沙沱碾压混凝土坝施工期温度应力仿真分析.pdf

第 1 O 卷第 2 期 2 0 1 2年 4月 南水北调与水利科技 S o u t h - t o - No r t h Wa t e r D i v e r s i o n a n d Wa t e r S c ie n c e Te c h n o l o g y Vo 1 1 0 No 2 Ap r 2 0 1 2 d o i ： 1 0 3 7 2 4 8 P J 1 2 0 1 2 0 1 2 0 2 1 5 0 沙沱碾压混凝土坝施 工期温度应 力仿真分析 乔晨 ， 程井， 李同春 ( 河海大学 水利水电学院， 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘要： 结合沙沱碾压混凝土重力坝的工程实际情况， 利用 AN S Y S软件及其二次开发技术 ， 对该坝的典型坝段进行 仿真分析研究。结合实测资料， 对该坝段进行全过程温度应力仿真计算。分析了施工期温度及温度应力随时间变 化情况以及某时刻在坝体的分布情况， 总结了其变化规律。结合沙沱碾压混凝土重力坝埋设温度计的实测温度， 将 计算结果与实测温度进行了比较， 表明有限元计算结果与实际情况相符， 保证了仿真分析的准确性。计算表明， 沙 沱碾压混凝土重力坝施工期温度应力状况总体情况良好 ， 但应特别注意高温季节碾压混凝土的温控工作。沙沱碾 压混凝土坝的温度应力仿真分析工作为确立施工期的温控措施， 避免产生温度裂缝提供了参考。 关键词： 碾压混凝土坝； 温度应力； 沙沱水电站； 仿真分析； 有限单元法 ； 温度场； 应力场 中图分类号 ： TV3 1 5 ； T V5 4 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 1 6 8 3 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 1 5 0 0 4 S i mul at i o n S t u dy o f The r m a l S t r e s s o f S ha t u o Ro l l e r Co mpa c t e d Co nc r e t e Da m d u r i n g Co n s t r u c t i o n QI AO C h e n， CHENG J i n g， LI To n g - c h u n ( C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o p o we r E n g i n e e r i n g， Ho h a i U n i v e r s i t y， n j i n g 2 1 0 0 9 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Us i n g t h e ANS YS s o f t wa r e a n d i t s s e c o n d a r y d e v e l o p me n t t e c h n i q u e t h e s i mu l a t i o n c o mp u t a t i o n a n d f e e d b a c k r e s e a r c h o f S h a t u o r o l l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e( RC C)d a m t e mp e r a t u r e f i e l d a r e r e a l i z e d， wh i c h i S b a s e d o n t h e p r a c t i c a l s i t u a t i o n o f t h e c o n s t r u c t i o n o f t h i s RCC d a m Th e v a r i a t i o n a n d t h e d i s t r i b u t i o n o f t e mp e r a t u r e a n d t h e r ma l s t r e s s i n RC C d a m i n c o n s t r u e t i o n p e r i o d a r e s t u d i e d Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s a r e c o n s i s t e n t wi t h t h e me a s u r e d d a t a o