某碾压混凝土溢流坝段温控计算分析.pdf

西安理工大学学报 J o u rna l o f X i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ( 2 0 1 0 )V o 1 2 6 N o 4 4 4 3 文章编 号 ： 1 0 0 6 - 4 7 1 0 ( 2 0 1 0 ) 0 4 - 0 4 4 3 - 0 6 某碾压混凝 土溢流坝段 温控计算分析 任金珂 ，李 守义 ( 西安理工大学 水利水 电学 院 ， 陕西 西安 7 1 0 0 4 8 ) 摘要：基于热传导理论、 弹性理论和温度场、 温度徐 变应力场有限元计 算方法， 模拟碾压混凝土溢 流坝施工过程、 混凝土分 区、 外界 气温、 温控措 施等， 仿真计 算 了坝体基础强约束区、 弱约束 区、 非 约束区、 间歇 面影响 区在施工期和运行期任意时刻 的温度和温度应 力变化过程及分布规律 ， 并提 出 了方便 施 工 、 节省 工程投 资 的温控 设 计方 案。 关键词 ： 碾压混凝土坝；仿真计算；温度应力；温控措施 ； 中图分类 号 ： T V 3 1 8 文献 标 志码 ： A An An a l y s i s o f Te mpe r a t ur e Co n t r o l Ca l c u l a t i o n o f a RCC Ov e r flo w M o n o l i t h RE N J i n k e，L I S h o u y i ( F a c u l t y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o e l e c t r i c E n g i n e e r i n g ， X i a n 7 1 0 0 4 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Ba s e d o n he a t c o n du c t i o n t h e o r y a n d e l a s t i c t he o ry ，t h e fin i t e e l e me n t c a l c u l a t i o n e q u a t i o n s o f t e mp e r a t u r e fie l d a n d c r e e p t he r ma l s t r e s s f i e l d，t h e c o n s t r u c t i o n pr o c e s s ，c o n c r e t e b o d y d i v i s i o n，o u t s i d e a i r t e mp e r a t u r e a n d t e mp e r a t u r e c o n t r o l me a s u r e s o f t h e RCC o v e r f l o w d a m a r e s i mu l a t e dT he s i mu l a t i o n c o mp u t a t i o n i s ma d e o f t h e s t r o n g c o n s t r a i n t z o ne，we a k c o n s t r a i n t z o n e，n o n c o n s t r a i n t z o ne a n d i n t e r v a l s u r f a c e a f f e c t e d z o n e o f t h e d a m b o d y f o u n d a t i o n d u r i n g t h e c o n s t r u c t i o n pe rio d a s we l l a s o f t he v a r y i n g p r o c e s s o f t e mp e r a t ur e a n d t e mp e r a t u r e s t r e s s a n d t he i r d i s t rib u t i o n l a ws a t a n y t i me d u rin g t he o pe r a t i o n p e rio d Al s o，t h i s pa p e r s u g g e s t s t h e t e mp e r a t u r e c o n t r o l de s i g n s c h e me c o n v e n i e n t f o r t h e c o n s t ru c t i o n a n d s a v i n g e n g i n e e r i n g i n v e s t me n t Ke y wo r ds：RCC da m ；s i mu l a t i o n c a l c u l a t i o n；t h e rm a l s t r e s s；t e mp e r a t u r e c o n t r o l me a s u r e s 碾压混凝 土筑 坝技 术具 有节 省水 泥 、 施 工 简 便 、 缩短工期 、 造价低廉等优点 ， 但碾压混凝土坝 的 温度应力是制约简化温控 措施 、 加快施工进度 、 降 低工程造价 的主要 问题 。