人工短缝对严寒地区碾压混凝土坝越冬层面应力的释放效果.pdf

3 8 西安理工大学学报 J o u r n a 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 3 )V o 1 2 9 N o 1 文章编号： 1 0 0 6 - 4 7 1 0 ( 2 0 1 3 ) 0 1 - 0 0 3 8 - 0 7 人工短缝对严寒地区碾压混凝土坝 越冬层面应力的释放效果 司政 ，黄 灵芝 ，宋志强 ，田志斌 ( 西安理工大学 水利水电学院， 陕西 西安 7 1 0 0 4 8 ) 摘要 ：严寒地 区碾压混凝土坝越冬层面上、 下游侧 易出现水平裂缝。在越冬层 面上、 下游侧设置人 工短缝， 采用接触单元模拟人工短缝， 考虑人工短缝切向接触摩擦力， 并以扩展拉格朗日乘子法作 为人工短缝的法向接触协调条件， 采用三维有限元仿真计算程序对人工短缝的应力释放效果进行 计算分析 。计算结果表明， 设置人工短缝对越冬层面坝轴线方向和顺水流方向温度应力影响较 小， 但越冬层 面上、 下游侧铅直向温度应力最大值 大幅降低 ， 应力释放 效果显著； 越冬层面中部铅直向 温度应力虽有所增 大， 但仍未超过碾压混凝土的抗拉 强度。在严寒地区碾压混凝土坝越冬层面上、 下游侧设置人工短缝 ， 配合缝内的止水及缝末端的槽钢， 保证人工短缝的稳 定性 ， 能有效避免越冬 层 面附近上 、 下游侧 出现无序的裂缝。 关键词 ：严寒地 区； 碾压混凝土坝； 越冬层面；人工短缝 中图分类号： T V 6 4 2 2 文献标志码 ： A Effe c t o f Ar t i fic i a l S ho r t S l i t o n RCC Da m Ov e r wi n t e r i n g Fa c e St r e s s i n S e v e r e Co l d Ar e a S I Z he n g，HUANG Li ng z h i ，S ONG Zh i q i a n g，T I AN Zh i bi n ( 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 U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy， X i a n 7 1 0 0 4 8 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ：I n s e v e r e c o l d a r e a，h o r i z o n t a l c r a c k e a s i l y a p p e a r s i n u p s t r e a m a n d d o wn s t r e a m o f RCC d a m o v e r wi n t e r i ng f a c e Ar t i fic i a l s h o r t s l i t a t t h e d o wn s t r e a m s i d e c a n b e s e t o n t h e o v e r wi n t e r i n g f a c ea n d s i mu l a t e d wi t h c o nt a c t e l e me n t i n c o n s i d e rin g t h e t a n g e n t i a l f r i c t i o n f o r c e s a n d e x t e n d e d L a g r a n g e mu l t i p l i e r me t h o d a s n o r ma l c o n t a c t c o o r d i n a t i o n c o nd i t i o n s Th e e f f e c t o f s t r e s s r e l e a s e i s c a l c u l a t e d a n d a n a l y z e d wi t h 3 D fin i t e e l e me n t p r o g r a mTh e r e s u l t s s h o w t ha t s e t t i n g a r t i fic i a l s l i t h a s a