f t h e t h e rm o me t e r s b u r i e d i n S h a t u o RCC d a m， wh i c h s u g g e s t s t h a t t h e r e s u l t s o f s i mu l a t i o n a r e c o r r e c t a n d r e l i a b l e Th e s i mu l a t i o n c o mp u t a t i o n o f t h e RcC d a m s h o ws a g o o d s t a t e o f t h e rm a 1 s t r e s s o f S h a t u o RCC g r a v i t y d a m d u r i n g c o n s t r u c t i o n a t t h e s a me t i me t h e a n a l y s i s r e s u l t c o n c l u d e t h a t t h e t e mp e r a t u r e c o n t r o l me a s u r e s s h o u l d b e s t r i c t e r d u r i n g h o t s e a s o n Th e s i mu l a t i o n s t u d y h a s a g r e a t r e f e r e n c e v a l u e t O d e t e r mi n e t h e 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 RCC d a m， i n o r d e r t O a v o i d t h e c r a c k c r e a t e d b y t h e t h e r ma l s t r e s s Ke y wo r d s ： RCC d a m； t h e r ma l s t r e s s ； S h a t u o h y d r o p o we r s t a t i o n； s i mu l a t i o n a n a l y s i s ； s i mu l a t i v e c a l c u l a t i o n t e mp e r a t u r e f i e l d ； s t r e s s f i e 】 d 碾压混凝土坝的温控防裂是保证工程正常安全运行的 一 项重要工作 ， 碾压混凝土施工技术通常采用薄层连续上 升， 每层摊铺后进行碾压的施工工艺 ， 层间间歇时间一般为 几个小时 在混凝土拌合、 运输、 摊铺以及碾压的过程中， 特 别是在高温季节 ， 由于热量倒灌， 混凝土拌合物会吸收大量 的热， 因此， 对典型坝段温度应力进行全过程反馈分析十分 必要 。此外 ， 应将计算 成果 与实测 温度进行 比较 ， 以保 证温 度应力反馈分析的准确性 ， 提高实际的工程参考价值。 l 工程资料 沙沱水电站位于贵州省东北部沿河县境内， 坝址控制流 域面积 5 4 5 0 8 k mz ， 是乌江干流规划开发的第 9个梯级电 站。电站正常蓄水位 3 6 5 m， 水库相应库容 7 7 亿 r n 3 ， 总库 容 9 1 亿 。水电站以发电为主， 兼顾航运、 防洪及灌溉等 任务。 水 电站拦河大坝为全断面碾压混凝土重力 坝 ， 建 成后最 大坝高 1 0 1 m， 坝顶高程 3 7 1 m。碾 压混凝 土重 力坝 8号坝 段为引水坝段， 2 0 1 0 年 3 月 1 7日开浇， 温控数据资料相对完 备， 故选取 8号坝段为典型坝段进行全过程反馈分析。结合 当地实际的气温条件、 浇筑进度 、 浇筑温度 、 通水过程， 对 8 号坝段进行仿真模拟， 计算该 坝段 5年 内的温度及应力 情况 。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 3 0 6 修回 日期 ： 2 0 1 2 0 3 3 1 网络 出版时间 ： 2 0 1 2 0 4 1 6 网络出版地 址： h t t p ： www c n k i n e t k c ms d e t a i l 1 3 1 3 3 4 TV 2 0 1 2 0 4 1 6 1 7 1 9 0 0 7 h t ml 基金项 目： 国 家 自然 科 学 基 金 青 年 基 金 项 目 ( 5 1 0 0 9 0 5 6 ) ； 中 央 高 校 科 研 业 务 专 项 ( 2 0 0 9 13 0 1 8 1 4 ) ； 教 育 部 博 士 点 新 教 师 基 金 ( 2 01 0 0 0 9 4 1 2 0 0 0 5 ) 作者简介 ： 乔晨 ( 1 9 8 7) ， 女 ， 河北石家庄人 ， 主要从 事水工结构方面 的研究 。