实践证明， 绝大多数混凝 土坝的裂缝都是在施工期 间 由于温度变 化而引起 的 4 。 。国内外学者对大体积混凝土结构的温度应 力进行 了大量的研究 ， 取得 了卓 有成效 的结果 。 但 由于碾压混凝土坝 温度应力 的复杂性 ， 许多问题 还难于彻底弄清 。为 了预防碾压混凝土坝温度 应力引起的裂缝 ， 根据某工程碾压 昆 凝土坝施工进 度和温控措施 ， 全面考虑 了坝体薄层 浇筑过程 、 气 候条件和浇筑温度等 ， 初拟 9种温控方案进行仿真 计算 ， 分析 了各 方案的温度 、 应力变化 过程及分 布 规律 ， 提出了推荐方 案 ， 为 该工程温控设 计和施工 提供依据。 1 计算原理 1 1 稳定温度场有限元计算 根据热传导理论 ， 稳定温度场 T ( ， Y ， z )在区域 R内应满足拉普拉斯方程 J ： 0 2 T + 磐+ 警： 0 ( 1 ) ， 0 ， 一 ， d o y o 孟 将计算域离散为若 干个 8结点空 间实体 等参 元 ， 取温度模式为： T = N 。 1 l ，w ( 2 T + 0 2 T + 窘 )捌 y 出 = o ( 2 ) 取权函数 等于形函数 ， 并进行分部积分 ， 代入边界条件 ， 并对所有单元求 和， 得 到求解稳定 收稿 日期 ： 2 0 1 0 -03 -06 作者简 介：任金珂 ( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 甘肃镇原 人 ， 博士生 ， 研究方向为水工结构计算机仿真 。李守 义 ( 1 9 5 5 一 ) ， 男 ， 甘肃庄浪人 ， 博士 ， 教授 ， 博导 ， 研 究方向为水工结构应力分析 。E m a i l ： l s y 1 2 3 x a u t e d u c n 。 西安理工大学学报( 2 o l o ) 第 2 6卷第4期 温 度 场 的 方 程 ， 冥 矩 l浑彤 式 为 ： I n + E N I d s 。 = ( 3 ) 1 2 非稳定温度场有限元计算 根据热传导理论 ， 非稳定温度场 T ( ， y ， ， t )应 满足下列偏微分方程 ： O T ： ( 窘+ 窘+ a 2 _r l + o 0 ( 4 ) 对泛定方程( 4 )在三维空间域 R内应用加权余 量法 ， 得 ： w if g以 r。 + ,a92 + , 92 T ( 一 等 ) 】 出 ： 0 ( 5 ) 采用伽辽金方法在空问域取权函数等于形函数， 经过推导， 最后得到求解非稳定温度场的方程如下 ： ( 日 + c 3 ) I r - = ( P 。 + P 。 ) 一 ( 日 一 C ) l T I 。 式中， T 0= ( r o ) ， T 。= T ( r 。+A r ) t ， P 。= P( r 。 ) ， Pf = P( 。+ ) 。 日 = 珂 曰 + E N i d s ) c = 吉 坷 P = 珂 吉 + ) 当 ：0时 ， 初始条件与边界条件可能不协调 ， 因而在第一个 A r 时段内， 不能使用加权余量法而应 采 用 盲 椿 尊 分 法 引 a T T 一 f 0 =一 a r r 1 3 温度应力有限元计算 弹性体内各点的变温为 T ， 为热膨胀系数 ， 于 是弹性体内各点的应变分量可表示为 ： 8 s v s z aT ： = = 0 变温等效结点荷载为 ： P =fJ f 曰 nD d x d y d z 由变温等效结 点荷 载求得位移： 。 = 。 ， 为单元刚度矩阵， 则温度应力为： = D 曰 艿 一 D 混凝土结构在复杂应力状态下的应 变增量要 考虑徐变应变增量 以及其它初应变增量。 混凝土徐 变表达式见文献 5 。 将温度应变增量 、 徐变应变增量以及其它应变 增量作为初应变增量 计算位移增量 。 。 由单元位移增量 计算单元应力增量 t o - 。 再将应力增量与前一时刻的应力值迭加， 得到该时 刻的应力值 。 2 工程概况和基本资料 某工程拦河坝为碾压混凝土重力坝 ， 溢流坝段 的坝基面高程 1 2 0 5 0 m， 堰顶高程 1 2 8 8 0 m， 坝高 8 3 0 m， 坝段长度 2 0 0 m， 坝底宽度 7 5 0 m。