l i t t l e e f f e c t up o n t he t e mp e r a t u r e s t r e s s o f t h e d a m a x i s a n d flo w d i r e c t i o n，bu t o n t h e v e r t i c a l d i r e c t i o n o f o v e r wi nt e r i n g f a c e， t h e ma x i mu m o f t e mp e r a t u r e s t r e s s i s d r a ma t i c a l l y r e d uc e d，t h e e f f e c t o f s t r e s s r e l e a s e i s r e ma r k a b l e On t h e o t h e r h a n d，t he v e r t i c a l t e mp e r a t u r e s t r e s s o f c e n t r a l o v e r wi n t e r i ng f a c e h a s i n c r e a s e d，b u t no t s t i l l e x c e e d e d t h e t e n s i l e s t r e ng t h o f r o l l e r c o mp a c t e d c o nc r e t e Th e r e f o r e，i n s e v e r e c o l d a r e a，s e t t i n g a rti fi c i a l s h o r t s l i t i n t h e u p s t r e a m a n d d o w n s t r e a m o f R C C d a m o v e r w i n t e r i n g f a c e w i t h w a t e r s t o p i n t h e j o i n t a n d c h a n n e l s t e a l a t e n d o f t h e j o i n t c a n s a t i s f y t h e s t a b i l i t y ， a n d e f f e c t i v e l y a v o i d t h e d i s o r d e r e d c r a c k a p p e a r e d o n t h e u p s t r e a m a n d d o wn s t r e a m o f RC C d a m o v e r w i n t e r i n g f a c e Ke y wo r d s：s e v e r e c o l d a r e a；RCC d a m ；o v e r wi n t e r i n g f a c e；a rti fic i a l s h o rt s l i t 我国地处欧亚大陆东南部， 其气候特点为南热 北冷且南北温差大， 冬季气温普遍偏低。西北与东 收稿 日期 ： 基金项 目： 作者简介 ： 北地 区占国土面积近 1 3 ， 而这些地 区绝大部分最 冷时的月平均气温均低于 一 1 0 0， 属严寒地区。 2 01 2 1 1 1 6 国家 自然科学基金项 目( 5 1 0 0 9 1 1 6 ) ； 中央财政支持地方高校发展专项基金资助项目( 1 0 6 5 X 1 2 0 5 ) ； 陕西省重 点学科建设专项基金资助项 目( 1 0 6 -0 0 X 9 0 3 ) 。 司政， 男， 讲师， 博士， 研究方向为水工结构应力及温度应力分析。E ma i l ： s z 1 2 3 h l z 1 6 3 c o rn。 司政等： 人工短缝对严寒地区碾压混凝土坝越冬层面应力的释放效果 3 9 由于碾压混凝土坝具有施工速度快 、 造价低等优点 ， 因此在严寒地区也是 非常有竞争力 的坝型 ， 如 已建 成的辽宁观音 阁碾压混凝土重力坝 、 白石碾压混凝 土重力坝、 玉石碾压混凝土重力坝 、 河北桃林 口碾压 混凝土重力坝、 新疆 喀腊塑克碾压混凝土重力坝等 。 随着新疆 、 西藏等地 区水 电能源的进一步开发 ， 在严 寒地区修建碾压混凝土坝将越来越普遍。 