混凝土坝全过程多场耦合仿真分析.pdf

水利水 电技术第 4 6卷2 0 1 5年第 6期 混凝土坝全过程 多场耦合仿真分析 张 国新 ，沙 莎 ( 中国水利水 电科学研究院 流域水循环模拟与调控 国家重点实验室，北京 1 0 0 0 3 8 ) 摘要：高坝的工作性 态与施 工及运行过 程 密切相 关 ，受到 自基础 开挖 、大坝浇筑、蓄水运行过 程 中的温度场、渗 流场 、应力场的不断变化 和耦 合作 用影响 。本 文介 绍 了混凝土 坝三场耦 合作 用 全过程仿真分析方法，可 以模拟基础开挖、大坝浇筑 、混凝土水化发 热、混凝 土硬化 、温度控制、 接缝 灌浆 、分期蓄水、环境温度变化等 8个过程 ，开发 了温度、渗流、应 力三场耦 合全过程仿真 分析软件 S A P T I S 。针对小湾、溪洛渡、锦屏等特 高坝进行的研 究分析表 明 ，采 用全过程 多场耦合 分析方法 ，可以很好 地吻合 大坝温度 变化、变形过程弄 口 应力状 态，解释 温度 回升 、横 缝开合、库 盘 下沉等现 象和 大坝的变形时空特性 ，预 测大坝倒悬超标 、局部 开裂等风险 ，为大坝 的高质 量建 设和安全运行提供技 术支持 。 关键词 ：混凝土坝 ；全过程 ；多场耦合 ；仿真 中图分 类号 ：T V 3 1 文献标识码 ：A 文章编 号 ：1 0 0 0 0 8 6 o ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 0 8 7 - 0 8 The m ul ti- fie l d c o upl i n g s i mul a t i o n a na l y s i s o f c o nc r e t e d a m s d ur i ng t he who l e p r o c e s s ZHANG Gu o x i n，S HA S h a ( S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f S i mu l a t i o n a n d R e g u l a t i o n o f Wa t e r C y c l e i n R i v e r B a s i n ，C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r R e s e a r c h ，B e i j i n g 1 0 0 0 3 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e w o r k i n g p e rf o r ma n c e o f h i g h d a m i s c l o s e l y r e l a t e d t o t h e c o n s t r u c t i o n a n d o p e r a t i o n p r o c e s s I t i s a ff e c t e d b y t h e c h a n g e s a n d t h e c o u p l i n g o f t h e t e mp e r a t u r e，s e e p a g e a n d s t r e s s f i e l d f r o m t h e f o u n d a t i o n e x c a v a t i o n，c o n c r e t e p l a c e me n t t o t h e o p e r a t i o n I n t h i s s t u d y，t h e me tho d o f mu l t i fi e l d c o u p l i n g s i mu l a t i o n a n aly s i s o f c o n c r e t e d a ms i s i n t r o d u c e d B y t h i s me t h o d， e i g h t p r o c e s s e s c a n b e s i mu l a t e d i n c l u d i n g f o u n d a t i o n e x c a v a t i o n ，c o n c r e t e p l a c e me n t ，h y d r a t i o n h e a t i n g a n d