坝体 上 、 下游面为二级 配碾压 混凝土 ， 坝体 内部为三级 配碾压 混凝土 。 坝址 区历年的月平均气温和水温见表 1 ， 混凝 土热学性能参数见表 2 ， 施工进度和浇筑温度见表 3 ， 混凝土允许应力见表 4 。 表 I 坝址区历年月平均气温和水温 T a b 1 Mo n t h l y me a n a i r t e mp e r a t u r e a n d w a t e r t e mp e r a t u r e f o r p a s t y e a r s a t t h e d a m s i t e RI C1 8 Ol 5W4F5 0 2 4 28 0 9 5 4 6 0 O O 4 0 3 3 9 58 RI I C1 8 0 2 OW 8 F1 o 0 2 4 3 3 0 9 5 7 6 0 0 04 08 3 9 5l CI I C 2 8 2 0 W8 F 1 0 o 2 4 0 3 0 9 3 5 8 0 0 0 3 5 4 0 8 3 2 5， 、 = 4 = 9 = 任金珂等 ： 某 碾压混凝 土溢流坝段温控计算分析 4 4 5 表 3 施工进度和浇筑温度 Ta b 3 Co n s t r uc t i on s c he d u l e a n d c a s t t e mpe r a t u r e 表 4 混凝 土力学性能参数 Ta b 4 Me c h a n i c a l p r o p e r t y p a r a me t e r s o f c o nc r e t e 3 计算模型及计算方案 溢流坝段 的计算模 型取坝轴线方 向两横缝 之 间的整个坝段 。整体坐标 系的坐标原点 位于坝段 左侧坝踵处 。坝轴线指 向右岸 为 轴正向， 下游方 向为 Y轴正向 ， 铅直 向上为 轴正 向。计算模 型在 坝基深度方向取 1 0 0 m， 上游方 向取 1 0 0 m， 下游方 向也取 1 0 0 m。温度场计算 中的边界条件 ： 地基底 面和 4个侧面以及坝段横缝面为绝热边 界条 件 ， 坝 体上 、 下游面在水位以上 为第 三类边界条 件 ， 水 位 以下为第一类 边界条件。应 力场计算 中的边界 条 件 ： 地基底面按 固定支座处理 ， 地基在上 、 下游方向 按 Y向简支处理 ， 其余为 自由边界。溢流坝段计算 模 型见 图 1 。 图 1 计算模 型与坐标系 Fi g 1 The c a l c u l a t i o n mo d e l a n d c o o r di n a t e s y s t e m 根据施工进度 、 气候条件和温控措施 ， 初拟 9种 计算方案( 见表 5 ) 进行计算分析。冷却水管的模拟 方法参见文献 5 。 西安理工大学学报( 2 0 1 0 )第2 6卷第4期 表 5 溢流坝段温控计算方案 Ta b 5 Te mp e r a t u r e c o n t r o l c a l c u l a t i o n s c h e me o f o v e r f l o w mo n ol i t h 注 ： 浇筑进度见表 4 。 4 温度场和温度应力计算分析 根据水库上下游正常水位及 1 月份和 7月份的 水温分布、 平均气温等参数对稳定温度场进行计算 分析， 得到坝体内部稳定温度为 l 3 5 左右。 根据混凝土热力学参数和施工进度安排 ， 对 9 种温控方案分别进行 了施工期和运行期全过程温 度和应力仿真计算。由于施工期和运行期温度场 随时间变化 ， 每个工况施工期的计算步长取为 0 2 5 天 ， 运行期取 0 5天至 3 0天的变步长。每计算一步 都给出了坝体每个结点的温度和应力值 ， 计算中运 35 3 0 25 越2 0 赠 1 5 l O 5 0 行期时长取为 3 0年 ， 计算结果 的数据量非常庞大。 根据设计和施工需要 ， 为 了分析坝体温度和应力变 化规律 ， 施工期仅给出每月末和施工期末横剖面的 温度和应力等值线图； 运行期 由于 1月底外界温度 最低 ， 7月底外界温度最高， 因此 ， 运行期仅给出 1 、 7 月底坝体横剖面的温度 和应力等值线 图。同时还 给出坝段在高程 1 2 1 1 m、 1 2 1 4 m、 1 2 1 7 m、 1 2 2 3 n l 水平面上典型点 ( 上游点 、 中问点和下游点) 的温度 和应力历时曲线。