严寒地 区碾压混凝土坝施工的最大特点为每年 的 1 0月底 至翌年的 4月初 ， 由于外界气温太低 ， 不 适宜浇筑混凝土 ， 即混凝土的浇筑时间一般为每年 的41 0月份。每年 1 0月底浇筑的混凝土顶面称 为越冬层面。翌年 4月初恢复混凝土浇筑后 ， 新 、 老 混凝土结合面及上部新浇混凝土中极易出现裂缝。 如辽宁本溪观音阁碾压混凝 土重力坝 ， 1 9 9 0年 5月 开始浇筑坝体混凝土 ， 1 9 9 5年 1 0月竣工。混凝土 施工中非常注重温控与防裂 ， 采取 了严格 的温控 防 裂措施 ， 但在 1 9 9 1 -1 9 9 4年三个 越冬 层 面附近 上 、 下游侧仍然 出现 了较 为严重 的水平裂缝 。由此 可见 ， 越冬层面及其 附近混凝 土采取 与其它部位混 凝土相 同的温控措施 ， 无法满足温控 防裂要求 。 为了防止温度降低导致坝体混凝土产生裂缝 ， 国内外 已建的碾压混凝土拱坝 中普遍采用诱导缝 的 分缝形式 ， 即在坝体碾压混凝 土中人为地形成一个 潜在 的“ 缝” ， 该缝具有一 定的抗 拉强度 ， 但 强度较 周边混凝土强度低。当诱导缝断面上的拉应力超过 其等效强度时 ， 诱 导缝 自动 张开 ， 释放 坝体 的拉应 力 ， 避免坝体混凝土产生无序的温度裂缝。 目前诱 导缝在我 国几座碾压混凝土拱坝 中已经得到成功应 用 。严寒地 区碾 压混凝土重力 坝越冬层 面上 、 下游侧受上、 下层混凝土 的大温差 以及下部混凝土 的强约束 ， 易出现水平裂缝 ， 从碾压混凝土拱坝设诱 导缝释放坝体应力中得到启示， 考虑在越冬层面或 上部混凝土的上 、 下游侧设置人工短缝 ， 当出现拉应 力时人工短缝 自动张开 ， 释放越冬层 面混凝土 的拉 应力 ， 避免越 冬层 面及其 上部 混凝 土 中出现其 它 裂缝。 已有学者就人工短缝对碾压混凝土坝温度应力 的释放效果开展了相关的研究工作。周伟等_5 在 综合考虑有缝和无缝 、 不同施工过程 、 不同短缝设置 高程、 不同的缝内水压力等对短缝部位应力变形的 影响， 对小湾高拱坝坝踵附近人工短缝的设置效果 进行计算分析； 黄玮等 对设置在碾压混凝土重力 坝上下游面中间的竖 向人工短缝进行研究 ， 得出竖 向人工短缝能缓解坝体上下游表面应力的结论； 李 守义 、 魏忠元 等 对碾压 混凝土重力 坝坝踵处设 人工短缝进行 了仿真计算分析。本文以严寒地 区某 碾压混凝土重力坝为例 ， 采用三维有 限元仿真计算 程序对其施工期及运行期全过程进行仿真计算， 重 点研究设人工短缝对越冬层面应力 的释放效果 ， 为 工程温控防裂设计提供参考。 1 计算原理 1 1 温度场计算基本理论 计算域任 意一点 的温 度 r ( x ， y ， z ， t )应满 足 以 下热传导方程 加 ： 警 = ( 等+ 雾+ ) + Ot ( 1 ) l + + J + 一 ( 式 中， 为温度( c I = ) ； O t 为导温系数 ( m h ) ； t 为时 间( d ) ； 0为绝热温升( ) 。 对式 ( 1 ) 进行空 间域 离散和时 间域差分 ， 引入 初始条件和边界条件 ， 可得 向后 差分 的温度场计算 递推公式 ： ( 日 + R ) + 一 + F =0 ( 2 ) 式中， 日为热传 导矩 阵； R为 热传 导补充 矩 阵； )、 )为结点温度列向量 ； F ) 为结 点温度荷 载列 向量 ； n为计 算时段 数 ；A t为时 间 步长。 由公式 ( 2 ) 及上一时刻结点温度 ) 可推求 下一时刻结点温度 )。 1 2 应力场计算基本理论 混凝土应变增量包括 弹性应变增量 、 徐 变应变 增量 、 温度应变增量 、 自生体积变形应变增量和干缩 应变增量等。由线弹性理论可知 ， 复杂应力状态下 应力增量与应变增量间的关系可表示为 J ： O n =E ( 一 ， ， ) 一 A 一 s ： 一 A ： ( 3 ) E 一 = 1 E C t ( 4 ) + ( 子 ) ( ， 子 ) 一 式 中， 为应力增量 ； E 为混凝土的等效弹性 模量 ； 为总应变量 ； 呀 )、 、 ： 、 A ： 分别为徐变应变增量的第一项列向量 、 温度 应变增量列向量、 自生体积变形增量列向量和干缩 变形增量列 向量 。 