E - ma i l ： q i a o c h e n 0 1 2 3 h o t ma i l c o m 1 5 0 王 程 |蔽 4 采 乔晨等 沙沱碾压混凝土坝施工期温度应力仿真分析 8号坝段高程为 2 8 03 7 1 r n ， 坝高 9 1 r n ， 除坝顶 1 r f l 厚 的常态混凝土外， 其余坝体部分均采用碾压混凝土。上游面 采用二级配碾压混凝土 R I( C 2 0 Wa F 1 0 0 ) ， 坝体内部采用 三级配碾压混凝土 R _ 1 1 ( C I 5 W6 F S 0 ) 。 表 1 沙沱碾压混凝土大坝各分区材料参数 Ta bl e 1 Th e ma t e r i a l s p a r a me t e r s o f S h a t u o RCC Da m 2 温度应力仿真分析 2 1 ANS Y S软件及有限元计算模型 A NS Y S软件是一款具有强大 的前后处理功 能和友好 的 操作界面的 C AE软件。作为一款大型通用有限元分析软 件， AN S YS提供了良好的二次开发环境， 利用二次开发工 具 ， 可以对具体问题进行针对性的计算和分析， 提高了分析 效率 和质量 。 8 号坝段模型划分为 3 1个浇筑层， 其 中 3 O个为碾压混 凝土， 1 个为常态混凝土 ( 坝顶) 。碾压混凝土浇筑层厚度为 1 5 5 m。三维计算模型坝体部分单元数为 1 1 1 1 2 ， 坝基部 分单元数为 3 1 3 2 。 图 1 8号坝段三维仿真计算模 型 Fig 1 Th e t h r e e d i me n s i o n mo d u l e o f t h e s e c t i o n 8# o f Sh a t u oRCC d a m 2 2 仿真分析相关技术处理 碾压混凝土大坝在分层碾压浇筑的过程中， 坝体形状不 断发生变化， 在仿真计算时可利用生死单元来模拟这一过 程 ， 依照碾压混凝土 大坝实 际浇筑 过程 ， 按照 施工过 程将新 浇筑的混凝土顺序激活。 在计算时， 将坝体分为若干碾压层和浇筑层， 按照从坝 基至坝顶的顺 序 ， 分 为若干荷 载步 依次激 活每 一层混凝 土 。 随着坝体单元的逐步激活， 相应的温度荷载也同时施加， 以 此类推， 直到坝顶浇筑层浇筑完成， 这样就可以仿真模拟大 坝整个施工过程的温度场和应力场。 2 3 计算边界条件 计算分析时， 坝基底部、 上下游边界及左右侧边界作为 绝热边界， 其他边界为散热边界。 坝体上下游表面为第三类边界条件， 混凝土与空气接 触， 其表面的热流量与混凝土表面温度 T与气温 之差成 正 比 。 r - A 一I8 ( T ) 式中： 一混凝土导热系数； 一混凝土表面放热系数； 一混 凝土表面外法线方 向。 2 4 计算温度与实测温度场比较 8号坝段 E L 2 8 8 r n高程共埋设 5支温度计， 编号分别 为 Tb B - 1 、 T b B - 2 、 T b B - 3 、 Tb B - 4和 Tb B - 5 ， 位于第三浇筑层。 故在层内选择节点， 绘制其温度变化曲线， 与 5 支温度计的 实测曲线进行比较。 图 2为 5支温度计所 测温 度变化 曲线 。通 过 图 3和 图 4 ， 温度计算值与测点平均值曲线的比较可以看出， 计算结果 与 5支温度计的实测结果相符， 接近实际情况， 故温度应力 的仿真计算能够反映 8号坝段的实际温度应力状况。 温度计 Tb B - 5 位于坝纵 0 +0 4 8 5 0 0 处 ， 距离大坝下游 表面 1 5 m左右， 故其所测温度受坝体表面气温变化的影响 较大。取高程 2 8 8 m的坝体下游表面节点( 节点 A) 和靠近 表面的节点( 节点 B ， 距离表面 3 m) ， 绘制温度变化历程曲 线， 并与气温变化曲线进行比较 。如图 5所示， 温度计 Tb B - 5所测温度与节点 A和节点 B的计算结果温度相符。 