堆石坝面板混凝土施工期温度和应力全坝段仿真分析.pdf

第 3 3卷第 3期 2 0 1 2年 6月 华北水利水电学院学报 J o urna l o f No ah Chi n a I ns t i t ut e o f W a t e r Co ns e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c Po we r Vo l _ 33 No 3 J u n2 01 2 文章编 号 ： 1 0 0 2 5 6 3 4 ( 2 0 1 2 ) 0 30 0 0 9 0 4 堆石坝面板混凝土施 工期温度和应 力全坝段 仿真分析 陈守开 ，马大仲 ，郭利 霞 ，郭 磊 ( 1 华北水利水 电学院 ， 河南 郑州 4 5 0 0 1 l ； 2 河南华北 水电工程监理有限公司， 河南 郑州 4 5 0 0 1 1 ) 摘要 ： 针对堆石坝面板混凝土易开裂 问题及 其结构特点 ， 开展 了面板 混凝土施 工期温度 和应 力变化规律 的 仿真研究 依托某混凝土面板堆石坝工程 ， 建立了三维仿真计算 网格 ； 采用 三维不稳 定温度场和应 力场的有 限 元仿真计算程序 ， 对堆石坝面板全坝段施工过程 的温度 和应 力进 行了动态仿真计算和分析 结果表 明， 堆石 坝 面板施工期 内部拉应力较 大 ， 且最大拉应力 出现在最 大温降龄期 ； 此外 ， 面板短 间歇面施工 期拉应力较小 ， 长 间歇面在上层混凝土浇筑后拉应力 较大 关键词 ： 混 凝土面板 ； 面板堆石坝 ； 温度 ； 应力 面板堆石坝的钢筋混凝土面板作为防渗主体结 构 ， 其抗 裂 能力尤 为 重 要 虽 然 面板 厚 度 较 薄 ， 但 由于其 采用 了 高标 号 混 凝 土 ( 水 泥 含 量 高 ， 水 化 放 热速率快 ) ， 施工速度 快且沿高程方 向不设缝， 受坝 体( 主要为垫层和过渡层) 约束作用强 ， 使得温 度应力成为影响面板混凝 土抗裂能力 的关键 因素 近几 年对 堆 石坝 面 板 裂缝 问题 的研 究 表 明 ， 面 板 裂 缝尤 其是 贯 穿性 裂缝 主要 是 温度 应 力 引起 的 这些 研究 过 程 的 仿 真 分 析 通 常 采 用 二 维 有 限元 模 型 ， 忽略了沿面板宽度方向的传热及约束 ， 计算结果 存在偏差 为此 ， 笔者依托某混凝土面板堆石坝工程 进行三维全坝段模 拟和仿真计算 ， 分析混凝土面板 在施 工期 温 度和应 力 的变化 规 律 1 仿真计算理论和方法 1 1 不 稳定 温度 场基 本理 论和 有 限元方 法 在 计 算 域 R 内 任 何 一 点 处 ， 不 稳 定 温 度 场 T ( ， Y ， ， t ) 须满足热传导方程 箬 = ( 等+ 雾+ ) + 0 0a I + + l 十 l l ， a 、 a a a a 式 中 ： 为 温度 ， o C； a为导 温 系数 ， i n h ； 为 混凝 土绝 热温 升 ， ； t 为 时间 ， d ； r 为龄 期 ， d 利用变分原理， 对式( 1 ) 采用 空间域离散 、 时间 域 差分 ， 引 入初始 条件 和边 界条 件后 ， 可得 向后 差分 的温度 场有 限元计 算 递推方 程 ( H+ 足 ) 一 T o + F n l = 0( 2 ) 式 中： 日 为热传导矩阵 ； R为热传导补充矩阵 ； T为 结点温度列阵 ； F + 为结点温度荷载列 阵； n为时段 序 数 ； A t 为 时间步 长 根 据递 推公 式 ( 2 ) ， 若 已 知 上 一 时 刻 的 结 点 计 算 温度 ， 可 推 出下一 时刻 的结点 温度 1 2应 力场 基本 理论 和有 限元方 法 混凝 土 在复杂 应力 状态 下 的应变 增量包 括 多个 方 面 ， 即 =8 E + ： +A ： +s ： +8 ： ( 3 ) 式中： 为总应变增量； g ：为弹性应变增量； ： 为徐变应变增量； 为温度应变增量； ： 为干缩应变增量； s ： 为自生体积应变增量 由物 理方 程 、 几 何 方程 和 平 衡方 程 可得 任 一 时 段 在区域 上的有限元支配方程 艿 =P +P +P +P +P ? ( 4) 式 中： 艿 为区域 兄 内所有节点 3个方向上的位移 收 稿 日期 ： 2 01 20 31 4 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 7 7 9 0 1 0 ； 5 1 1 0 9 0 8 1 ) 作者简介 ： 陈守 开( 1 9 8 0 一 ) ， 男 ， 浙江温州人 ， 讲师 ， 博士 ， 主要从事水工结构工程混凝土温控 防裂方面 的研究 1 0 华北水利水 电学院学报 2 0 1 2年 6月 增量； 为整体刚度矩阵； AP ， P ， P ， P ， P ? 