限于篇幅， 本文仅给出推荐方案 高程 1 2 1 1 m水平面上典型点历时曲线 ( 见图 2 5) 图2 推荐方案高程 1 2 1 1 0 m水平面典型点温度历时曲线 Fi g 2 Th e t e mpe r a t ur e d u r a t i o n c u i v e o f t he t y pi c a l p o i nt o n t h e e l e v a t i o n o f 1 21 1 0 m i n t h e r e c o mme nd e d s c h e me 任金珂等 ： 某碾压混凝土溢流坝段温控计算分析 4 4 7 萎薹 I - - 一 一 ， = 一一一一一一一一一一一一一一，一一一一一一 一一一一一一一一一一一一一一一一一一 一 一一一一一一一，一一一一一一一 、 、 一一 ，一一一一一一一一一一一一一 、 、一 、 、 一、 、 厂、 图 4 推荐方案高程 1 2 1 1 0 m水 平面中心点温度应 力历 时曲线 Fi g 4 Th e t h e r ma l s t r e s s du r a t i o n e u l we o f t h e c e nt e r f a c e po i nt o n t h e e l e v a t i o n o f 1 21 1 0 m i n t he r e c o mme nd e d s c h e me I 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 。 一一 、 八 、 八 、 。 一 一 一 、 、 一 、 图 5 推荐方案高程 1 2 1 1 0 I n 水平 面下游点温度应力历 时曲线 Fi g 5 The t h e r ma l s t r e s s d u r a t i o n c ur v e o f t h e d o wn s t r e a m f a c e po i n t o n t h e e l e v a t i o n o f 1 21 1 0 m i n t h e r e c o mme nd e d s c h e me 4 1 温度场 计算 结果 分析 从施工期 和运行期 的温度场计 算结果可 以得 出以下结论。 1 )施工期坝体上游面高标号碾压混凝土及溢 流面耐磨层常态混凝土 区域的最 高温度较高 ， 坝体 内部碾压混凝 土最高温度相对 较低。主要 原因是 上游面碾压混凝土 以及溢流 面耐磨层常态混 凝土 的绝热温升高 ， 坝体内部碾压混凝土的绝热温升低 。 2 )从各方案基础强约束区 、 弱约束 区、 非 约束 区 、 间歇 面影 响 区 的最 高 温 度 、 稳 定 温 度 、 最 大 温 差 可以看出 ： 方案 I与方 案 2以及方案 3与方案 4 相 比， 通 I O C冷水 冷却使 坝体 内部最 高温度 降低 4 5 5 o C； 方案 3与方案 5相比， 通河水冷却使坝 体内部最高温度降低 3 5 4 O C； 从方案 5与 方案 8 计算结果可以看出 ， 在 5月 2 0日至 6月 2 0 日期间， 对 1 2 4 41 2 5 6 n l 高程通天然河水进行二 次冷却 ， 使得该部位的温度降低 6 C； 对长间歇面 1 2 5 6 0 I l l 高程以及溢流面耐磨层混凝土 1 2 8 2 0 1 2 8 8 0 m高程浇筑面采用流水降温措施后， 该区域 最高温度降低 2 ， 减小 了内外温差 ； 从方案 5与 方案 8 计算结果可以看出， 在 2 0 1 0年 1 2月至 2 0 1 1 年 4月期 问， 对 1 2 5 6 i n高程以上冬季浇筑的混凝土 表面进行保温 ， 使低温季节坝体表面温度升高 2 C 3 ； 从方案 7和方案 9的计算结果可以看出， 当对 坝基采用土石回填后使坝体强约束区的稳定温度 由 1 3 5 q C 提高至 1 5 5 C， 弱约束区的稳定温度由1 3 5 提高至 1 4 5 c 【 = ， 从而可有效降低最大温差。 3 )坝体表 面温度 随外界环境 温度变化 明显。 在施工期 和运行 期， 坝体 内部温度仅与浇筑 温度、 混凝土浇筑 时的外界气 温 、 混凝 土龄期 有关 ， 特别 是与通水降温措施有关。 4 )坝体 内部最高温度达 到准稳定 温度需要漫 西安理工大学学报( 2 0 1 0 ) 第 2 6卷第 4期 长过程 ， 坝体最高温 度 出现在施 工期 内。在运行 期 ， 坝体与周 围环境进行热交换 ， 坝体 内最高温度 逐渐减小。运行 3 0年左右， 坝体 内部温度基本趋于 准稳定温度场。 5 ) 方案4的最大温差最小， 但需要通 I O C冷水 冷却。方案 9的最大温差次小 ， 最大温差接近设计 规范控制要求 ， 通河水冷却 ， 且通水范围小 ， 施工方 便， 节省工程投资 ， 建议作为温控设计的推荐方案。 4 2 温度应力计算结果分析 从施工期和运行期温度徐变应力 场仿 真计算 结果可以得出以下结论。 