憾 赠 1 撼 赠 日期 图 2 实测温度 时间变化 曲线 Fi g 2 Th e m e a s u r e d t e mp e r a t u r e v a r i a t i o n c u r v e s 图 3 计算温度与测点平均值 F ig 3 Th e c a l c u l a t e d t e mp e r a t u r e t h e a v e r a g e m e a s u r e d t e mp e r a t u r e 鞭 镪 | 豫 释 l 薅 强 | 疆 释 椎 强 器 臻 工程技术 1 5 1 | l 4 第 1 O卷 总第5 9期 南水北调与水利科技 2 0 1 2年第2期 13 期 图4 计算温度与测点平均值前期温度比较 F i g 4 T h e e a r l i e r p e r i o d o f t h e c a l c u l a t e d t e mp e r a t u r e t h e a v e r a g e me a s u r e d t e mp e r a t ur e 图 5 Tb 5与相 近节点温度 比较 F i g 5 Th e me a s u r e d r e s u l t o f Tb B - 5 &t h e c a l c u l a t e d t e mp e r a t u r e o f a d j a c e n t n o d e s 2 5 温度及温度应力仿真计算 在对 8 号坝段 的三维有 限元仿真计 算 中， 全过程模拟 了 大坝施工过程中的气温条件、 边界约束条件、 碾压层厚 、 浇筑 温度、 浇筑时问、 浇筑高程、 通水温度、 表面保护等条件 ， 计算 时间由大坝从 2 0 1 0年 3 月 1 7日浇筑， 至2 0 1 5 年 I 1 月， 共计 2 0 7 4 d ， 着重分析施工期应力状态。计算时间步长在施工期 取 0 51 d ， 后随时间的推移逐渐延长步长至 3 0 d 。其中高 程 2 8 0 3 3 7 m部分， 截至仿真计算时， 已经浇筑完成， 此部分 按实际情况进行模拟， 其他高程按工程计划方案模拟计算。 仿真计算结果沿高程取几个特征浇筑层进行分析， 绘制 温度及应力历程图， 见图 6 一图 l 1 。 赠 日期 图 6 第 1 、 3 、 5 、 8浇筑 层温 度历 程 F i g 6 Te mp e r a t u r e v a r i a t i o n o f t h e 1 s t ， 3 r d ， 5 t h g 8 t h RC C l a y e r 3 施工期温度应力分析 通过仿真计算， 坝体混凝土温度在通水后下降明显， 夏 1 5 2 。 l王 程l 技 | 采 l 季施工的浇筑层温度较高 坝体应力状况良好 ， 随季节变化 呈现波动， 总体保持稳定。 挝 赠 日 期 图 7 第 1 1 、 1 3 、 1 5 、 1 7浇筑层温度历程 F i g 7 T e mp e r a t u r e v a r i a t i o n o f t h e l l t h - 1 3 t h ， 1 5 t h g q7 t h RC C l a y e r 日期 图 8 第 1 、 3 、 5 、 8浇筑层 X 向应力历程图 Fi g 8 X- d i r e c t i o n t h e r m a l s t r e s s v a r i a t i o n o f t he 1 s t ， 3 r d ， 5 t h 8 t h R C C l a y e r 1 1 日期 图 9 第 l 1 、 1 3 、 1 5 、 1 7浇筑层 X 向应力历程 Fi g 9 X d i r e c t i o n t h e r ma l s t r e s s v a r i a t i o n o f t h e 1 1 t h， 1 3 t h ， 1 5 t h 1 7 t h R C C l a y e r 日期 图 1 O 第 1 、 3 、 5 、 8浇筑层 y向应 力历 程图 Fi g 1 0 Y- d i r e c t i o n t h e r ma l s t r e s s v a r i a t i o n o f t h e 1 s t ， 3 r d 。 5 t h 8 L 8 t h R C C l a y e r 乔晨等 沙沱碾压混凝土坝施工期温度应力仿真分析 图 1 1 第 1 1 、 1 3 、 1 5 、 1 7 浇筑层 y向应力历程图 Fi g 1 1 Y- d i r e c t i o n t he r ma l s t r e s s v a r i a t i o n o f t h e 1 1 t h， 1 3 t h ， 1 5 t h l T t h R CC l a y e r 从图 1和图 6中可以看出， 由于水化热的作用， 各浇 筑层混凝土温度均在浇筑后迅速上升， 在 3 7 d达到最高 值， 由于通水冷却的作用 ， 混凝土温度在之后开始下降， 并在 通水结束后有所回升 在短暂的回升期过后， 混凝土温度整 体呈下降趋势， 并且变化平稳 各浇筑层最高温升均在正常 范 围内。 