分别为 时段内由外荷载、 徐变、 变温、 干缩、 自生体 积变形 引起 的等效结 点力 增量 2 工程应用 2 1 工程概 况 某 水 利 枢 纽 工 程 大 坝 为 钢 筋 混 凝 土 面板 堆 石 坝 ， 坝址位于岩溶地区 ， 坐落 于水软性岩层上 大坝 坝顶高程 1 3 3 5 0 n l ， 最大坝高 1 6 2 7 n 1 坝顶长约 3 6 3 0 m， 坝 顶宽 1 0 6 n 1 上 游坝坡 1 ： 1 4 0 4 ， 下游 坝 坡 1 ： 1 2 5 0 上游面用 C 3 0钢筋混凝土面板 防渗 ， 厚 度 t = 0 3+ 0 0 0 3 5 H， H为计 算 截 面 至 面板 顶 部 高 度 ， IT I 趾板 置弱 风化 岩体 上 ， 厚 1 m， 宽 6 1 1 1 ， 在趾 板 顶 、 外侧迎水面高程 1 2 5 9 0 1 1 1 以下范 围涂刷水泥 基结晶型防水材料 堆石坝体分区如下 ： 面板上游为 铺盖区和盖重区， 面板后为垫层 区、 过渡 区、 主堆石 区、 主堆石排水区、 下游堆石区、 下游护坡等 ， 垫层水 平 宽 3 0 n l ， 过渡 区水 平 宽 5 0 m 混凝 土 施 工 配合 比见表 1 ， 表 中混凝 土标 号 C 3 0 W1 2 F 1 0 0 ， 二级 配 表 1 1 i n 混凝土配合 比 注 ： P 0 4 2 5水泥 ； I I 级粉煤灰 ； 改性聚丙烯晴纤维 2 2计 算模型 为 了更准 确地 模拟 面板混 凝 土施工 期温 度和 应 力 的变化 规律 ， 对 面板堆 石 坝进行 全坝 段模拟 网格 剖分时加密面板混凝土以及对其影响较大的垫层和 过渡 层 由于 面板很 薄 ， 堆石体 对施 工期 面板 混凝 土 温度和应力的影响很小 ， 因此 ， 简化大坝堆石体的网 格划分 ， 以减小工作量 此外 ， 大坝上游盖重 区在 I 期面板混凝土浇筑后经过较长时间后 才施工 ， 其对 后 期 面板混 凝土 仅 有 自重 和隔 热 两个 方 面 的影 响 因此 ， 可简化上游盖重 区的网格划分 基于这一思想 进行网格划分 ， 大坝全坝段模拟三维计算 网格 如图 1所示 ， 网 格 节 点 总 数 1 2 6 4 9个 ， 单 元 个 数 1 l 7 3 2 个 坝体 采用 4种 材 料 ， 用 于 上游 盖 重 区 、 面 板 混凝 土 、 垫层 、 过渡 层 和堆石 区 图 1 面板堆石坝 三维整 体仿真计算 网格 2 3 计算条件 混凝 土面板 分 两期浇 筑 I 期 面板 为 1 2 4 4 0 m 高程以下 部分 ， 施工 时 间为 2 0 1 2年 1 1月 1日一 2 0 1 3年 1月 3 0日； 1 1 期 面板 为 1 2 4 4 0 m高 程至 坝 顶部 分 ， 施 工 时间为 2 0 1 3年 1 2月 1 5日一2 0 1 4年 3 月 1 5日 当地气温年变化为 ( )=1 4 5+ 8 4 c o s 竹( 一 7 1 2 ) 6 】 ， 式中 t 为月份 混凝土热力学参数见表 2和表 3 表 2混凝土热力学参数 绝热温升 弹性模量 G P a 自生体积变形 ( 1 0 ) 6 0 ( 1e 。 ) 最终抗 拉强度 MP a 3 6 4 8(1一e 一 。 。 ， ) 2 4 计 算 结果分 析 限于篇幅 ， 这里仅 以河床坝段 I期面板混凝土 为分析对象 ， 对典型高程表面点和内部点的施工期 温度和第 1主应力( 用 o r 表示) 的变化情况进行研 究 应力分析中， 应力以拉为正 ， 以压为负 2 4 1 温度结 果 分析 高程为 1 1 8 4 0 ， 1 2 0 0 3 ， 1 2 4 4 0 1 T I 的截 面表 面点和 内部点温度历时曲线分别如图 2 4所示 f + 表面点；+ 内部点 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 20 龄期 d 图 2河床坝段 高程 1 1 8 4 0 n l 特征点温度历时 