h a r d e n i n g of c o n c r e t e ， t e mp e r a t u r e c o n t r o l l i n g ， j o i n t g r o u t i n g ，w a t e r i m p o u n d i n g b y s t a g e s a n d e n v i r o n m e n t c h a n g i n g A n d t h e s o f t w a r e n a me d S AP T I S f o r t h e c o u p l i n g s i mu l a t i o n a n a l y s i s o f t h e t e mp e r a t u r e ，s e e p a g e a n d s t r e s s fi e l d i s d e v e l o p e d T h e s i mu l a t i o n o f Xi a o w a n，Xi l u o d u， a n d J i n p i n g a r c h d a ms s h o w t h a t u s i n g t h i s me t h o d， t h e r e s u h s c a n c o i n c i d e we l l wi t h t h e t e mp e r a t u r e c h a n g e s ，t h e d e f o r ma t i o n p r o c e s s，t he s t r e s s s t a t e a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f d e f o r ma t i o n d i s t ribu t i o n i n t i me a n d s pa c e，e x p l a i n t he s e p h e no me n a ： t e m p e r a t u r e ri s i n g a f t e r gr o u t i n g ， t h e o p e n i n g a n d c l o s i n g of t r ans v e r s e j o i n t s ， a n d t h e s i n k i n g of r e s e r v o i r b a s i n ， f o r e c a s t t h e ri s k s o f o v e r h a n g e x c e e d i n g t h e s t a n d a r d a n d l o c a l c r a c k i n g o f t h e d a m a n d p r o v i d e t e c h n o l o g y s u p p o r t for the c o n s t ruc t i o n o f h i g h q u a l i t y a n d t h e s a f e o p e r a t i o n Ke y wo r d s ：c o n c r e t e d a ms ；t h e w h o l e p r o c e s s ；mu h i fi l e d c o u p l i n g ；s i mu l a t i o n 1 概述 2 0世纪末二滩水电站的建成标志着我国水利水 电建设进入巨型工程时代，其后又相继建成了三峡、 龙滩 、小湾 、锦屏、溪洛渡、糯扎渡 、拉西瓦 、向家 坝等一系列大型水电工程 。工程的投产运行带来了巨 Wa te rRe s o u r c e s a n dHy d r o p o we rEn g i n e ai n g V o 1 46No 6 收稿 日期 基金项 目 作者简介 2 01 5 0 4 1 6 国家“ 9 7 3 ” 计 划课题 ( 2 0 1 3 C B 0 3 6 4 0 6，2 0 1 3 C B 0 3 5 9 0 4) ；混 凝土重力坝全寿命 周期性 能演变机理与控制 ( 5 1 4 3 9 0 0 5 ) 。 张 国新 ( 1 9 6 o 一)，男 ，教授级 高级工程 师 ，博 士生导 师， 结构材料研究所所长。