堆石混凝土坝温度应力仿真分析及温控措施研究.pdf

2 0 1 6年第 9期 ( 第 4 4卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g i i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y No 9 201 6 ( T o t al N o 4 4 ) 文章编号 ： 1 0 0 7 7 5 9 6 ( 2 0 1 6 ) 0 9- 0 0 1 3 0 4 堆石 混凝 土坝温度应 力仿真分析及温控措 施研 究 范鹏 飞 ( 山西省水利水电工程建设监理有限公司， 太原 0 3 0 0 0 0 ) 摘要 ： 堆石混凝土坝随着技术的成熟和推广， 对于堆石混凝土的研究逐渐深入。由于受温度 影响较大 ， 坝体水上部分和水下部分之间存在一定的温差 ， 将会导致坝体的裂缝或者局部丧失 应力。鉴于堆石混凝土坝是一个较为复杂的个体 ， 研究人员需要对其进行仿真分析 ， 接近于真 实的模仿在各种温度的作用下， 堆石混凝土坝会产生怎样的变化， 分析这种变化是否影响到坝 体的正常使用， 同时， 要考虑采用何种方式来控制或者避免这些不利因素和影响的发生。 关键词 ： 堆石混凝土坝； 温度控制； 仿真分析； 温控 ； 研究 中图分类号： T V 5 4 4 文献标识码 ： B T e mp e r a t u r e S t r e s s i n g S i mu l a t i o n An a l y s i s a n d T e mp e r a t u r e Co n t r o l M e a s u r e Re s e a r c h o f Ro c k fi 1 1 Co n c r e t e Da m F AN P e n g - f e i ( S h a n x i P r o v i n c i a l Wa t e r C o n s e r v a n c y H y d r o p o w e r P r o j e c t C o n s t r u c t i o n S u p e r v i s i o n L i m i t e d C o m p a n y ， T a i y a n 0 3 0 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Wi t h t h e t e c h n o l o g i c a l d e v e l o p me n t o f r o c k fi l l c o n c r e t e d a m ， t h e r e s e a r c h o f r o c k - fi l l c o n c r e t e i s d e e p e n i n g g r a d u a l l y I mp a c t e d gre a t l y b y t h e t e mp e r a t u r e c o n t r o l ， t h e r e i s a c e r t a i n t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e s u r f a c e wa t e r a n d d o w n wa t e r o f d a m b o d y a n d wi l l c a u s e t h e d a m b o d y t o c r a c k o r l o s e t he s t r e s s pa r t i a l l yI n v i e w o f t h e r o c k- fi l l c o n c r e t e d a m a s a c o mp l e x i n d i v i d u al ， t h e r e s e a r c h