当前时刻应力值等于各时段应力增量叠加， 即： = A 1 + + + + ( 5 ) 由物理方程 、 平衡方程和几何方程可得任意时 西安理工大学学报( 2 0 1 3 ) 第 2 9卷第 1期 段的有限元方程为 ： K = P + A P ： + A P + A P ： + P ： ( 6 ) 式中， 为整 体 刚度 矩 阵； 为位移 增量 ； A P 、 P ： 、 A P 、 P ： 、 A P 分另 4 为外荷载 、 徐变 、 温度 、 自生体积变形和干缩变形引 起 的荷载增量。 由式( 6 ) 求得位移增量 后， 再根据单元形 函数 求应 变增 量 ，代 人 式 ( 3 )中求 得 应 力 增 量 A ， 进而求得 当前时刻应力值 O - n ) 。 2 人工短缝 2 1 人工短缝的形式 碾压混凝土重力坝越冬层面上 、 下游侧设置的 人工短缝见图 1 。 图 1 越冬层面水平人工短缝示意图 Fi g 1 S c h e ma t i c di a g r a m o f a r t i fic i a l s h o rt s l i t o n o v e r wi nt e r i n g f a c e 人工短缝与碾压混凝土拱坝 中的诱导缝有所不 同 。首先 ， 在 构造上 ， 两缝具 有本 质上 的区别 。 诱导缝是在拱坝的横断面中按一定规律埋设诱导 片， 部分切断坝体混凝土， 形成诱导缝断面。诱导缝 能够承受一定的拉应力， 只有在拉应力超过诱导缝 的等效强度时， 诱导缝才张开。而碾压混凝土重力 坝越冬层面上 、 下游侧设置的人工短缝为构造缝 ， 不 能承受拉应力。在人工短缝上游侧设置止水 ， 缝末 端采用开口 P V C管形成圆孔， 以避免缝端应力集 中。圆孔末端布设 槽钢 ， 以防止裂缝扩展 。其次两 缝在布置上也有较大 的区别 ， 碾压混凝土拱坝 中的 诱导缝一般是沿拱 圈径 向布置在坝体横断面上 ， 而 碾压混凝土重力坝越冬层面上、 下游侧设置的人工 短缝为平行于坝轴线方向的水平施工缝， 深入坝体 碾压混凝土 1 3 m。 2 2 人工短缝的接触摩擦算法 碾压混凝土重力坝越冬层面上 、 下游侧设置 的 人工短缝为构造缝 ， 缝 的两侧混凝土之间为接触关 系， 应采用接触单元模拟人工短缝的接触行为。接 触问题属于非线性 问题 ， 求解之前接触域和接触状 态均是未知的 ， 它们随着边界条件 、 荷载 、 材料属性 及其他因素的变化而发生改变 。根据弹塑性接触分 析最小位能原理， 可将接触摩擦问题转化为求解在 接触边界的约束下系统总位能泛函的驻值。弹塑性 系统的总位能泛 函仃 可写为 ： i - 1 一 仃=( ， H ， A )=J ， ( 一 D f “一 l l ) d I d s A c u ( 7 ) J 式中， 为体积力， 为边界上的面力； u 为变位向 量； A为拉格朗日 乘子向量； C为约束矩阵。 将式 ( 7 ) 采用矩阵的形式可写为 ： 1 仃( H ， A )= 1 -u T K uU T F A C u ( 8 ) 二 式 中， 为刚度矩阵 ， F为结点荷载向量。 由变分原理 ， 有 ： 6 仃( U ， A )=0 ( 9 ) 可得 ： K u =F ( 1 0 ) C u =0 ( 1 1 ) 式( 1 0 ) 和( 1 1 ) 即是 由最小位能原理和变分原 理得到的非线性接触问题的有限元方程和接触边界 条件 ， 通过它们就可以得到接触非线性问题的解。 2 3人工短缝的接触关系 非线性接触问题接触面之间的关系包括切向关 系和法向关系两种 ， 切 向关系上 ， 主要考虑接触面间 摩擦力的作用 ； 法向关系上 ， 应能实现力 的传递， 且 两个接触物体之间存在相关的协调条件而不致使接 触物体间出现相互穿透现象。 接触物体的切向关系本质上可以认为是接触面 之间由于正压力的存在而产生摩擦。根据摩尔一 库 仑理论， 两物体之间产生相互滑移是由于剪应力超 过了摩擦力。物体间产生相互滑移时的摩擦力可表 示为： f= +C ( 1 2 ) 司政等： 人工短缝对严寒地区碾压混凝土坝越冬层面应力的释放效果 4 1 式中， 为接触面摩擦系数 ； N为两物体接触面上的 正压力 ； C为抗滑粘聚力。由此也可 以得 出人工短 缝接触状态的判断准则， 即： 分离状态( 接触面上 法向应力为负即出现拉应力时， 接触面张开) ； 粘合 状态 ( 接触面上存在正压力 ， 但接触面切 向剪应力小 于摩尔一 库仑准则所确定的允许剪应力) ； 滑移状态 ( 接触面上存在正压力， 且接触面切向剪应力大于摩 尔一 库仑准则所确定的允许剪应力 ) 。 