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张国新， 等混凝土坝全过程多场耦合仿真分析 大的经济效益和社会效益 ，对我国经济的高速发展发 挥了巨大作用。 巨型水 电工程往往伴随着高坝 ，如锦屏坝高 3 0 5 m，是 目前拱坝坝高的世界之最 ；糯扎 渡坝高 2 1 6 5 m，是世界上最高 、坝体体积最大的心墙堆石坝 ；三 峡水电站则是世界上规模最大的水电工程。这些大坝 的建成 ，标志着我国掌握了特高坝和复杂条件下大规 模筑坝技术 ，在大坝建设领域的技术水平位于世界领 先水平。 然而应该意识 到，高坝大库带来 巨大经济效益 的同时 ，也存在潜在 的风险 ，一旦 因为安全事故影 响安全运行即会 带来 巨大 的经济损失 ，梯级水库群 个别坝的短板效应 ，甚至可能带来溃坝风 险。因此 对于高坝大库及梯 级水库 ，更应重视每个水库大坝 的安全 ，将风险控制在最小 J 。 目前 高坝及特高坝 的设计和建设 理论 、方法及安全控制标准仍然沿用 了普通高坝的理论方法及标 准 ，对于 中低坝及普通 高坝用安全系数能够涵盖 的一些风 险因素 ，在特高 坝 中难以涵盖 ，可能会成为控制局部甚至整体安全 的风险因素 。 传统的大坝设计 理论 以刚体极 限平衡法 、材料 力学 、结构力学等方法为基础 ，这些方法仍然是 目 前大坝设计 的基本方法。采用这些方法设计 的大坝 能够满足整体安全要求 ，一些局部 的风险往往难 以 用这些方法发现 ，国际国内的一些大坝事故证实 了 这一观点 J 。有 限元方法在大坝设计 、分析与安全 评价 中广泛应用 ，该方法除可 以分析大坝 的整体安 全外 ，能够更精确地分析坝体 的局部受力 ，从而不 仅从整体，也从局部分析坝体的工作性态和安全， 但 目前有限元仍作为传统方 法的补充 ，计算结果也 仅作为参考 j 。 大坝的工作性态及安全状 态一般指某个 时间点 的状态 ，设计阶段往往 以运行期 的可能荷载组合计 算分析各种组合下 的不利状 态作为设计依 据 ，而不 考虑多种荷载组合 的形成过程。应用实践 和研究分 析表 明，大坝的状态往往 与过程有关 ，且局部最不 利 的状态往往发生在过程之中而不是最终 ，如混凝 土坝 的温度场 、温度应力最不利 时刻往往发生在大 坝施工过程 中并带来温度裂缝 J 。因此正 确地把握 大坝的真实工作性态 ，需要对大坝 自基础 开挖 开始 到建设完工 、蓄水 运行进行 全过程仿真模 拟。同时 大坝施工、初次蓄水及运行过程 中大坝 的变形 与温 度 、水 的作用相互耦合 ，互相影 响，因此在仿真模 拟过程 中要考虑热一水一力三者 的耦合作 用 ，即进 行全过程多场耦合仿真模拟。 带有初步仿真定义的混凝土结构温度场分析始 自 2 0世 纪 6 0年代 后 期，美 国加 利福 尼 亚 大学 的 E L Wi l s o n提出了分块分层模拟混凝土浇筑过程中温度 变化的二维温度仿真程序 D O TD I C E，并用于德 沃 夏克坝 的温度场计 算_ 5 J 。我 国第一个模拟分层 浇筑 计算温度场的仿真程序是 2 0世纪 7 0年代朱伯芳院士 编制的二维程序 ，曾用于某水 电站孔 口附近温度过程 的计算模拟 6 J 。 目前 ，混凝土坝 温度场、温度应 力 仿真分析已经成为模拟混凝土施工期温度和应力变化 过程 ，指导温度控制的常规手段。近些年建成 的混凝 土坝几乎都用该手段进行过模拟分析 ，既指导了工程 建设 ，也取得了丰硕成果。近几年又从单纯的仿真分 析发展到与信息化相结合 的数字监控 ，及进 一步 与 自动控制相结合的智能控制 J 。 受软硬件条件 的限制 ，以往 的仿真分析 多以大 坝局部为 对 象 ，考虑 施 工过 程 模 拟温 度 场、应 力 场。笔者带领 的团队针对 全坝全过程多场耦合 仿真 分析开展研究 ，解 决高坝理论及技术难题 ，开发 出 相应 的软件系统 ，并成功应用于小湾 、锦屏 、溪洛 渡 、拉西瓦 、向家坝等混凝 土坝的全过程跟踪 仿真 分析及三峡 、二滩等工程工作性态 的仿真模拟 。所 谓全坝 ，即包括基础和大坝 的整个大坝体系 ，以及 影响结构受力 的多种局部构造及纵横缝 ；全过程则 是 自坝体开挖 、混凝土浇筑到大坝蓄水运行的全过 程。全过程包含如下 子过程 ：( 1 ) 基 础开挖及 处理 过程 ；( 2 ) 大坝浇筑 ( 填筑 ) 过程 ；( 3) 混凝土 的水 化发热过 程 ；( 4 ) 混凝 土 的硬化 过程 ；( 5 ) 温 度控 制过程；( 6 ) 接缝灌浆过程 ；( 7 ) 蓄水过程；( 8 ) 贯 穿如上所有过程 的气象水文变化过程 。