1 )坝体不同部位在施工初期各方案坝体 内部 碾压混凝土的最大温度应力为 0 5 M P a ， 小于坝体 内部碾压混凝土 R I龄期 2 8天的允许拉应力 0 6 3 M P a ； 各方案坝体上游面最大温度应力为 0 7 0 M P a ， 小于该部位碾压混凝土 R龄期 2 8天的允许拉应 力 0 8 MP a ； 坝体溢流面最大温度应力 1 2 0 MP a ， 小 于溢流面常态混凝土 C龄期 2 8天 的允许拉应力 1 。 42 MPa 。 2 )基础强约束区( 高程 l 2 0 5l 2 2 3 m) ， 方案 9的最 大温度应力 为 1 5 2 MP a ， 小于碾压混凝 土 R I 在 1 8 0天龄期的允许拉应力 1 5 5 MP a ， 其他方 案的最大温度应力均超过 1 5 5 MP a ； 基础弱约束区 ( 高程 1 2 2 31 2 3 8 m) 、 间歇面影响区 ( 高程 1 2 4 4 1 2 6 8 m) 、 非约束 区 ( 高程 1 2 3 81 2 44 ，1 2 6 8 1 2 8 0 m) ， 各方案的最大温度应力均小于碾压混 凝土 R I在 1 8 0天龄期的允许拉应力 1 5 5 M P a ； 非 约束区常态混凝土( 溢流面高程 1 2 8 01 2 8 8 i n ) ， 各方案的最大温度应力远小于溢流面常态混凝土 c 龄期 9 0天的允许拉应力 1 9 3 MP a 。 3 )推荐方案在基础强约束区、 弱约束区、 非约 束区、 间歇面影响区及溢流面常态混凝土的最大温 度应力均小于相应部位混凝土设计允许拉应力 ， 说 明该温控方案是可行的。 5结语 通过对 9种初拟温控方案模拟施工过程进行仿 真计算 ， 分析了各方案的温度场和温度应力分布规 律， 提出了方便施工 、 节省工程投资的温控措施推 荐方案( 具体温控措施见表 5方案 9 ) ， 为该工程碾 压混凝土重力坝 温控设计和施工 方案选定 提供 了 重要依据。 参考文献： 1 L i S h o u y i ， R e n J i n - k e ， Wu Z h o n g m i n g ， e t a 1 S i m u l a t i o n o f t e m p e r a t u r e fi e l d R C C a r c h d a m J I n t e r n a t i o n a l Wa - t e r P o w e r a n d D a m C o n s t r u c t i o n ， 2 0 0 8 ， 6 0 ( 4 ) ： 1 6 1 8 2 L i S h o u y i ，Z h a n g J i n k a i ，Wa n g T i n g E ff e c t o f P o u ri n g Te mpe r a t u r e o n Te mp e r a t u r e S t r e s s o f RCC Gr a v i t y Da m C G u o Ma o z u ， Z h a o L i a n g ，Wa n g L i - p o F o u r t h I n t e r n a t i o n al C o n f e r e n c e o n Na t u r a l Co mp u t a t i o n I C NC 2 0 0 8 P i s e a t a wa y L o s Al a mi t o s ：I n s t i t u t e o f E l e c t r i c a l an d E l e c t r o n i c s Eng i n e e r s Co mp u t e r S o c i e t y，2 0 08： 3 5 5- 3 59 3 R e n J i n k e ， L i S h o u y i ， Z h a o L i - j u a n ， e t a1 R e s e a r c h o n t h e e ff e c t o f c o o l i n g p i p e o f R C C g r a v i t y d a m J D a m E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 8 ， 1 9 ( 1 ) ： 2 9 - 3 8 4 张金凯 ， 李守义 ， 吴忠 明， 等 考 虑昼夜温差 的碾压混凝 土坝温度场仿真分析 J 西安理工大学学报， 2 0 0 8 ， 2 4 ( 3 ) ： 3 1 1 3 l 5 Z h a n g J i n k a i ，L i S h o u y i ，Wu Z h o n g - mi n g，e t a 1 An a n a l y s i s o f t e mp e r a t u r e fi e l d s i mu l a t i o n o f r o l l i n g c o mp a c t e d c o