接触物体之间的法 向接触关 系可采用罚函数算 法和拉格朗日乘子算法加以解决。罚函数法运用力 与位移的关系， 建立接触力 、 接触刚度 以及接触面间 穿透值的线性方程 ： F = C A ( 1 3 ) 式 中， K为接触 刚度 。接触 刚度 K取值越 大 ， 则接 触面间穿透值 越小。理论上讲当接触刚度 为 无穷大时 ， 接触面间穿透值 为零 ， 接触面间为完 全的接触状态。但是当接触刚度取值过大时， 总体 刚度矩阵易出现病态而导致计算结果收敛困难 ， 因 此采用罚函数法求解接触问题时接触面间穿透值不 可能为零 ， 这必然会导致计算结果出现一定的误差 。 拉格朗13 乘子法与罚函数法不同， 它是将接触力看 成一个拉格朗 13乘子 ， 建立接触力与接触单元位移 及约束的拉格 朗 13函数 ， 再通过特殊方法如拟牛顿 13乘子法可 以真实实现接触面的零穿透 ， 这是罚 函 数法不可能实现 的。但是拉格 朗 13乘子的引入大大 增加了方程组的尺度， 使得求解困难； 另外当接触状 态发生变化时， 接触力 出现突变 ， 进而产生接触状态 的振动式交替 ， 单纯 的拉格朗 13乘子法也无法有效 控制这一情况 。 基于罚函数法和拉格朗 13乘子法的不足， 本文 提 出将罚函数法和拉格朗 13乘子法结合起来解决接 触协调条件的扩展拉格朗日乘子法。扩展拉格朗13 乘子法计算时， 先按照罚函数法开始， 并设定接触面 间最大允许穿透值。如果计算过程中接触面间穿透 值大于允许值 ， 则将各个接触单元的接触力乘 以拉 格朗 13乘子的积与对应单元的接触刚度求和并重新 进行计算 ， 直到接触 面间穿透值小 于允许值 为止。 由此可以看出扩展拉格 朗 13乘子法实际上就是不断 改变接触刚度 的罚函数法 ， 但 与罚 函数法相 比总体 刚度矩阵较少 出现病态 ， 因此本文 中模拟人工短缝 时采用扩展拉格朗 日乘子法作为法向接触协调 条件。 3人工短缝对越冬层面应 力释放效果 3 1 工程概况 某水利枢纽 工程 坝址 区多年平均气温 见表 1 ， 法 、 梯度法等进行求解 ， 以获得接触力 。因此拉格朗 其最低月平均气温低于 一1 0 0， 属于严寒地区。 表 1 坝址区多年平均气温 T a b 1 An n u a l a v e r a g e t e mp e r a t u r e o f d a m s i t e 挡水坝段全断面采用碾压混凝土浇筑 ， 建基面 高程为 6 2 4 0 m， 最 大坝高 1 2 1 5 m， 底 宽 9 8 5 m， 坝段宽度 1 5 0 m 。有限元仿真计算时取整个坝段 为研究对象 ， 坝基基岩范围为沿地基深度方向、 坝踵 上游以及坝趾下游各取 1 3 0 m， 计算模型整体坐标 系的坐标原点设在左侧横缝坝踵处 ， 左右岸方 向为 轴方 向， 指 向右岸为正 ； 水流方 向为 l ， 轴方 向， 指 向下游为正； 铅直方向为 z轴方向， 向上为正， 计算 模型见图 2 。图 3为坝体 有 限元 网格及材 料分 区 图。根据工程施工进度安排 ， 大坝碾压混凝土施工 时间为 2 0 0 7年4月至 2 0 0 9年 9月 ， 2 0 0 7年 1 0月底 2 0 0 8年 4月初和 2 0 0 8年 1 0月底 2 0 0 9年 4月 初 由于外界气温太低而不适宜浇筑混凝土 ， 两次 l 0 月底停浇时的混凝 土顶 面即为越冬层面 ， 其高程分 别为 6 4 5 0 m和 6 9 9 0 m。 图2 整体计算模型及坐标系 F i g 2 Wh o l e c alc u l a t i n g mo d e l a n d c o o r d i n a t e s y s t e m 4 2 西安理工大学学报( 2 0 1 3 ) 第 2 9卷第 1 期 图 3 坝体有 限兀 网格及材料分 区图 Fi g 3 Fi ni t e e l e me n t me s h o f da m a n d ma t e r i a l p a r t i t i o n 3 2 计算参数 大坝混凝土及基岩热力学参数见表 2 。大坝混 凝土徐变度近似按下列公式计算 J ： C ( t ， r )=( A l +B 1 I c ) 1一e - D I ( 卜 + ( A 2+B 2 r ) 1一e D 2 ( 1 4 ) 式中， t 为时间 ， 为混凝土的龄期 ； t 一丁为持荷时 间。