将如上 8个 过程分类 归纳 为三类过 程 ：( 1 ) 施工过 程 ；( 2 ) 材 料性质随时间变化过程 ；( 3 ) 蓄水运行过程。 本文介绍模拟如上过程所 采用 的数学模型和方 法 ，并结合工程应用实例介绍笔者团队开发的多场耦 合仿真分析系统s A P r I 1I s 。 2 热一水一力三场耦合模拟 混凝土坝 自基础开挖 、混凝 土浇筑直到蓄水运 行 ，由于受气温变化、水位变 化及水泥水化热 的影 响，大坝及基础 的温度不断变化 ，此外温度变化还受 到渗流场的影响，而温度和渗流又以温度荷载和渗透 力的形式作用于坝体引起变形和应力的变化 ，大坝与 基础的变形反过来又影响渗流 ，因此 ，温度场 、渗流 场及变形场互相耦合 ，互相影响，三场方程如下 水利7 K 电 技术第 4 6卷2 0 l 5年第 6期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 击 ) 差 卜 s ( 1 ) = A ( 舅 ) 一 c ( 蠹 ) + c 一 + 2 K】 A u ) = A P ) + a P ： ) + A P ) + P ： )( 3 ) 其 中：式 ( 1 )为 非 恒 定 渗 流 方 程 ，渗 透 系 数 K ( ) 反映了应力 场对渗流场 的影 响，s为饱和度 ； 式( 2 ) 为瞬态热传导方程，右端第 2项为渗流场对温 度场的影响 ，右端第 3 、4项 为冷却水管对水化热温 升的影响；式( 3 ) 为瞬时弹性方程 ， 、 、 分别 为徐变 、温 度变化 和渗流场荷 载项 的贡 献 。 由以上三式可见，渗流、热传导和变形三场相互 影响 、相互 耦合作用 ，如果按 照全耦合统一 方程求 解 ，计算量太大 ，因此，一般采取弱耦合解法 ，即独 立求解各方程 。在求解 t 时刻本方程未知量 时，利用 上一时刻的耦合量作为已知量，如求解 t 时刻的渗流 场时，利用 t A t 应力场求 出渗透张量 K ，即 = K ( ) ，求解 t 时刻 的温度场 时，利用 t A t 时刻 的 础 ) 计算式( 2 ) 右端 的第二项 。 式( 1 ) 只考虑了孔 隙渗流作用 ，当基础及坝体存 在裂隙或集 中渗流通道时 ，应另行计入。 在三场耦 合仿 真 分析 中，根据 开挖 浇筑 过程 ， 变换三个方程 的求解 空间域 即构成单元集合 ，在时 间上仿真模拟 前述 8个 过程 ，在 已知 t A t 时 刻的 各量和 t 时刻各 项边界 条件 的前提 下 ，求解 t 时刻 的各个场 。 3 施工过程与蓄水运行过程模拟 3 1 基础开挖过程 高山峡谷地 区的高坝往往 具有高 陡边坡 的坝肩 或库 岸 ，在河谷底部存在高地应力 ，边坡库 岸在长 期 的 自然力作用下处 于接 近临界稳定 的状态 。岸坡 和基 础的开挖会造成卸荷 和扰动 ，打破 原有的稳定 状态 ，触发蠕动变形 ，导致卸荷 开裂 ，极 端状态下 导致 局部 失稳 。一般 情 况 下 ，开 挖 会 引 起 回 弹变 形 ，如小湾 、锦屏等都观测 到较 大 的回弹变形 ，这 种开挖变形既会影响到基础内应力的分布 ，也会影响 到早期浇筑的混凝土受力 ，因此仿真分析中应该模拟 基础 的开挖过程 。 全过程仿真分析的起点是开挖之前的天然河谷边 坡 ，边坡基础 的初始地应力为全 过程仿真 的初 始应 力 ，即 ： 0 = 0 ( g ) 水利水电技术第4 6卷2 0 1 5年第6期 张国新， 等混凝土坝全过程多场耦合仿真分析 初始地应力的计算根据地质勘探结果进行反馈取 得 ，反演方法参见有关文献 1 O ，当不具备反演分 析条件时 ，可以 自重应力作为初始地应力。 以开挖前的河谷形状作为起点 ，按照开挖顺序从 基础计算单元中逐步消除开挖单元 ，开挖单元的 自重 和各单元的初始应力等效到单元结点荷载后反号加到 整体方程 的荷载项上 ，即 A P 一川 B o r I d 力 ( 5 ) J n 式中， 为第 i 单元 的荷载变化量 。 3 2大坝浇筑过程 大坝的混凝土浇筑是按坝段分层分块分仓浇筑 ， 每一仓混凝土浇筑时该仓混凝土的 自重将作用于已浇 混凝土结构 ( 含基础 ) ，相应 的大坝结构发生变化 如 图 1 所示。笔者开发的混凝土坝全过程仿真分析软件 S A P T I S按照大坝 浇筑顺序对单元进行排序 ，按 照浇 筑顺序逐步 激活相应单元 ，形成各 步计算 的网格模 型。