e r s n e e d t o c o n d u c t t h e s i mu l a t i o n a n a l y s i s t o d i s t i n g u i s h t h e c h a n g e s o f roc k - fi l l c o n c r e t e d a m u n d e r t h e a c t i o n s o f v a ri o u s t e mp e r a t u r e s c l o s e d t o r e a l s i mu l a t i o n， a n d a n a l y z e w h e t h e r t h i s k i n d o f c h a n g e s c o u l d a ff e c t t h e o r d i n a r y u s e o f d a m b o d y ， s i mu l t a n e o u s l y ， t o c o n s i d e r t h e w a y i n wh i c h t o c o n t r o l o r a v o i d t h e o c c u r r e n c e o f t h e s e a d v e e f a c t o r s a n d e f f e c t s Ke y wo r ds： r o c k fi l l e d c o n c r e t e d a m ；t e mpe r a t u r e c o n t r o l ；an aly s i s o f s i mu l a ti o n；r e s e a r c h 堆石混凝土坝是现在较为常见 的水坝 ， 主要是 考虑到堆石混凝土的特性对于温度的影 响要远远小 于普通混凝土， 能够延长使用周期。堆石混凝土筑 坝技术是建立在 自密实混凝 土的技 术基础上 ， 再通 过多年的研究和实践 ， 逐渐发展起来 的。作为一种 新型混凝土筑坝技术 ， 2个尤其重要的施工工序是这 项技术的核心： 分别是堆石人仓和浇筑 自密实混 凝土。 文章详细介绍这两道重要的施工工序， 以便可 以更好的理解接下来 的内容 。堆石入仓 的含义是 ： 在放置模板后 ， 将颗粒直径 3 0 c m 的碎石堆放至仓 面 ， 由于碎石之 间空 隙较 大， 通 常需要 将其碾 压密 实 ； 下一步工序则是 自密实混凝 土的浇筑 ， 这个环节 尤其重要， 堆石体的空隙需要 自密实混凝土流动填 充， 使之形成高质量的堆石混凝土。 收稿日期 2 0 1 6 0 6 2 6 作者简介 范鹏飞( 1 9 8 7一 ) ， 男， 山西太原人， 工程师， 研究方向为水利水电工程。 一 1 3 2 0 1 6年第 9期 ( 第4 4卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y No 9 2 0 1 6 ( T o t a l N o 4 4 ) 1 堆石混凝土坝温度与应力之间的关系 混凝土的堆石尺寸较大 ， 因此对 于适合常态或 碾压混凝土 的测定方法 显然 不再适 用于堆石混 凝 土 ， 由于堆石混凝土应用面较窄 ， 以及对实验条件要 求较高， 因此难以采集大量的堆石混凝土试验参数 样本进行相关规律的提取和总结。受客观条件限 制 ， 只采用有限的数量样 本进行 比对。绝热升温与 极 限拉伸 2个参数指标与混凝 土的抗裂性能 的数据 体现， 可以通过这两个参数的取值变化来了解混凝 土抗裂性能的优劣。另外， 施工工艺也是影响徐变 的重要 因素， 综上所述 ， 堆石混凝土在受温度影响后 的表现是通过以下几个参数进行全方位的体现： 1 1 抗裂特性 1 ) 绝热升温 ： 主导混凝土发热量的因素是混凝 土的水化热。堆石混凝土和普通混凝土之间最大 的 区别在于水泥 的用量 ， 由于堆石混凝 土鉴于 自身特 性的远近 ， 在制作的过程中会添加大量的粉煤灰 ， 因 此绝热温升低于常态混凝土 。