曲线 1 2 华北水利水电学院学报 2 0 1 2年 6月 约1 3 2( 图 2 ) ， 这种温降收缩受底部垫层约束产 生 了 1 8 9 MP a的 拉 应 力 ， 超 过 了 允 许 抗 拉 强 度 1 5 2 M P a ， 抗裂安全度仅 1 3 2 ( 图 5 ) ， 产生温度裂 缝 的可能性 较大 高程 1 2 0 0 3 m短 间歇 截面 在上 层 混凝 土 浇筑 前 ， 属于面板边界面 因此该截面上的两个特征点均 属于表面点 ， 受约束相对较小 ， 在内外温差和 自身约 束下早期产生一定 的拉应力 如该截面 中间点 ( 上 层 混 凝 土 浇 筑 后 为 内 部 点 ) 最 危 险 时 刻 在 龄 期 0 5 d ， 产 生 拉 应 力 0 3 4 MP a ， 接 近 即 时 抗 拉 强 度 0 3 7 MP a ( 图 6 ) 当面板混凝土浇筑至高程 1 2 4 4 0 m时 ， 进入 长 间歇 时 间 ， 此 时 的面 板 已经 较 长 ， 约有 1 2 0 m， 面 板受底部约束增大 ， 因此温降产生的拉应力也增加 如该 截 面 中间 点 ( 上 层 混 凝 土 浇 筑 后 为 内 部 点 ) 在 浇筑 后约 3 0 d ( 龄期 9 0 d ) 达 到拉 应力 1 0 2 MP a 经 过 长 间歇 后 ( 第二 年秋 冬季 节 ) ， 上 层 混 凝 土浇 筑 使 面板有效长度继续增加 ， 温度随气温继续降低 ， 而且 此时混凝土 已经基本成熟 ， 因此拉应力增大较快 如 内 部 点 拉 应 力 在 龄 期 4 5 0 d左 右 达 到 最 大 ， 为 1 5 2 MP a ， 接 近允 许抗 拉强度 1 5 2 MP a ( 图 7 ) 3 结 语 根据 堆石 坝面板 混凝 土厚 度薄 ， 长度 大 ， 且 随着 坝高面板厚度逐渐减小等特点， 结 合面板混凝土施 工期温度和应力三维仿真计算结果 ， 可以得 出如下 结 论 1 ) 温 升 时期 ， 由于 散 热作 用 ， 产 生 内外 温差 ， 且 沿 坝高 逐渐 减小 温 差 约 在 内部 混 凝 土 温度 达 到 峰 值时达到最大值 ， 最大温差出现的时间很早 ， I期面 板 出现 在混凝 土 浇 筑 约 1 4 d后 ， 期 面板 出 现在 混 凝土 浇筑 约 1 0 d后 2 ) 降温阶段 ， 面板 内外混凝土温度快速降低并 接近气 温 ， 内部 产 生拉 应 力 ， 表 面 产 生压 应 力 结 果 显示 ， 面板混凝土最大拉应力会出现在浇筑后的第 1个温度低点， 即到达温度峰值后的最大降温时间， 且 内部 大于表 面 3 ) 面板 间歇面 在 间歇 期 间拉 应 力 较 小 ， 能 够 满 足抗裂 要求 短 间歇 面 在上 层 混 凝 土 浇 筑 后 的应 力 变化较 小 ， 长间歇 面 在 上 层混 凝 土 浇 筑 后 拉 应力 有 较大增长 ， 对防裂不利 参 考 文 献 1 卢照辉 ， 张志强 北方地 区堆石坝 面板补偿 混凝土施 工 技术实践 J 华北水利水 电学院学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 4 ) ： 2 0 2 2 2 三岛庆三 铁筋 j、夕 I J 一 卜表面 遮水 壁型 厶I ： 、 J 电力土木 ， 1 9 8 2 ( 1 7 8 ) ： 6 97 7 3 张国新 ， 张 丙印 ， 王 光纶 混 凝土面 板堆 石 坝温度 应 力 研究 J 水 利水 电技术 ， 2 0 0 1 ， 3 2 ( 7 ) ： 1 5 4 麦家煊 ， 孙立 勋 西 北 口堆 石 坝 面板裂 缝 成 因 的研 究 J 水利水 电技术 ， 1 9 9 9 ， 3 0 ( 5 ) ： 3 23 4 5 王瑞骏 ， 王党在 ， 陈尧隆 混 凝土 面板 堆石 坝施 工期 面 板温度应力仿真 分析 J 西 北农 林科 技大 学学 报 ： 自 然科学版 ， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 1 0 ) ： 1 2 31 2 6 6 于淼 ， 王瑞骏 公伯峡 面板 堆石坝施 工期 面板温度应 力 研 究 J 水利水 电技术 ， 2 0 0 4 ， 3 5 ( 8 ) ： 5 4 5 8 7 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 