浇筑 当时的单元 自重作为荷载增量计算 ，本步计 算的 自重荷载为 P = 。 T d ( 6 ) 2 O 1 3 1 2 一 一 一 ， 一 一 - f 一 ) 1 口 l丘 一 ! O l 2 1 _ 一 一 _ 一 一 一 一 _ 一 一 一 一 一 一 I6 一 一 一 一 一 一 一 2 D l 1 l 2 2 1 ) 1 一 一 一 _ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 _ 一 一 一 2 ( 1 】 0 6 5 一 一 一 一 一 一 2 5 0 】 O l ： _ _ 一 一 = _ 一 一 一 一 一 一 0 2 O 1 ( O 5 _ 一 一 = _ _ 2U 5 I 2 0 0 9 一 O 6 2 0 0 9 1 2 图 1 溪洛渡大坝浇筑分仓示意 混凝土浇筑 后随龄期逐 步硬化 ，表现 为弹性模 量 、强度等参数随龄期不断增长。水泥水化热不断散 发 ，与边界温度一起引起坝体的温度变化 ，不同时刻 浇筑的混凝土逐步发生徐变变形 ，这些变化既影响到 刚度矩阵 ，也影响到计算荷载 ，每一仓混凝土浇筑后 要将时间分成若干时步，按时序进行计算，每一步计 算 中需考虑如上 因素修改计算 的刚度矩阵和荷载列 阵，具体算法见下述 。 3 3接缝 灌 浆过 程 混凝土分坝段浇筑 ，坝段之间及浇筑块之间留有 伸缩缝 ，有些伸缩缝需按顺序进行接缝灌浆 ，将分块 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m g 、 妪 ， f 浇筑过程 = 、 ： ， ， 蓄水过程 f ， 封拱过程 0 9 O 5 l O 1 0 1 l - 1 4 1 2 1 8 O 1 - 2 2 O 2 - 2 6 O 4 O 4 日期 年一 月一 日 图 4小湾拱坝施工及蓄水 过程 改变温度边界条件的方式 ，坝上游在蓄水前为第三类 气温边界条件 ，水位上升位于水下的部分表面变位第 一 类水温边界条件 ，水位变动区则在一 、三类交替变 化。气象水文条件变化贯穿施工至运行全过程 。仿真 过程中一般主要考虑气温和 日照辐射热的变化及其影 响，如果有实测气温，则仿真计算中气温边界条件根 据实测气温给定 ，如果没有则采用多年月平均气温进 行线性插值。 日照辐射热的模拟一般对气温给定一个 合适的温度增量。 4 材料性质变化过程的模拟 4 1 混凝土的水化热 混凝土浇筑后 ，由于水泥的水化作用产生热量 ， 影响混凝土的温度变化 ，模拟分析 中混凝土 的水化发 热用绝热 温升描 述。S A P T I S有 五种绝 热温 升模 型 ： 指数模型、对数模型、复合模型、水化度模型及表格 模型，代表模型为 复合模型 Q( 丁 )：Q ( 1一 e a l 1 )+ ( 8 ) n 十 r 水化度模型 式中，Q( ) 为龄期 时 的绝 热温 升值 ； 、卢、 m、n为与发热速率有关的参数 ；t 为考虑热过程的 等效龄期 ；E 。 、R为材料活化参数 。 张国新， 等混凝土坝全过程多场耦合仿真分析 复合模 型 E( 7 ) =E 。 ( 1 一e ) +E c 2 ( 1 O ) 水化度模型 E ( t )=E ( 1一e )+ ( 1 1 ) n十 式中 ，E ( r ) 为龄期 丁时 的弹性模量 ；t 为考虑水化 度的等效龄期 ； 、 、 m、n为与混凝土硬化 速 率有关 的参数。 表格模型 ，即直接利用实验数据表格插值求 出各 龄期的弹性模量。 实际应用 中，可以根据实验数据选择 以上不同模 型，实践表明，以上几种模型均可以较好地模拟混凝 土弹性模量的增长过程。 4 3混凝土的自生体积变形 混凝土的 自生体积变形主要取决于水泥品种 、水 泥用量及掺用混合材料的种类 。混凝土的 自生体积变 形一般在( 2 01 0 0)1 0 范围内，相当于 2 1 0 c C的温度变化。在 S A P T I S仿真分析 中，混凝土 自 生体积变形采用样条插值的方法计算 ，输人若干龄期 和对应的应变值就可 以得到相应各时间点的 自生体积 变形值 。 4 4混凝土徐变 混凝土徐变度不仅与持载时间有关 ，而且与加载 龄期有关 ，加载越早 ，徐变度越大。朱伯芳 院士用严 密的理论推导 ，提出了不同龄期加载后的混凝土徐变 度计算公式 ，S A F I I S采用如下两种公式 c ， ， = ( A + + 拿 ) c 1 - e -kl(t-r)， + ( + B _2 + ) ( 1 一 e 一 一 ) + D e 一 3 ( 1 一 e k 3 一 ) ( 1 2 ) C ( t ， )= ( A l + A 2 下 一 。 ) ( 1 一 e 一 一 ) +( 日 1 + 2 下 一 ) ( 1 一 e 2 ( ) + D e 3 ( 1 一e 3 ( ) ( 1 3 ) 式 中，k 、k 2 、k ，为徐变速率参数 ，无量纲数 ；A 、 A 、4 ， 、曰 、日 ： 、B 、D为徐变度参数 ，单位为单位 应力引起的徐变度 ( 应变 ) 。 5 温度控制过程的模拟 表格模型 ，即利用实验龄期一水化热数据 ，采用 5 1 降低浇筑温度 样条法直接求 出各龄期的水化热温升及增量 。 4 2混凝土的硬化 混凝土浇筑后 ，由于水化的作用 ，弹性模量和强 度随龄期不断增长 ，直至达到终值 。弹性模量和强度 的增长速率与浇筑温度、环境温度有关 ，为了模拟这 种特点，S A P T I S采用了多种弹性模量模型。 水利水电技术第 4 6卷2 O l 5年第 6期 防裂是混凝土坝施工的一个重要任务 ，温度控制 是防裂 的主要手段 ，贯穿着混凝土坝施工的全过程。 温度控制有三个主要手段 ：降低浇筑温度、表面保温 和通水冷却 。全坝全过程仿真分析需要按照温度控制 的实际过程模拟如上三个措施 。 通过预冷骨料 ，加冰拌和，保冷运输 ，仓面降温 一 川 、， 一 一 e 一 ： 1 ， ， 一 百 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张国新， 等混凝土坝全过程多场耦合仿真分析 等手段降低混凝土入仓温度进而控制浇筑温度。一般 新一层混凝土浇筑时，下层先浇混凝土的龄期在 7 d 以上 ，已经过了温度峰值期 ，新浇混凝土与下层已浇 混凝土存在较大的温差，对下层混凝土是一个冷却作 用 ，温差过大时会引起下层混凝土的表面裂缝 ，因此 新浇混凝土的入仓温度不宜过低。同时，在新老混凝 土的界面上存在一个大梯度的温度层 ，体现在数值模 拟上是初始时刻同一个位置存在两个温度 ，即位于新 浇混凝土的点为新混凝土的浇筑温度 ，位于下层混凝 土的点为原有温度。正确的做法是在浇筑层面设置一 薄层过渡层单元 ，但会大幅度增加计算工作量。因此 有学者提出了简化算法 1 。实际上 ，单元的初始温 度是以单元积分的形式影响下一步计算结果，一般单 元积分是 以单元的节点温度插值 ，通过 高斯积分 求 得 ，对于新浇混凝土以浇筑温度为单元的初始温度进 行积分即可。 5 2表面保温及养护 据不完全统计 ，混凝土坝的裂缝有 9 0 以上 出 现在表面 ，主要 由内外温差引起 ，表 面保温是 消除 内外温差 ，避免表 面裂缝 的最有效 手段 ，已被广 泛 采用 。表面保温按 时间分为短期保 温 ( 临时保 温) 、 长期保温和永久保温。长期 和永久保温一般设 置于 上下游面等长期暴露的坝面。浇筑层面、浇筑仓 ( 块 ) 的侧面等 只在暴露期进行短期保温 。有的表面 保温需要多次地覆盖和拆除 ，有 的仓 面则需要在 进 入低温季节前逐层覆盖 ，气温升高时分层拆除 。保 温的 目的是减小甚至消除气温变化对混凝土温度的 影响 ，仓面喷雾 ，洒 水 、流水等养护措施也有 相近 的温控效果 。 表面保温的模拟是 以改变表 面散热系数来模拟 的。当混凝土表面暴露时 ，表面散热系数 值根据风 速 ，按式( 1 4 ) 计算 ，当有保温板时 的等效表面散热 系数按式( 1 5 ) 计算 0 = 2 3 9+ 1 4 5 0 v ( 1 4 ) 南 A (15， + ( ，J o “ 式中 ， 。 、卢 分别为无保温和有保温板 时的表面散 热系数 ( k J ( m h o C) ) ； 为 风速 ( m s ) ；h 、 A 为第 i 层保 温 板 的厚 度 和导 热 系数 ( k J ( m h ) ) 。 仓面喷雾、洒水、流水等养护方式以降低仓面环 境温度 ，提高表面散热系数的方式模拟 ，降温幅度和 等效表面散热系数取决于水温和水量 ，具体应根据实 验得到 ，无实验条件时，以降温幅度 35 o C，仓 面 散热系数提高 1倍近似。 5 3 通水冷却 通水冷却是三大控温手段之一，目 前不管是常态 混凝土坝还是碾压混凝土坝都采取通水冷却的措施控 制温度 ，通水冷却不仅可 以控制温度峰值 ，还可以控 制温度的变化过程。传统的通水冷却分为一期冷却控 制温度峰值 ，二期冷却降温至接缝灌浆温度 ，需要时 在入冬之前进行 中期冷却以控制内外温差 。