n c r e t e d a m i n c o n s i d e ri n g d i u r n a l t e m perat u re J J o u r - n a l o f X i a n U n i v e rs i t y o f T e c h n o l o g y ，2 0 0 8 ，2 4( 3) ： 3l l 一 31 5 5 朱伯芳大体积混凝土温度应力 与温度控制 M 北 京 ： 中国电力出版社 ， 1 9 9 9 6 张金凯 ， 李守义， 赵丽娟， 等 某河床式水电站厂房坝段 温控计算分析 J 西北农林科技大学学报： 自然科学 版 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 5 ) ： 2 1 1 - 2 1 8 Z h a n g J i n k a i ， L i S h o u y i ， Z h a o L i u a n ， e l a1 S i m u l a t i o n a n aly s i s o f t e mpe r a t u r e c o n t r o l o n h y d ropo we r h ou s e u o n o - l i t h o f s o m e w a t e r p o w e r s t a t i o n i n ri v e r c h a n n e l J J o u r - h a l o f N o r t h w e s t A & F U n i v e r s i t y( N a t u r a l S c i e n c e E d i l i o n ) ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 5 ) ： 2 1 1 - 2 1 8 7 吴忠明， 李守义， 赵长伟， 等 某水电站溢流坝段温控计 算研究 J 水利与建筑工程学报， 2 0 0 8 ， 6 ( 4 ) ： 7 7 - 8 0 。 Wu Z h o n g mi n g ，L i S h o u y i ，Z h a o C h a n g - w e i ，e t a l 。C a l e u l a t i o n a n d r e s e a r c h o n t e mpe r a t u re c o nt r o l i n o v e r f l o w s e c ti o n o f a c e r t a i n h y d r o pow e r s t a t i o n J 。J o u rnal o f Wa - t e r R e s o u r c e s and A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 8 ， 6 ( 4 ) ： 7 7 8 0 8 张晓飞， 李守义， 陈尧隆 碾压混凝土拱坝温度场计算的 浮动网格法 J 土木工程学报， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 2 ) ： 1 2 6 - 1 2 9 Z h a n g Xi a o f e i ，L i S h o u y i ，Ch e n Ya o l o n g C o mp u t a t i o n o n t h e t e mpe r a t u r e fie l d o f RCC a r c h da m by me an s o f t h r e e d i me n s i o n a l fi n i t e e l e me n t r e l o c a t i n g me s h me t h o d J C h i n a C i v i l E n g i n e e ri n g J o u rnal， 2 0 0 6 ，3 9( 2) ： 1 2 6 1 2 9 9 C h e n Y a o l o n g ， Wa n g C h a n g - j i ang ， L i S h o u - y i S i m u l a t i o n a n a l y s i s o f t h e r mal s t r e s s o f R CC d a ms u s i n g 3 - D fi n i t e e l e - m e n t r e l o c a t i n g m e s h m e t h o d J A d v anc e s i n E n g i n e e ri n g S o ft w a r e ， 2 0 0 1 ， 3 2 ( 9 ) ： 6 7 7 - 6 8 2 ( 责任编辑王卫勋 )