通 常来说 ， 导致堆石 混凝土的水化热初期升温慢而后期温升大 的原因就 在于其中所掺加的粉煤灰延迟发热。下面我们来通 过一组实验数据对绝热升温进行分析， 见表 1 。 表 1 C 2 5自密实混凝土配合 比和组分参数 由表 1可以得 出： 在配 比情况理想化分为 自密 实混凝土和堆石各 占一半的情况下 ， 根据热量 守恒 原理， 推算出堆石混凝土的绝热温升为 1 8 8 0 ( 1 一 e一 0 0 3 3 9 ) 。 2 ) 极限拉伸 ： 堆石混凝土的抗裂性能主要通过 极限拉伸来反映， 而现实中堆石混凝土的极限拉伸 值比常态混凝土低是因为受配合比和施工方法的影 响。混凝土配合技术和实验精度长足的提高有赖于 近几年的试验与研究 ， 堆石混凝土的极限拉伸值也 有了质的飞跃 ， 但在实 际的实施过程 当中， 9 0 d龄期 的混凝土在极限拉伸值得表现方面与试验恰恰相 反 ， 仍然低于同质的常态混凝土。由于受条件影响 ， 钻孔取芯实测极限拉伸值远低于室内实验值， 堆石 混凝土层间的结合强度是远远 低于普通混凝土 ， 因 一 1 4 一 此堆石混凝土更容易出现裂缝。我们再来通过一组 较为详 实 的实验 数据 对这 个结 论做 一 个验 证 ， 见 表 2 。 表 2 立方体堆石混凝土试件劈拉试验结果 1 2 徐变度 徐变是反 映温度影 响的一个重要 指标 ， 能够直 接的反应堆石混凝土在温度作用下 的变化。混凝土 对于温度变 化 的重要反 映是通过 徐变值表 现 出来 的， 在温度应力作用的部分， 可以通过徐变使混凝土 体块减小应力反应 ， 徐变与应力呈反 比关 系。由于 胶凝材料用量在混凝土 中的作用 ， 相 比于常态混凝 土而言， 堆石混凝土的徐变维持在一个低水平的取 值， 就可以保持坝体的功能稳定性， 但是这一点于温 度应力与防裂不利。 l - 3 施工方法的影响 中国大规模的施工建设很难保证施工质量的一 致性 ， 而施工 的手法和工艺也会对堆石混凝土产生 较大的影响。中国堆石混 凝土冷量损 失大 ， 究其 原 因是采用低温入仓导致 ， 类似于常态混凝 土那样 的 低温浇筑通常难 以实现。常态混凝土在浇筑 中可以 通过温控措 施来保持 混凝 土的完整性。然 而， 由于 堆石混凝土的热性所致， 水管冷却会对其施工带来 不利影响， 因此近几年大部分堆石混凝 土浇筑工程 不推荐采用此种方法， 少数设冷却水管的也仅限于 高温季节浇筑的部位。 在常态混凝土中通常会采用 以下方法对此类 问 题进行规避， 一个是降低浇筑温度， 第二个是通水冷 却。后者在对视混凝土中难以实现并且效果欠佳。 堆石混凝土坝通常不做二期冷却， 仅靠大 自然散热 进行后期稳固， 因此将坝体温度降至稳定需要相 当 长的一段时间。鉴于此， 大坝会长时间处于一种高 温状态， 当遇到温度骤降时， 降温所带来的温差将产 生热胀冷缩从而出现裂缝 。 尽管堆石混凝土与普通混凝土 比起来 ， 有较大 的区别， 但是在坝体建设当中， 堆石混凝土的特点尤 为突出： 范鹏飞： 堆石混凝土坝温度应力仿真分析及温控措施研究 第9期 1 ) 水泥使用量小， 温度变化指数值低。 2 ) 高机械化的施工过程， 有利于管理者梳理工 程组织体系并控制质量 ， 人为不可控因素大大降低。 3 ) 施工成本低施工速度快， 能够尽快的提高产 能 ， 产生效益。 2 温度控制的仿真分析 堆石混凝土坝对于温度的变化需要做仿真分 析。在温差的作用下， 坝体会出现裂缝， 对于拱坝来 说， 尽管小部分拱坝在宽坝段出现裂缝， 但是大部分 并未收到裂缝的破坏。与之相反 的是重力 坝， 宽度 超过 2 0 m的重力坝很大概率上会出现裂缝 ， 这种特 性表现也与拱坝形成鲜 明对 比。为了能够很好 的解 释这个现象， 我们通过几座拱坝为研究对象进行仿 真计算分析。 以下几点原 因控制了这种现象 ： 坝厚 1 6 3 0 m 的拱坝上下游面的散热效果好 。 