A 、 B 、 C 、 D 、 A 、 B 、 C 、 D 为混凝土徐变特 I生 参数。根据徐变试验资料 ， 对 昆凝土徐 变度参数进 行拟合 ， 其结果见表 3 。 3 3 计算方案 为了能够反映出人工短缝对严寒地 区碾压混凝 土坝越冬层面应力的释放效果 ， 计算时采用对 比方 案。方案一坝体混凝土浇筑初凝后即在坝体上、 下 游面铺设 5 c m厚的 X P S挤塑板 ， 并实行全年保温 ， 越冬层面( 6 4 5 0 m高程和 6 9 9 0 m高程) 上在冬季 停浇时表面也铺设 5 c m厚的X P S挤塑板 ， X P S挤塑 板材料特性见表 4 ； 方案二除保温措施外 ， 在 6 4 5 0 m高程越冬层面上 、 下游侧分别设置深度 为 3 2 m 和 3 0 m的水平人工短缝 ， 6 9 9 0 m高程越冬层 面 沿水流方向的尺寸较小 ， 设置人工短缝将大大削弱 该截面的抗剪强度 ， 且 6 9 9 0 m高程已脱离约束区， 温度应力相对较小 ， 因此 6 9 9 0 m高程越冬层面未 设置人工短缝。 表2 大坝混凝土及基岩热力学参数 T a b 2 Th e r mo l o g y a n d me c h a n i c a l p r o p e y p a r a me t e r o f t h e e o n e r e t e o f d a m b o d y a n d t h e b e d r o c k 混凝土 A l B 1 C l D l A 2 B 2 C 2 D 2 材料 导热系数 ( k J ( m h ) ) 导温系数 ( m h ) 容重 ( k N m 。 ) 比热 ( k J ( k g C) ) X P S挤塑板 ( 5 e m)0 1 0 0 8 0 0 0 2 1 2 0 3 4 计算程序及边界条件 碾压混凝土坝温度场与温度徐变应力场仿真计 算程序是在大型商业有限元计算软件 A N S Y S 平台 上， 采用参数化设计语言进行二次开发的 ， 利用 单元“ 生死” 高级功能实现混凝土浇筑过程的模拟 ， 将温度场仿真计算所得到的结点温度作为外荷载施 加到结构应力分析中， 保证温度场与温度应力场计 算荷载步的全程统一， 以序贯耦合法实现温度场与 司政等 ： 人工短缝对严寒地区碾压混凝土坝越冬层面应力的释放效果 4 3 温度徐变应力场的耦合计算 。 计算过程中温度场边界条件为 H J ： 坝基基岩 底面和四个侧面为绝热边界 ， 顶面在坝体上、 下游无 水时为固 气边界， 按第三类边界条件处理， 有水时 为固- 水边界 ， 按第一类边界条件处理 ； 施工过程 中， 坝体上 、 下游面和混凝土顶面为热交换边界 ， 并采用 等效表面放热系数法考虑 X P S挤塑板 的保温效果 ； 水库蓄水后 ， 坝体上 、 下游面在水位以上 为固一 气边 界 ， 按第三类边界条件处理 ， 水位 以下为 固一 水边界 ， 按第一类边界条件处理。温度徐变应力场计算边界 条件为 ： 坝基基岩底面按 固定支座处理 ， 左 、 右侧面 按 x向简支处理， 上、 下游侧面按 Y向简支处理； 坝 体外基岩顶面 、 坝体上下游面 以及 横缝 面均为 自由 边界。 3 5 计算结果及分析 为节省篇幅， 文中仅给出方案一和方案二6 4 5 0 m高程越冬层 面 、 y 、 z三个方 向温度应力包络线 图， 以说明人工短缝对严寒地区碾压混凝土坝越冬 层面应力的释放效果。 图 4为方 案 6 4 5 0 i n高程越冬层面 、 l ， 、 z 三个方 向温度应力包络线图。 l 0 20 30 40 5 0 60 7 0 8 0 长 度 m ( a ) 腩 1 O 20 3 0 40 5 0 60 7 0 80 长度 m ( b ) ， ， 向 长度 m ( C )Z向 图4 方案一 6 4 5 0 m高程越冬层面温度应力 包络线图( 单位： MP a ) Fi g 4 Th e r ma l s t r e s s e nv e l o p e c u r v e o f c a s e 1 o n e l e v a t i o n o f64 5 0 T I( Un i t ：MP a ) 由图 4可知 ， 6 4 5 0 m高程越冬层 面上 游侧 向温度应力最大值为 1 1 8 M P a ， 下游侧 向温度应 力最大值为 I 5 3 M P a ， 均出现在二分之一坝段宽度 处 ， 