寒冷地区混凝土重力坝温控措施研究.pdf

丁海 玲等 ： 寒冷地 区混凝土重力坝温控措施研究 9 寒冷地 区混凝 土重 力坝温控措施研 究 丁海玲 ， 闫雪 ， 孔骏 ( 河海大学力学与材料学院 。 南京2 1 0 0 9 8) 【 摘要】 东北地区某水库区拟修建混凝土重力坝， 该地区气候条件恶劣， 每年冬季有 5 个月左右不能浇筑 混凝土， 温度控制及防裂难度大。文中采用有限元软件 A B A Q U S 对该坝体施工期的温度场和应力场进行仿真分 析。通过对3种表面保温措施方案的对比， 得到了该工程的表面保护最优方案， 同时对该最优方案进行通水冷却 仿真计算研究。研究结果表明： 采取该保温及通水冷却措施对改善坝体温度分布， 降低温度应力， 防止坝体出现 裂缝具有重要意义。得到的结论对类似工程具有一定的参考价值。 【 关键词】 寒冷地区； 重力坝； 表面保温； 水管冷却； 仿真分析 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 1 2 0 O 0 90 4 在寒冷地区建设混凝土坝， 气候条件较差， 年中 极端最低气温和最高气温的变幅可能超过 5 0 C。经 验表明 ， 大 体 积混 凝 土 裂缝 多数 是 由温 度应 力 引起 的， 而保温是防止表面裂缝的最有效措施n 】 。在冬 季入冬前浇筑 的混凝 土 内外形 成 巨大 的温 差 ， 很容 易 产生裂缝， 且表层混凝土在冬季温度降得很低 ， 次年 气温回升后浇筑的新混凝土温度较高， 形成巨大的上 下层温差 ， 故应特别加 强混凝 土 的表 面保 护。文 中通 过有限元软件 A B A Q U S结合工程实际对东北地区某 混凝土重力坝施工期的温度场及应力场进行仿 真计 算， 通过模拟不同表面保护措施方案， 得到该工程最 优保温措施 ， 并结合通水冷却方案对坝体温度场及应 力场进行仿真分析， 给出该坝体施工期 的温控措施 建议 。 1 混凝土温度和徐变应力的计算原理 由于水泥水化热的作用， 混凝土坝在浇筑过程中 坝体 内部 温度随着时间不 断变化 ， 属 于典 型的具 有 内 部热源的热传导问题， I P t lz 稳定温度场问题。根据热 传导理 论， 特 定 区域 R 内的 三 维 非稳 定 温度 场 ( ， ， ， r ) 应满足以下控制方程( 1 ) 及初始边值条件 ( 2 ) ： =口 ( 等+ (9 y2 + (gzz ) + ( 1 ) = 口 I + + - _ 1十 - l J a下 、 a ， a Jr 初始条件和边界条件为： ， = r o ( ，y， ) r = 0 J = r = r 【 口 ( + + O T n ) 一 = 0 ； r = F ： ( 2 ) 在边界 r 。 上满 足第一类 边界 条件 ， 在 边界 r 上 满足第三类边界条件。 混凝土徐变变形不仅取决于其应力状态、 持荷时 间、 加载期龄， 尚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 C ( t ， r ) 外， 当温度第一次升温至某一值时， 还将产生 瞬态徐变 C ( T ， t ， r ) 。根据 虚功原理 ， 混凝 土结 构在 热、 力作用下单元的温度徐变应力矩阵方程为 】 ： 【 j ( 】 e A S ) c = P ： c +t P ) 。 + A P ： ) e + A P ： ) e + ) 。 ( 3 ) 式中 K 。 为单元刚度矩阵， 6 。 为单元节点 位移增量向量， P 为瞬态徐变等效荷载， t P ： 为 lrg 时段基本徐变增量等效荷载， P y为单元温差 变形增量等效荷载， t P ： ) e 为自身体积变形增量等效 荷载， A F 为 r , 时段单元节点力增量。 根据有限元 方法可以求得位移以及应力。 2 工程 实例 的基本 资料 表 1 坝址 多年各月气温特征 注 ： 文中根据表 1所给气温资料并参照朱伯芳院 士的 大体积混凝土温度应力与温度控制 n 采用余 弦函数模拟气 温变化公式 ： = 9 5 + 1 5 9 c 。 。 