即便是坝内温度达到峰值， 坝体的内外温差变化并 不突出， 表面拉应力也不产生突变 ； 导致表面应力增 量为压力的诱因是内外温差变小 ； 蓄水 时， 水 的比热 容发挥了重要的作用使坝体温度有所降低； 比之同 质的普通混凝土 ， 抗拉强度增强 的同时提升 了防裂 性能， 可弱化温控措施的作用； 堆石混凝土的特性决 定了通水冷却的方法无显著效果， 因此决定坝体最 高温度的主要是初始浇筑温度和环境温度； 对于低 温浇筑的混凝土， 坝体的拉应力较小， 温度对于坝体 的影响不影响坝体的施工， 可不采取分缝和温控措 施； 而对于高温浇筑的混凝土， 需要考虑通过表面流 水或者避开高温时段浇筑的方式疏散热量 。但如果 该地区冬夏温差大， 温度应力作用明显， 坝体在温差 作用下存在拉裂风 险； 较 大间距 分缝 能有效降低坝 体温度应力， 将温度应力逐渐传递出去， 避免在坝体 内部及表面发生损伤。 堆石混凝土坝的实操方法需要建立在仿真计算 校核 的基础上 ， 充分利用低温季节 的优势完成混凝 土的浇筑， 而高温季节应较大间距分缝并采取温控 措施 ， 达到快速优质筑坝的目的。 3 堆石混凝土坝体的分缝 分缝不仅仅是存在于混凝土防裂， 在诸多工程 领域也有各种实践应用。所 以“ 常态混凝 土的横缝 间距 2 0 m” 也 是通过多年的研究与工程 实践证 明 的。大体积量的工程由于各种原因， 同时也是出于 安全的考虑， 无可避免要进行分缝。其中重力坝和 拱坝是完全不同的展示个体。 3 1 重力坝 基于早期的工程经验出现过“ 堆石混凝土坝可 以不分缝或坝段长可为 8 01 0 0 m” 这样的极端 的说 法。但是 ， 实践 中发现坝段过宽时， 由于混凝土配 比 以及本身的热性等原因， 会在横向随着温度变化而 产生剧烈 变化 ， 由于各 向异 性 的缘 故 ， 极 易 出现裂 缝 ， 宽体坝段被裂缝分割为若干段， 导致坝体的实际 功能的丧失 。 一 个实际的案列在我 国南方某坝沿分 为河床 6 个坝段， 前5 个为3 6 m， 最后 1 个为2 6 m， 在投入使用 达到一定年限后 ， 5个 3 6 m宽 的坝段均开裂 ， 缝宽最 大达2 m m， 产生了破坏性的影响。对坝体功能的使 用产生 了极其不好 的后果 ； 另一个在 温度 的反 复作 用下， 坝段宽5 0 6 4 m的重力坝， 每个都开裂成2 3 段 ， 开裂的裂缝从上到下贯穿 ， 最大缝宽达 2 ra m， 这 种贯穿式开裂直接导致坝体的报废 ， 无法 载继续进 行工作 。随着堆石混凝土在各类实验和工程实例当 中反复的应用， 对于其特性大家逐渐的了解 ， 针对堆 石混凝土坝 的分缝长度逐渐形 成 了同一的看法 ， 为 了避免拉应力引起上游面竖 向裂缝 ， 蓄水后发展成 劈头裂缝的后果， 因此规定坝体分缝以2 0 m左右为 宜 ， 顺河方向可按通仓浇筑。 3 2 拱坝 早期的拱坝所存在的缝不是真正意义上的分 缝 ， 只是诱导缝。诱导缝不能够真正意义上满足分 缝的功能需求， 大坝会在使用多年后出现严重的裂 缝 。在某拱坝的实际建设 中， 为了将分缝 和诱 导缝 结合使用， 最终提出了可重复灌浆的横缝与诱导缝 相结合 的方式促进实践。 纵向引起的压应力在水坝蓄水时会突然增加， 导致竖直向裂缝被很好 的控制 。然而， 在 中间坝段 如果有集中应力破损或者坝体过长时， 会因局部应 力集 中在缺 口部位引起更大面积 的裂缝延展。关 于 堆石混凝土拱坝最为敏感 中部坝段 ， 可根据现场情 况估算宽度， 以仿真分析结果为参考依据， 上限宽度 为 l O O m。而拱坝两岸坝段横缝 间距要适 当减小 ， 具 体宽度要理论分析结合实际情况综合评定。 4 控制温度 的措施 对于中小型堆石混凝土坝的降温措施较为简 单 ， 在低温季节性浇筑即可解决问题 ， 虽然有些工程 一 1 5 2 0 1 6年第9期 ( 第 4 4卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y No 9 2 0 1 6 ( T o t a 1N o 4 4 ) 由于某些原因没有采取降温措施， 但是对于大体积 高坝， 尤其是在高温季节且连续施工的大坝工程， 不 采用温控措施难以保证工程质量 ， 因此 ， 为确保工程 质量 ， 采取一些必要的措施势在必行 。