中心部位 向温度应力最大值约为 0 8 MP a ； Y 向温度应力最大值为2 1 8 MP a ， 出现在 6 4 5 0 m高 程中心部位 ， 】 ， 向温度应力较大 主要是 由于碾压混 凝土浇筑块沿水流方 向长度较长 ， 约束相对较强所 致 ； 上游侧 z向温度应力最大值为 2 3 4 MP a ， 下游 侧 z向温度应力最大值为 1 9 2 M P a ， 中心部位 z向 温度应力较小 ， 约为 0 8 MP a ， Z向温度应力较大部 位主要集中在坝体上、 下游侧深入混凝土2 3 m范 围内 ， 最大值均超过碾压混凝土 的抗拉强度 ( 1 7 1 M P a ) ， 且沿坝段宽度方向变化较小， 因此在坝体越 冬层面上 、 下游侧易出现贯穿整个坝段的水平裂缝。 图 5为方案 二 6 4 5 0 m 高程越冬层面 、 l ， 、 z 三个方向温度应力包络线图。 1 O 2O 30 40 50 6 0 7 0 8O 长 度 m ( a ) 向 图5 方案二 6 4 5 0 m高程越冬层面温度应力 包络线图( 单位： MP a ) F i g 5 Th e r ma l s t r e s s e n v e l o p e c u rve o f c a s e 2 o n e l e v a t i o n o f 6 4 5 0 IT I ( U n i t ： MP a ) 由图5可知， 6 4 5 0 1T I 高程越冬层面上游侧 向温度应力最大值为0 8 4 M P a ， 下游侧 向温度应 力最大值为 1 0 8 M P a ， 均出现在二分之一坝段宽度 处； 中心部位 向温度应力最大值约为 0 8 M P a 。 设置人工短缝后 ， 6 4 5 0 I n高程上 、 下游侧 向温度 应力最大值分别减小了0 3 4 MP a和 0 4 5 M P a ， 中心 部位 向温度应力无 明显变化 。越冬层 面中心部 位 y向温度应力最大值为 2 1 7 MP a 。比较 图 4 ( b ) 和图5 ( b ) 可知 ， 设置人工短缝对 6 4 5 0 i n高程各部 位 l ， 向温度应力最 大值影 响较小 ， 是 因为 6 4 5 0 I n 高程混凝土在其浇筑后的第一个冬季温度达到最低 值 ， y向温度应力最大值也 出现在浇筑后 的第一个 冬季 ， 因此设置人工短缝对 6 4 5 0 i n高程各部位 y 向温度应力最大值影响较小。坝体上、 下游侧设置 人工短缝后 ， 短缝范围内 z向温度应力几乎为 0 ， 人 工短缝对越冬层面上、 下游侧的 z向温度应力释放 效果非常显著 ； 中心部位 z向温度应力最大值约为 1 3 MP a ， 较未设置人工短缝 时有所增加 ， 但未超过 碾压混凝土的抗拉强度( 1 7 1 M P a ) ， 因此不会 出现 5 O 5 O 5 O 5 O 5 O 5 O 旨 憾 暑 暑 憾 5 O 5 O 5 0 5 O 5 0 5 O g 世 憾 暑 l I I 黼 西安理工大学学报( 2 0 1 3 ) 第 2 9卷第 1 期 水平裂缝 。 由图 4 ( b ) 和图 5 ( b ) 可知 ， 越冬层面 y向温度 应力最大值超 过 了碾 压混凝 土的抗拉 强度 ( 1 7 1 MP a ) ， 因此顺水流方 向中部易出现沿坝轴线方 向的 贯穿性裂缝 ， 需进一步采取措施 ， 限于篇 幅本文未作 讨论。 4结语 针对严寒地 区碾压混凝土重力坝越冬层面上 、 下游侧易出现水平裂缝这一实际工程 问题 ， 本文提 出在越冬层面上 、 下游侧设置人工短缝 ， 并采用三维 有限元仿真计算程序对人工短缝的应力释放效果进 行计算分析， 人工短缝按接触单元处理， 以接触摩擦 力模拟人工短缝 的切向关 系， 扩展拉格朗 日乘子法 作为法向接触协调条件。计算结果表明 ， 设 置人工 短缝后 ， 越冬层面上 、 下游侧铅直向温度应力最大值 大幅降低 ， 应力释放效果显著 ， 配合缝 内的止水及缝 末端的槽钢， 保证人工短缝 的稳定性 ， 就能很好地避 免越冬层面无措施部位 的开裂。当然 ， 对于人工短 缝的深度和位置的优化等问题有待进一步的研究。 