坝体各浇筑层水平沿上下游方向的 x轴 向应力绝对 值均没有超过 0 8 MP a ， 应力状况良好。X轴向应力随季节 呈现波动性变化的趋势， 在气温较高的夏季， X轴向应力较 大。铅直方向的应力在浇筑初期上升趋势明显 ， 之后保持稳 定并随季节变化波动。在坝体自重和水荷载的综合作用下 ， 可以抵消一部分由温度产生的铅直拉应力。最大铅直拉应 力约为 0 5 MP a ， 出现在夏季施工的浇筑层， 因此对于混凝 土夏季施工应尽量控制浇筑温度， 并采取仓面喷雾等降温措 施， 以降低碾压混凝土的温升。 表 2列出了各浇筑层的高程以及主应力极值情况， 最 大的主拉应力发生在第 1 3 浇筑层。 表 2 典型浇筑层主应力极值 Ta b l e 2 Ex t r e me v a l u e s o f p r i n c i p a l s t r e s s of t yp i c a l l a y e r s 浇筑层 底部高程 m 顶部高程 m 主应力极大值 MPa 1 2 8 0 0 2 8 3 0 0 5 3 3 2 86 O 2 8 9 5 O 3 9 5 2 9 2 5 2 9 5 5 O 4 9 8 3 O1 5 3 0 4 5 0 5 2 1 1 3 13 5 3 1 6 5 0 3 9 1 3 31 9 5 3 2 4 5 1 O O 1 5 3 2 6 5 3 2 8 O 0 5 1 1 7 3 31 | 0 3 3 3 9 0 3 8 4 结论 受气候影响， 沙沱碾压混凝土大坝的施工应特别注意夏 季的温控措施 ， 防止温度倒灌， 结合碾压混凝土的特点， 采取 通水冷却以及与之相关的降温措施 ， 防止产生温度裂缝。 沙沱碾压混凝土大坝地处亚热带季风气候区， 温和湿 润， 雨量丰沛。坝址地区多年平均气温 1 7 5， 夏季温度较 高， 年温差 2 8 9。 C。沙沱碾压混凝土重力坝虽进行了通水 冷却， 但高温季节施工的浇筑层与其他季节施工的浇筑层相 比， 仍然存在拉应力偏大的情况， 因此， 碾压混凝土运输过程 中的保温( 冷) 措施以及碾压过程中的仓面喷雾等温控措施 十分重要， 不可忽视。与之相符的， 大坝冬季施工也应注意 仓面的保温， 以防止由于内外表面温差过大导致混凝土产生 较大的拉应力。 与常态混凝土相比， 碾压混凝土水化热产生的周期更 长， 坝体内部温度降低的速度也更缓慢， 必要时可考虑二期 通水， 以降低大坝内部的水化热温升。从 目前三维有限元计 算结果显示 ， 大坝内部温度没有出现过高的情况， 说明浇筑 和温控措施较为得当。对于沙沱碾压混凝土重力坝 ， 夏季开 工坝段是温控措施的重点， 可研究采取夜晚施工等方式以降 低气温及日照的影响。 通过与实测温度的比较， 有限元计算结果与实际情况 相符 ， 能够准确的反映大坝施工期温度及温度应力的分布和 变化， 为采取避免产生温度裂缝的温控措施提供了参考。 参考文献( Re f e r e n c e s ) ： 1 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 ( Z HUB o - f a n g T h e r ma l S t r e s s e s a n dT e mp e r a t u r e C o n t r o l o f Ma s s C o n c r e t e M B e i j i n g ： C h i n a El e c t r i c P o we r Pr e s s ， 1 9 9 9 ( i n Ch i n e s e ) ) 2 姜冬菊 ， 张子 明， 宋培玉 龙滩碾压混凝土重力坝温度应 力研 究 I- j 红水 河 ， 2 0 0 1 ， 2 0( 2 ) ： 5 1 5 6 (J I AN G D o n g - j u ， Z HANG Z i mi n g SONG Pe i y u Te mp e r a t u r e S t r e s s St u d y o n t h e L on g t a n RC C Gr a v i t y D a m L J Ho n g s h u i h e ， 2 0 0 1 ， 2 0 ( 2 ) ： 5 1 5 6 ( i n Ch i n e s e ) ) 3 S a n t u r j i a n O ， K o l a r o w L A A p a t i a l F E M Mo d e l o f T h e r m a l S t r e s s S t a t e o f C o n c r e t e B l o c k s wi t h C r e e p c o n s i d e r a t i n n J Co mp u t e r& S t