实践和分 析表明，温度应力不仅与温度峰值及温降幅度有关 ， 还与温度变化过程密切相关 ，而中期冷却则是控制温 度变化过程 的重要手段 。笔者提出的“ 九三一” 温控 模式 强调 了中期冷却 的重要性 ，即在一期和二期 冷却之间采用分段降温和持续控温的方式将时间上的 降温幅度和空间上的温度梯度控制在最优 ，避免冷却 过程中裂缝产生( 见图 5 ) 。 p 赠 3 2 1 45 6 8 9 0 l l 3 1 3 5 l 5 8 时间 d 图 5混凝土的冷却过程 通水冷却的模拟有多种方法 ，可分为精细法和等 效法。精细法 ，即将每根水管及混凝土剖分为足够精 细的单元 ，同时计算水温沿程变化及水管周边混凝土 的温度变化。这种方法 由于计算量大 ，仅在浇筑块温 度场精细模拟时采用。等效模拟法是朱伯芳院士提 出 的一种简化算法 ，将每一根水管控制范围内通水降温 效果平均化，采用通水冷却的半解析解，求出通水冷 却带走的热量值进而求解混凝土温度 ，这种算法可以 较高的精度求解通水冷却的平均效果 ，但不能反映水 管沿程水温变化对混凝土的影响及水管周边的温度梯 度 赠 日期 年- 月一 日 图 6 特征点温度过程 比较 水利水电技术第4 6卷2 0 1 5年第6期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m R 1 3 0 0 1 2 5 0 张国新， 等混凝土坝全过程多场耦合仿真分析 4 0 * 3 5 # 2 9 2 5 2 2 # 1 9 # 1 5 9 4 l 8 7 2 、 1 1 7 6t 9 0 9 81 3 _有限j ( 9 7 3 ) l ( 7 9 1 ) I 81 0 ( 6 6 9 9 26 ) 1 7 2 2 ,lr 6 0 3 ( 7 9 8 n ( 6 0 4 ) I 5 5 7 ( J (6 3 6 擎 ( 2 2 0 l 1 1 9 1 ( 2 -2 4 1 啐 ( 1 2 4 ) ( 1 1 61 ) 1 1 4 ( 观测 l ， (8 4 2 ) l ( 7 1 0 39 ( 1 0 2 7 81 1 ( 8 1 8 6 9 ： ( 6 9 8 ( 3 5 5 ( 6 785 ) T 2 6 1 ( 9 d、 毒 (8 8 1 0 5 4 5 0 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 O 1 O O 5 O 0 5 0 1 0 O 1 5 O 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 横向坐标 m 图 7 1 2 4 0 m 水位大坝径 向变 形比较 ( 单位 ：ra m) 芦水过 程 计 算 值 筑 过 碍 ， ， 一 、I 一 实 测 括 ： ) x 帕 、 、 厂、 厂 产 厂 ” 。 广 厂 、 、 日期 年一 月一 日 图 8坝踵应力过程 比较 埋置单元法 近似模拟 了每根水管 的影 响及水 管沿程水温变化 的影响，但存在计算量大 ，通水早期 精度差 的缺点 ，不适 合全坝 全过程仿真模 拟。S A P T I S中具备如上三种计算的功能 ，可针对不 同的功能 采用不 同的算法 。 6 应用实例小湾拱坝工作性态全过程仿 真模拟 小湾拱坝坝高 2 9 4 5 m，顶拱弧长 9 2 3 m，坝体 混凝土方量 7 6 1万 m ，2 0 0 4年 1 O月大江截流 ，开始 建基面开挖 ，2 0 0 8年 l 2月导流洞下闸，开始初期 蓄 水 ，大坝浇筑、接缝灌浆 和蓄水过程如图 4所示。采 用本文介绍的全过程多场耦合仿真分析方法模拟了包 括开挖 、浇筑、接缝 、蓄水过程等 8个过程 ，模拟 了 温度场 、渗流场 、应力场 随时间的变化并与观测结果 进行 了对比。图 6一图 8为代表点的温度过程 、特征 水位时的变形分布及应力过程 。 水利水电技术第4 6卷2 0 1 5年第 6期 根据仿真分析结果 ，各场变 化规律与观测结果吻合良好，很 好地解 释 了观测结 果 的几 个现 象 ：( 1 ) 大坝温度 回升 ，实测大 器 坝温度回升5 9 oC， 仿真分析 表明该 回升是边界热量内传和混 凝土后期发热 的共 同作 用结果 ； ( 2 ) 正常蓄水位 I 2 4 0 m时 ，大 坝实测变形远小于设计阶段的预 估值 ，仿真分析表明这是 由自重 分步施加引起坝体前倾，分期蓄 水不同坝体结构分载 ，温度回升 和实际弹模大于设计值导致 的；( 3 ) 到达正常蓄水位 时的坝踵仍存在 3 8 M P a 的压应力，并未出现设计 阶段所担心的坝踵拉应力 ，仿真结果与观测结果吻合 良好 ，仿真分析表明坝体温度 回升和分期浇筑大坝倒 悬前倾 ，在坝踵带来附加压应力是导致坝踵未出现拉 应力 的原因。 