近年来 ， 关 于 堆石混凝土的研究 日益深化、 力度加大 ， 与之相关 的 措施也在 日新月异的变化 。在一些堆石混凝土坝的 实际工程中， 常态混凝土 中验证成功 的所有温控措 施被移至到此并收获了不错 的效果。 4 1 降低浇筑温度 常态混凝土坝的浇筑降温较快 ， 而堆石混凝 土 却与之恰恰相反。然而堆石混凝土难以通过常规加 冰的方式降温主要是因为受限于水灰比和可加冰 量。在高温季节浇筑混凝土会面 临一些麻烦 ， 比如 混凝土入仓温度回升快。因此， 为了能够给堆石混 凝土快速降温， 在不影响其化学性能的前提下， 采用 物理降温措施对降低浇筑温度就成为工程实际当中 可选择的方法。 4 2 仓面保温 在高温季节浇筑需要进行仓面保温。许多相关 企业经过多年 的工程经验加以总结 ， 发 明了保温被 投入使用。该保温被材料 为厚 聚乙烯 ， 在不持水 的 情况下， 该保温被等同于半米厚的混凝土。通常会 在碾压完毕后， 用保温被保温， 待辐射热的环境温度 低于混凝土温度时， 可使混凝土自主散热。 4 3 水管冷却 水管冷却方法的效果已经在常态混凝土实验中 获得了认证。但是 ， 在堆石混凝 土坝的实践 中却难 以实现。以为在铺设冷却水管的过程中， 冷水管常 常会 由于混凝 土的碾 压干扰而破损 ， 因此很少应用 在堆石混凝土工程 当中。近几年 出现了塑料冷却水 管 ， 并在工程实际中获得 了成功的运用 ， 使得水管冷 却在堆石混凝土坝的施工中应用成为可能。 4 4 采用微膨胀混凝土 除直接控制温度外 ， 还可 以利用外掺 Mg O添加 剂使混凝 土具有微膨胀性 ， 简化温度控制。在实 际 操作中， 对于重力坝通常会采用微膨胀混凝土， 因 一 1 6 一 此， 可以降低约束区、 浇筑区等受力区域的拉应力， 使得坝体受到应力破坏减弱， 从而有利于防裂， 但该 技术 目前尚未成熟。 4 5 材料抗裂性能的提高 作为混凝土防裂的重要环节， 如何提高材料的 抗裂性能是重中之重， 这个环节一般由两个指标控 制体现。通过对配合比的优化可以达到两个 目的， 一 方面降低体积收缩和水化热温升可 以通过控制水 泥用量得以实现， 而提高混凝土抗裂性能的关键就 在于提高混凝土的极限拉伸值。 4 6 斜层碾压 在实际的工程操作当中， 通长使用斜层碾压的 方法解决浇筑工程上的难题。因为为 了减少热量倒 灌 ， 斜层碾压缩短 了覆盖时间 ， 起到温控的作用。 5 结语 随着科技和针对堆石混凝土研究 的发展 ， 如何 在施工过程 中更好的控制温度的影 响将会被越来越 多的专家学者所关注。通过对新型材料的研发和新 型技术的实践应 用 ， 堆石混凝 土坝的施 工将会呈现 另外一种状态， 立足于常态混凝土的研究， 将堆石混 凝土坝的施工温控技术逐渐推广出去。 参考文献 ： 1 高继阳， 张国新 ， 杨波 堆石混凝土坝温度应力仿真分析 及温控措施研究 J 水利水电技术 ， 2 0 1 6( 0 1 ) ： 3 1 3 5 9 7 2 夏雨， 张仲卿， 李东阳， 等 混凝土坝施工仿真分析在水 工建设 中的发展 J 人民长江， 2 0 0 8 ( 1 1 ) ： 9 3 9 7 ， 1 2 3 3 张国新 碾压混凝土坝的温度应力与温度控制 J 中国 水利 ， 2 0 0 7 ( 2 1 ) ： 4 6 4 乔晨 ， 程井， 李同春 沙沱碾压混凝土坝施工期温度应力 仿真分 析 J 南 水 北 调 与 水利 科 技 ， 2 0 1 2( 0 2) ： 1 5 01 5 3 5 薛元琦， 张晓飞， 白继中碾压混凝土拱坝温度场和应力 场仿真 计 算 研究 J 人 民黄河 ， 2 0 1 4( O 1 ) ： 1 0 0 1 0 3， 1 0 6