【 ( r 一 2 0 1 ) J ( 4 ) 式 中， 为气温， c I = ， 7 为时间， d 某水库混凝土重力坝位于我国东北地区， 是以供 水 、 防洪为主， 兼顾农业灌溉及改善环境的大型综合 1 0 低温建筑技术 2 0 1 4 年第 l 2 期( 总第 1 9 8 期) 利用水利枢纽工 程。混凝土重 力坝长 3 9 1 O m， 最 大坝 高 4 5 2 0 m， 坝顶 高程 为 1 3 6 4 0 m。坝 由左 、 右岸 两 部 分组成， 主要包括混凝土挡水坝段、 溢流坝段、 门库坝 段、 引水坝段、挡水副坝以及输水隧洞。根据施工进 度计划， 坝体混凝土从 8月开始浇筑 ， 在第三年 1 0月 底施工完毕。文中选取右岸某挡水单坝段作为研究 对象 ， 该坝段坝底高程为 8 9 m， 坝顶高程为 1 2 7 m， 坝高 3 8 m， 长3 4 m， 宽 1 6 m。采用 C 2 0常态混凝土， 混凝土的 导温系数为 2 8 I r I 2 h ， 导热系数 5 5 k J ( mh ) ， 比热 为 0 9 k J ( k g ) ， 线 膨 胀 系数 为 8 0 1 0 C， 泊松 比为 0 2 2 。表 1为坝 址 多年气 温特 征 表 。表 2为该混 凝土的弹性模 量等试 验值 。 表 2 C 2 0混凝土试验值 注 ： 文 中根据朱伯芳 院士提 出 的混凝 土允许 拉应 力公式计算混凝土坝允许拉应力 ： 尺 ，】= ， 式中， R 为混凝土抗拉强度； 为安全 系数 ， 取 1 7 。 3各工况下混凝 土坝温控敏 感性分析 3 1 计算模型 计算模型采用六面体八节点等参单元 ， 单元总数 1 0 1 7 6个 ， 节点总数 1 2 5 5 3个 ， 模型如 图 1 所示 。 图1 坝体网格模型图 3 2 计算工况 仿真 计 算 总 时 长 3 3 0 d ( 9月 2 日至来 年 6月 9 日) ， 混凝土施工进度及计算条件见表 3 。工况 1 ： 该方 案中不考虑保温， 不考虑水管冷却； 工况 2 ： 采取保温， 不考 虑水 管冷却 ， 保 温方 案为上 游 面采取 永久保 温 ， 保温材料为挤塑板， 厚 8 e m， 等效放热系数为 2 9 5 k J ( m d c 【 二 ) ， 越冬面及下游面采取越冬时保护， 保温 材料 为聚 乙烯保 温被 ， 厚 度 为 1 6 c m， 等效 放热系 数 为 2 0 2 k J ( m 。 d o C) ； 工况 3 ： 加强保温措施 ， 上游面 保 温材料 厚度 为 1 6 c m， 其 等效 放 热 系 数 为 1 4 9 k J ( m d c I = ) ， 下游及越冬 面保 温材料 厚度 为 3 2 c m， 其等效放热系数为 1 O 3 k J ( m d o C) ； 工况4： 考 虑水管冷却 ， 水管布设方式为梅花形， 间距为 1 5 m x 1 5 m， 一期冷却 1 5 d ， 冷却水温为 l 0其他条件同工 况 3 。 表 3 混凝土施工进度及计算条件 3 3 计算结果及分析 3 3 1 表面保温计算结果与分析 该重力坝浇筑至第五层 时进入越冬期， 停止施 工， 来年 4月中旬恢复施工。越冬面高程为 1 0 7 m。为 反映越冬期混凝土温度受气温的影响程度。文中给 出工况 1 3的顺水流方向中间剖面距越冬面不同距 离 的 3个典型节点 1 2月份的温度场计算结果 ， 节点 位置如表 4 。 表 4 距越冬面不同距离典型节点位置 图 2 、 图 3和 图 4给出了三个典 型节 点在 1 2月 份的温度历时曲线。由图 2可看出同一浇筑块不同高 程节点的温度变化趋势基本一致， 节点 3受气温影响 相对较小 ， 而表面节点 1 和距表面 l m处节 点 2受气温 的影响较明显 ， 温度较低， 尤其是节点 1 ， 最低温度皆 在零下 ， 从混凝土的抗裂、 抗冻能力考虑， 此方工况不 可行 ， 需对坝体表面采取保温措施。由图 3可看出采 取保温措施后有效改善了坝体内部的温度分布， 3个 节点温度均匀上升 3 5 ， 表面节 点 1 的温度一直介 于 0 4之间， 其温度虽在零上 ， 但由于气温数据是 由月平均气温拟合的日均气温， 不能反映气温实时变 化， 考虑气温的昼夜温差 、 极端气温及寒潮等因素， 混 丁海玲等 ： 寒冷地 区混凝土重力坝温控措施研究 凝土的表面温度还可能继续降低， 不能完全满足混凝 土的抗裂、 抗冻要求， 导致表面裂缝产生的可能性很 大 ， 故仍需加强表面保温能力。