7结语 大坝的安全不仅仅取决于良好的设计 ，更取决于 大坝 的施工质量和对大坝真实工作性态的把握 。大坝 在施工过程中随着坝体 的升高受力结构不断变化 ，分 期蓄水时部分 坝体 分步挡水形成不 同高度 的分 载效 应 ，温度 、渗流 、应力相互耦合作用 ，这些都影响到 坝体受力和工作状态 ，甚至在施工和初次蓄水过程中 出现控制安全的不利工况 ，需要对 自基础开挖开始的 大坝施工全过程仿真模拟。本文介绍的全坝全过程多 ( 下转 第 9 9页) 如 如 如 2 O O 9 g 恒 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 0反滤料复核试验质量技术评价 指标名称 反滤料名称 设计指标 试验指标 I 反 1 9 2 0 2 O 8 0 2 1 o o 干容重 k N r f l I 3 反 2 O 3 0 2 1 2 O 2 1 3 O I 反 0 8 O 9 1 O 9 3 相对密度 D 反 O 8 0 9 4 0 9 6 室内 I反 11 0 3 4 81 0 3 6 4 X1 0 3 渗透系数 现场 I 反 11 0 3 8 X1 0 3 4 21 0 3 c m s 一 11 0- 2 6 4 X1 0 230 X1 0 1 室内 反 现场 反 11 0- 2 5 1 X1 0 2 3 6 X1 0 1 I反 在包络线内 个别点在包络线外 粒径控制 反 在包络线内 个别点在包络线外 0 0 7 5 mm 含 泥 I反 5 4 5 4 9 量 反 5 0 62 3 在已加工生产的反滤料 I中掺配 占一定 比例的沧江砂 并严格控 制反滤料级配后 ，使心墙 防渗土料得 到保 林赛， 等黄草岭水库大坝材料分区设计研究 护 ，具有较高 的抗渗稳定性 。水库蓄水后的不同库水 位情况下 ，大坝实测渗漏量变化及坝体累计沉降量较 小，均低于设计值。反滤料 I 的级配调整保证了其渗 透特性满足设计要求 ，对大坝的稳定安全起到重要的 作用 。试验研究所得参数 指标 可供类似坝 型提供参 考 。 参考文献 ： 1 关 志诚 水工设计手册 ( 第 6卷 土石坝 ) M 北京 ：中国水 利 水 电出版社 ，2 0 1 1 2 3 4 5 6 高广淳大坝技术 M 北京：中国水利水电出版社，郑州： 黄河 水利 出版社 ，2 0 0 8 水电水利规划设计总院土石坝技术( 2 0 1 3 年论文集) c 北 京 ：中国电力出版社 ，2 0 1 4 S L 2 7 4 -2 0 0 1 ，碾压土石坝设计规范 s N B T 3 5 0 1 6 -2 0 1 3 ，土石筑坝材料碾压试验规程 S D I V T 5 3 5 6 -2 0 0 6 ，水电水利工程粗粒土试验规程 s ( 责任编辑郭利娜) ( 上接 第 9 3页) 场耦合仿真分析方法，具有如下特点：( 1 ) 以全坝为 分析对象 ，包括基础和大坝的整个大坝体系 ，以及影 响结构受力的多种局部构造及纵横缝 ；( 2 ) 可 以模拟 大坝基础开挖 、坝体浇筑 、接缝灌浆 、蓄水运行等 8 个过程 ；( 3 ) 可以考虑温度场 、渗流场 、应力场的互 相耦合过程，并模拟其随时间的变化过程。 本文将该方法应用于小湾高拱坝仿真分析 ，仿真 结果表明其应力场 、位移场、温度场、渗流场变化规 律与观测结果 吻合 良好 ，很好 的解释 了以下几个现 象 ：( 1 ) 大坝温度 回升 ；( 2 ) 正常蓄水位时 ，大 坝实 测变形远小于设计阶段 的预估值 ；( 3 ) 坝踵未出现拉 应力。实践表明运用本文介绍的全坝全过程多场耦合 分析方法可 以全面有效地掌握大坝 自施工期至运行期 的真实工作性态 ，保 障大坝的安全施工及运行 ，对大 坝的建设 、运行具有十分重要 的指导意义 。 参考文献 ： 2 3 4 5 6 7 8 9 1 O 1 2 潘家铮 强化风险管理 确保 大坝安全 J 大 坝与安全 ，2 0 0 1 ( 2 )：7 - 8 1 3 汝乃华 ，姜忠胜 大坝事故与安全 拱坝 M 北 京 ：中国水 利水 电出版社 ，1 9 9 5 S L 2 8 2 -2 0 0 3 ，混凝土拱坝设计规范 S 朱伯