Nume r i c a l An al ys i s o f Te mpe r a t ur e a nd S t r e s s on Con c r e t e Sl a b o f CFRD d ur i ng W ho l e Da m Co ns t r u c t i o n CHEN S h o u k a i ，MA Da z h o n g ，GUO L i x i a ，GUO L e i ( 1 N o a h C h i n a I n s t i t u t 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 e l e c t ri c P o w e r ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 ，C h i n a ； 2 He n a n N o r t h C h i n a Hy d r o p o we r P r o j e c t S u p e r v i s i o n Co L t d ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：I n v i e w o f t h e c r a c k p r o b l e m o f c o n c r e t e s l a b o f t h e c o n c r e t e f a c e r o c k f i l l d a m ( CF RD)a n d i t s s t r u c t u r e f e a t u r e s 。n u me r i c a l a n a l y s i s o f t h e v a r i a t i o n l a w o f t e m p e r a t u r e a n d s t r e s s i n c o n c r e t e s l a b w a s c a r r i e d o u t B a s e d o n a C F R D p r o j e c t ，t h r o u g h b u i l d i n g t hr e e - d i me n s i o n a l c o mp u t a t i o na l g r i ds，t h e t e mp e r a t ur e a n d s t r e s s fie l d i n s l a b o f t h e CFRD d u r i n g t he wh o l e da m c o n s t r uc t i o n p r o c e s s we r e nu me ric a l l y s i mul a t e d a n d a na l y z e d b y a t hr e e - d i me n s i o n a l fin i t e e l e me nt s i mu l a t i o n p r o g r a mTh e r e s ul t s s ho w t h a t t h e l a r g e t e n s i l e s t r e s s O c c u r s i n t h e i nt e rio r o f s l a b，a n d t h e ma x i mu m i s a p pe a r e d wh e n t h e ma x i mu m t e mpe r a t u r e d r o p ha pp e n s I n a dd i t i o n，t he t e n s i l e s t r e s s o f s l a b s h o rt i n t e r mi t t e n t s ur f a c e i s s ma l l ，a n d t he l o n g i n t e r mi t t e n t s u r f ac e i s l a r g e a f t e r t he u pp e r c o n c r e t e i s po ur e d Ke y wo r ds：c o n c r e t e s l a b；CFRD；t e mp e r a t u r e；s t r e s s ( 责任编 辑 ： 陈海涛 )