由图4可看出在增加 表面保护层厚度后， 表面节点 1的平均温度升高， 最低 值在 1 4以上， 坝体内部温度可稳定在 1 9左右， 坝 体温度分布更加均匀， 达到了预期 目标 ， 满足混凝土 的抗裂、 抗冻要求。 赠 赠 _ - _ 3 1 3 3 1 4 3 1 5 3 1 6 3 1 7 3 一 】 I ，_ -， _ ， - ，- 一 -。 时I 可 ， d 图2 工况i 典型节点1 2 月份温度历时 曲线 时间 d 图3 工况2 典型节点 1 2 月份温度历时曲线 时间， d 图4 工况3 典型节点 I - 2 月份温度历时曲线 3 3 2 通水冷却计算结果与分析 图 5为混凝 土坝 3个典型节点在最优保温条件下 的温度历时曲线， 图 6和图7分别为最优保温措施及 通水冷却措施下的温度历时曲线和应力历时曲线， 典 型节点位置见表 5 。 表 5 高程9 3 5 m不同节点位置 由图5可看出只采取表面保温措施坝体温度明显 升高， 节点5最高温度为 3 3 4 C， 明显超过温差允许 范围， 不利于温度及温度应力的控制， 需通冷却水管 冷却。由图 6可看 出采取通水冷却后坝体3个典型节 点温度峰值明显减小 ， 尤其节点 5 ， 温度降低 5 左右， 后期温度缓慢下降， 基本稳定在 l 6 2 2 3 2 ， 满 足本工程的温度控制标准。由图 5 6可看出， 节点 6 在 2 3 5 d 左右温度开始升高 ， 直至接近外界气温， 这是 由于外界气温高于混凝土温度， 导致气温倒灌。 时间，d 图5 最优表面保温无通水冷却3 个典型节点温度历时曲线 世 赠 时间， d 图6 最优表面保温及通水冷却3 个典型节点温度历时曲线 山 蓦 一 宴 翅 6 4 2 0 2 4 6 - 8 一 节点4 一 节点5 节点6 1 ，二 二 ： 。 ) 沥 - 菇l 2 0 l 5 o l 8 0 2 1 o 2 4 0 2 7 0 勘 3 r! t 图7 最优表面保温及通水冷却3 , t - 型节点应力历 时曲线 从 图 7看 出坝体同一高程不 同位置各节点应 力变 化趋势皆为先压后拉 ， 浇筑初期应力变化剧烈， 后期 逐渐稳定。各节 点压应 力皆在 浇筑后第 5 d达到峰值 ， 其中中间节点 5峰值最大， 为 一0 6 8 M P a 。节点 6靠 近下游面， 受气温影响较大， 表面散热快， 浇筑初期抑 制了混凝土高温的产生， 故压应力峰值较小。靠近下 游面的节点 6 应力曲线在 2 4 0 d 左右出现拐点， 主要是 由于此时外部气温高于混凝土气温 ， 故发生气温倒 灌， 混凝土温度随之升高， 产生压应力， 从而抵消了部 分拉应力 ， 曲线呈下降趋势。节点 5在第 2 5 d 左右的 拉应力最大， 其峰值为 0 3 1 MP a ， 小于该龄期混凝土允 许拉应力； 后期在 2 5 0 d左右出现最大拉应力， 其值为 0 4 3 M P a ， 小于混凝土允许拉应力， 故满足防裂要求。 、 赠 、 醚赠 1 2 低温建筑技术 2 0 1 4 年第 l 2 期( 总第 1 9 8 期) 高温差下混凝土板温度翘 曲试 验研究 李永毅 ， 李强 ， 吴士斌 ， 米建军 ， 李忠友 ( 1 中国人民解 放军 9 3 0 5 5部队 。 沈阳1 1 0 0 2 1； 2 沈阳军区空军后勤部 。 沈阳1 1 0 0 2 1 ) 【 摘要】 翘曲应力是引起道面板断裂破坏的一个重要原因， 分别对不同尺寸和不同纤维材料的水泥混凝 土路面板进行了温度翘曲应力试验研究， 得到了尺寸效应及纤维材料对路面板温度翘曲应力的影响规律， 为混凝 土道面板的工程设计提供参考依据。 【 关键词】 高温差； 水泥混凝土； 道面； 翘曲应力 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 4 ) 1 2 0 0 1 2 一 O 3 由于环境变化等因素的影响， 当水泥混凝土道面 板的温度沿板厚不均匀分布时， 混凝土的热胀冷缩将 会 在板 内产生温度翘 曲变形 。