参考文献： 1 王成山 严寒地区碾压混凝土重力坝温度应力研究与温 控防裂技术 D 大连： 大连理工大学 ， 2 0 0 3 W a n g C h e n g s h a n T h e s t u d y o n t h e r ma l s t r e s s a n d t e mp e r a t u r e c r a c k s c o n t r o l o f RC C g r a v i t y d a m i n s e v e r e c o l d a r e a D D a l i a n ：D a l i a n U n i v e r s i t y o f T c e h n o l o g y ， 2 0 0 3 2 黄达海， 宋玉普 ， 赵国藩 碾压混凝土拱坝诱导缝的等效 强度研究 J 工程力学， 2 0 0 0 ， 1 7 ( 3 ) ： 1 6 - 2 2 Hua n g Da ha i ，S o ng Yu pu，Zh a o Gu o f a nSt ud y o n t h e e q n i v a l e n c e s t r e n g t h f o r c r a c k d i r e c t o r o f R CC a r c h d a m J E n g i n e e ri n g Me c h a n i c s ， 2 0 0 0 ， 1 7 ( 3 ) ： 1 6 - 2 2 3 张小刚， 宋玉普， 吴智敏 碾压混凝土穿透型诱导缝等效 强度和断裂试验研究 J 水利学报， 2 0 0 4 ， ( 3 ) ： 9 8 1 0 2 Z h a n g Xi a o g a n g，S o n g Y u p u，Wu Z h i mi n E x p e rime n t al s t u dy o n f r a c t u r e pa r a me t e r a n d e qu i v a l e nt s t r e n g t h o f p e ne t r a t e d i n d u c e d j o i n t s i n R C C J j J o u r n a l o f H y d r a u l i c E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 4 ， ( 3 ) ： 9 8 1 0 2 4 刘杏红， 常晓林， 周伟 碾压混凝土重力坝诱导缝施工期 三维非线性开裂分析 J 武汉大学学报： 工学版， 2 0 0 5 ， 3 8( 3) ： 4 1 44 L i u Xi n g h o n g， Ch a n g Xi a o l i n， Z h o u W e i T h r e e d i me n s i o n n o n l i n e a r c r a c k i n g s t u d y o f i n d u c i n g s l i t o f RCC g r a v i t y d a m d u ri n g c o n s t r u c t i o n p e ri o d J E n g i n e e r i n g J o u r n a l o f Wu h a n U n i v e r s i t y ， 2 0 0 5 ， 3 8 ( 3 ) ： 4 1 - 4 4 5 周伟， 常晓林， 喻建清， 等 小湾高拱坝上游坝踵人工短 缝设置效果的深入分析 J 1 水力发电学报 ， 2 0 0 7， 2 6 ( 6 ) ： 1 7 2 4 Z h o u We i ，C h a n g Xi a o l i n，Y u J i a n q i n g ，e t a 1 I n d e p t h s t u d y o n e f f e c t o f t h e i n d u c e d s l i t a t t h e h e e l o f Xi a o wa n h i g h a r c h d a m J J o u r n a l o f H y d r o e l e c t ri c E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7 2 6( 6)： 1 7 4 6 黄玮， 谭力， 黄达海 碾压混凝土重力坝人工短缝效果研 究 J 云南水力发电， 2 0 0 7 ， 2 3 ( 3 ) ： 5 2 - 5 6 Hua ng W e i ，Ta n Li ，Hu a ng Da h a i S t ud y on e f f e c t s