r u c t u r e s ， 1 9 9 6 ， 5 8 ( 3 ) ： 5 6 3 5 7 4 4 朱伯芳 混凝土坝施工期温度场计算 J 水利水 电技 术 ， 2 0 1 0 ， 4 1 ( 9)： 3 6 4 1 (ZHU B o - f a n g Co mp u t a t i o n o f Te mp e r a t u r e F i e l d i n t h e Co n s t r u c t i o n P e r i o d o f C o n c r e t e D a ms J _ Wa t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r o p o we r En g i n e e r i n g， 2 0 1 0， 41( 9) ： 3 6 4 1 ( i n Ch i n e s e ) 5 黄淑萍 ， 胡平 ， 岳耀真 观音阁水库碾压混凝土大坝温度应力 仿 真计 算研究 【 J 水力 发电 ， 1 9 9 6 ， ( 7 ) ： 4 0 4 4 (HUAN G S h u p ,i n g， H U Pi n g， YUE Ya c z he n S t u d y o n Te mp e r a t ur e St r e s s Emu l a t ion Ca l c u l a t i o n o f t h e RcC Da m i n Gu a n y i n g e Re s e r v o i r l J J Wa t e r P o we r ， 1 9 9 6 ， ( 7 ) ： 4 0 4 4 ( i nC h i n e s e ) ) 6 孙恭 尧 高碾 压混 凝土 重力 坝设 计方 法研 究 J 水力 发 电 ， 2 0 01 ，( 8)：1 0 1 1 ( S UN Go n g ya o Re s e a r c h o n Th e rm a l S t r e s s i n Hi g h e r R o l l i n g C o mp a c t e d C o n c r e t e Da m I- J Wa t e r Po we r ， 2 0 01 ， ( 8) ： 1 0 1 1 ( i n Chi n e s e ) ) 7 林继镛 水工建筑 物 M 北京 ： 中国水 利水 电出版社 ， 2 0 0 9 ( L I N j i y o n g Hy d r a u l i c S t r u c t u r e M B e ij i n g ： C h i n a Wa t e r Po we r Pr e s s ， 2 0 0 9 ( i n Ch i n e s e ) 8 J a a f a r M S ， B a y a g o o b K H， No o r z a e i J ， e t a 1 D e v e l o p me n t o f f i n i t e de me n t c o mp u t e r c o d e f o r t h e r ma l a n a l y s i s o f r o ll e r c o mp a c t e d c o n c r e t e d a ms E J E n g i n e e r i n g S o f t w a r e ， 2 0 0 7 ， 3 8 ： 8 8 6 8 9 5 9 No o r z a e i a J ， B a y a g o o b a K H， T h a n o o n b W A， e t a 1 Th e r ma l a n d s t r e s s a n a l y s i s o f Ki n t a R C C d a m J E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ， 2 0 0 6。 2 8( 1 3 )： 1 7 9 5 - 1 8 0 2 1 O 朱伯芳， 许平 混凝土坝仿真应力分析方法 J 中国水利， 2 0 0 0 ， 9： 7 5 7 7 ( ZHU B o - f a n g， XU Pi n g Ne w Me t h o d s f o r S t r e s s An a l y s i s S i mu l a t i n g Co n s t r u c t i o n l_ J C h i n a Wa t e r R e s o u r c e s ， 2 0 0 0， ( 9 )： 7 5 7 7 ( i n Ch i ne s e ) ) q 工 l程 l技 l采 1 5 3