翘 曲变形 在受 到 自重 、 地基反力等约束时， 便会产生翘曲应力， 特别是温 度梯度较大时， 翘 曲应力可能接近甚至超过荷载应 力。水泥混凝 土道 面板 在道 路 及机 场跑 道 中应 用广 泛， 温度引起的翘曲应力和荷载应力的共同作用往往 是其断裂破坏 的一个 主要原 因 ， 因而深入 开展 温度翘 曲应力 的相关研究具有重要的工程意义 。 目前水泥 混凝 土道 面板 温 度翘 曲应 力 的研 究有 解析法 j 、 数值法 和试验法 三种方法。其中 试验法的假设和简化条件少 ， 能够更为真实的反应混 凝 土道 面板 温度翘 曲应 力 的实际情 况 ， 然而 当前针 对 软纤维水 泥混凝 土板 等新 式 道 面板 的试 验研 究还 相 对较 少。文 中通 过对 不 同尺 寸 的软纤 维 水泥 混凝 土 板、 改性聚酯纤维水泥混凝土板和钢纤维 +改性聚酯 纤维 水泥混凝土板 的温度 翘 曲应力 试验研 究 ， 分 析得 到相应路面板温度 翘 曲应 力的变化 规律 ， 提 出了减 小 4结 语 ( 1 ) 文中寒冷地 区混凝 土重力 坝在 自然 浇筑条 件下不通冷却水管冷却无法满足温度控制及防裂标 准的要求， 而采取适当的保温措施与通水冷却相结合 的方法能够很好的满足温度控制及防裂标准 的要求。 通过论证分析说明文中拟定的温控措施较为合理。 ( 2 ) 文中使用的方法计算周期短、 结果精确， 可 为寒冷地 区其他类似工程提供参考。为进一步优化 混凝土重力坝温控措施， 该工程冷却水管参数优化问 题 ， 浇筑温度、 浇筑层厚等问题有待深入讨论。 参考 文献 1 朱伯芳 大体积混凝土温度应力与温度控制 M 第二版 温度翘 曲应力 的方 法 ， 为混凝 土道面板 的工程 设计 提 供参考依据。 1 实验材料及仪器 试 验道面板 采用 三 种不 同纤维 掺量 的 水 泥混 凝 土板 ， 即软纤 维水 泥混 凝 土板 ( 改 性聚 酯纤 维 +聚丙 烯腈纤 维) 、 改性聚酯 纤维水泥混凝 土板 、 钢纤 维 +改 性聚酯纤维水泥混凝土板。试验道面板尺寸规格分 为两种 ， 分别 为小板 3 7 5 X 4 0 m和大板 3 7 5 8 0 m， 厚度 为 3 2 0 m m， 抗 折 强 度 为 5 0 MP a ， 抗 冻 等 级 为 F 3 0 0 ， 抗渗等级超 过 P 1 2 。试验地点 位 于甘肃 酒 泉地 区， 该地区 8月份和9月份 日平均温差分别为 1 5 0 C 和 1 5 4 。 试验用应变片 的型号为 S z 1 2 0I O O A A， 电阻值 为 1 2 0 0 2 n， 灵敏系数 2 0 1 80 1 ， 栅长 X栅宽 = 3 X 1 0 0 ， 工 作 温 度 为 一3 0一 +6 0 。应 变仪 采用 Y E 2 5 3 8型静态应变测量处理仪 ， 具有测量热电势 自动 补偿 的动 能 ， 具 有 单片桥 路补偿 及 自动调 零功 能 ， 预 热时间短 ， 测量精度高 ， 稳定性能好。 北京： 中国水利水电出版社， 2 0 1 2 ： 3 8 5 6 2 2 凌骐 ， 黄淑萍 严寒地 区混 凝土坝表 面保 护材料 的敏感性 研 究 J 水 电能源科学 ， 2 0 0 9， 2 7 ( 4 ) ：1 1 71 2 0 3 邵战涛 ， 朱岳 明， 等 高寒 地区混凝 土重力 坝温 控 防裂 研究 J 三峡大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 1 ) ： 6 8 4 朱伯芳 考虑水管冷却效果的混凝土等效热传导方程 J 水利学报 ， 1 9 9 1 ， ( 1 2) ： 4 3 4 9 5 黄淑萍， 等锦屏一级水电站大坝混凝土浇筑4 5 m层厚关键 技术研究 R 河海大学 ， 2 0 1 1 ， 8 ： 1 21 7 收稿日期 2 0 1 4 0 8 - 0 8 作者简介 丁海玲 ( 1 9 9 0一)， 女 ， 江苏连 云港 人， 硕 士研 究 生 ， 研究方 向： 计算力学与工程传真。