的温度场 ， 从图中可以看出， 在 1 0 4 01 0 6 0 m高程区间内， 相邻冷却区交界部位 第 7期 凌 骐 ， 等 ： 常态混凝土 高拱 坝温控措施敏感性仿真分析 6 9 8 2 8 7 3 0 2 5 2 0 1 5 赠 l 0 5 0 图2 典型坝段 1 0 1 3 5 5 m高程温控措施方案温度过程线 1 1 0 0 l O8 0 1 0 60 坦 1 04 0 1 O2 0 图3 开始浇筑后第 3 6 3天典型坝段对称面温控方案温 度场 ( ) 1 0 60 1 D 叵 1 0 40 j 0 20 0 5 0 目 离 m 图4 开始浇筑后第 3 6 3天典型坝段对称面温控方案温 度场 ( ) 明显存在较大的温度梯度。图4为改用温控措施方案 后该坝段对称面温度场分布情况， 比较后可以发现 在相邻冷却区交界部位没有产生温度梯度比较大的现 象 ， 坝体 内部温度较为均匀。由此可见 ， 两种温控措施 的坝体温度场分布规律的差别是非常明显的。 4 典型坝段施工期温度徐变应力分析 一 般地 ， 在土木工程 和水利工程 中对混凝土结构 按照线弹性 一徐变本构理论进行研 究_ 3 j 。混凝 土拱 坝施工过程中， 由于混凝土浇筑后有水化热产生 ， 因此 初期处于升温过程 。后期随着水 泥水化热逐渐发散 ， 并且采用通水冷却等温控措施 ， 混凝 土开始进入降温 过程。在以上两个不 同阶段里 ， 混凝 土的温度变化将 引起热胀冷缩的变形。当这种变形受到混凝土内部之 间的相互约束以及边界条件的限制之后不能 自由发展 时 ， 即会产生温度应力。根据 2 0世纪 8 O年代我国对 部分已建混凝土坝的老化病 害调查结果 ， 普遍认为水 工大体积混凝土建筑物的裂缝产生通常与温度应力超 标有关 。 从 图 5所示在施工期第 3 4 5天的该坝段对称面应 力等值线分布可以看 出， 在基础约束区 ， 应力 比较小 ； 而在脱离基础约束以外的 自由区， 应力 比较大 ， 这种现 象与通常混凝土坝的温度应力分布规律不一致。分析 出现以上反常情况的原因 ， 主要 是 由于该坝段开始浇 筑时间是在冬季 ， 气温 比较低 ， 并且基础约束区浇筑层 比较薄 ， 表面散热条件较好 ， 因此在一期冷却过程中没 有形成相对高温区， 故而在基础强约束 区的应力 比较 小 ， 没有产生裂缝。但是从图 5中还可 以发现 ， 在脱离 基础强约束区至 1 0 5 0 m高程范围内存在 比较大的拉 应力区域 ， 尤其是 1 0 3 8 n l 高程附近 的混凝土最大拉 应力 已经达到2 8 M P a左右。这一量值已经超过该部 位混凝土的抗拉强度 ， 从而可能导致裂缝的发生 。 作为对比， 从温控措施方案的仿真计算结果看 ( 见图 6 ) ， 坝 内温度应力分布比较平缓 ， 相应部位混凝 土的最大拉 应力 为 1 5 M P a ， 相 对 于方 案 降低 约 4 6 ， 安全系数能够满足工程设计要求。由上述两个 O i；4 堪 i 4 i 翌玎 丝巧凹 勰 啪 船 帅 C C 7 0 人 民 长 江 方案的敏感性分析可知， 施工初期使用的温控措施选 择不当是导致该坝段 出现裂缝 的主要原 因， 如果改用 第二种温控措施 ， 坝体则不会产生裂缝。 0 5 0 距离 m 图5 典型坝段对称面温控方案应力场( 0 1 M P a ) l l O 0 。 蛹 m 叫 图6 典型坝段对称面温控方案应力场( 0 I M P a ) 5 结 论 本文以某拱坝的典型坝段为计算模型， 详细真实 地考虑了环境条件、 工期进度及施工工法等 ， 重点探讨 了采用两种不同温控措施后坝体混凝土温度场和温度 徐变应力场的分布情况。 从仿真计算的结果分析可知， 该拱坝混凝土产生 裂缝的主要原因是一期冷却结束后温度 回升比较高 ， 二期冷却时的冷却水温 比较低 ， 坝内温差 比较大 ； 采用 的“ 台阶式” 分区冷却方式造成明显 的应力切割线 ， 致 使混凝土在冷却分区附近产生 比较大的拉应力进而产 生温度裂缝。方案最主要的优点是减少了后期二冷 降温前坝内的最高温度( 增加 了中期冷却) ， 减少了二 冷时的水温与混凝土的温差 ， 而且没有分 区冷却从而 减少 了冷却分区之问的附加应力。因此在其余条件不 变的情况下 ， 采用温控措施方案是切实有效的， 使用 该方案浇筑的混凝土产生裂缝的可能性不大。 通过对前述两种温控措施 的敏感性分析 ， 本文得 出了优化改进后的温控措施方案 。该方案能够有效地 控制混凝土的温度应力， 避免裂缝的发生。此优化方 案已经应用于实际施工并取得 了良好的预期效果， 由 此也佐证了本文仿真分析的正确性及其具有的应用价 值 。 参考文献 ： 1 黄淑萍， 邱 耀真普 定碾压 混凝土拱 坝整 体碾压 温控技 术研 究 J 水力发电， 1 9 9 5， 2 l ( 1 0 ) ： 1 51 9 2 朱伯芳， 王同生， 丁宝瑛， 等水工混凝土结构的温度应 力与 温度 控制 M 北京： 水利 电力 出版社 ， 1 9 7 6 3 王润富 ， 陈国荣温度 场和 温度应 力 M 北京 ： 科 学 出版社 ， 2 o o 5 4 B o n g Z ，x u P T h e r mM s t r e s s a n d t e mp e r a t u r e c o n t r o l o f rol l e r c o m p a c t e d c o n c r e t e g r a v i ty d a m s J D a m E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 5 ， ( 3 ) ： 1 9 92 2 0 ( 编辑 ： 郑 毅 ) S e n s i t i v i t y s i mu l a t i o n a n a l y s i s o f t e mpe r a t ur e c o n t r o l me a s u r e f o r no r ma l c o n c r e t e h i g h a r c d a m L I N G Q i ， H U A N G S h u p i n g ， Z H A N G Z h i c h a o ， Z E N G We i c h e n g ( D e p a r t m e n t o fE n g i n e e r i n g Me c h a n i c s ， H o h a i U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B y me a n s o f t h r e ed i me n s i o n f i n i t e e l e me n t s me t h o d a n d a c c o r d i n g t o t h e d e t a i l e d c o n s t r u c t i o n p r o g r e s s a n d t h e mo n i t o r e d d a t a o f a n o r ma l c o n c r e t e a r c h d a m，s i mu l a t i o n a n a l y s i s f o r t h e t y p i c al d a m mo n o l i t h s d u rin g t h e c o n s t ruc t i o n p e rio d i s p e r f o rm e d T h e d i s t r i b u t i o n o f i n t e rnal t e mp e r a t u r e fi e l d a n d t h e rm a l c r e e p s t r e s s fi e l d o f t h e d a m u n d e r 2 d i f f e r e n t t e mp e r a t u r e c o n t r o l me a s u r e s a r e ma i n l y d i s c u s s e d T h e a c t u a l t e mp e r a t u r e c o n t r o l e f f 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