寒区碾压混凝土重力坝上下浇筑层温差极值研究.pdf

杨靖巍（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 114000）摘 要在北方寒区，温控防裂对碾压混凝土坝建设具有十分重要的意义和作用。研究以具体工程为背景，探究了大温差地区不同约束区不同混凝土类型上下浇筑层容许温差极限值，为相关类似工程施工提供必要的支持和借鉴。关键词碾压混凝土；温控防裂；层间温差中图分类号 TV544文献标识码B文章编号 10020624（2023）08003903寒区碾压混凝土重力坝上下浇筑层温差极值研究0 引 言碾压混凝土筑坝技术产生以来，凭借其快速经济、施工简单等特点被广泛应用于水利工程建设。通过对国内外已有碾压混凝土坝的运行监测，其筑坝技术总体成功，但也有部分坝体出现较多的裂缝，对大坝的安全稳定运行造成一定的负面影响，并引起水利工程界的关注和重视。具体来看，碾压混凝土坝在建筑施工过程中，由于其浇筑的速度快、浇筑体积大、间歇时间短，温度不宜扩散，虽然绝热温升相对较低，但仍旧会产生较大的温差，造成温度裂缝问题1。针对碾压混凝土坝成层浇筑过程中的温度应力进行分析研究具有重要的工程意义和价值。在碾压混凝土坝施工过程中，上下浇筑层的温差主要指在浇筑间歇超过28 d情况下新浇筑混凝土最高温度和旧混凝土层之间的温度差。邹广岐等人在针对观音阁水库碾压混凝土坝的研究中发现，上下浇筑层温差过大是造成该坝越冬层面开裂的主要原因2。目前，已有部分学者对碾压混凝土坝上下层浇筑温差问题展开研究。例如，潘罗生通过对龙潭水电站碾压混凝土坝的研究指出，碾压混凝土上下层的浇筑温差应该控制在1012 3；周柏林通过对江垭水电站碾压混凝土坝的研究得出，约束区和非约束区的碾压混凝土上下层温差应该控制在 13 和 17 4。由此可见，碾压混凝土坝施工中上下浇筑层的温差研究已经得到业界的广泛关注，但针对北方寒区大温差地区上下浇筑层温差容许值的研究不多。基于此，此次研究以具体工程为背景，利用数值模拟计算的方式，探讨约束区和非约束区常态混凝土、碾压混凝土越冬层面不同上下浇筑层温差下的拉应力变化特征和规律，并确定相应的温差极限值，为北方寒区碾压混凝土坝施工建设提供必要的依据和参考。1 研究方法1.1 工程背景某水电站位于辽宁省东部，为典型的堤坝式水电枢纽工程，大坝的最低建基面高程322 m，坝顶高程 425 m，最大坝高 103 m，坝轴线长 364 m，上游坝面坡比为1 0.2。大坝共分为20个坝段，此次针对第2挡水坝段展开研究。其坝底为厚1 m的基础垫层，上游为复合式防渗面板，下游为复合式防渗和非防渗面板相结合，均为常态混凝土；大坝主体为碾压混凝土。1.2 计算模型的构建ANSYS 软件为目前工程仿真领域使用最广泛的一款大型通用有限元软件，不仅可以提供结构分析、热分析、电磁场分析及耦合场分析模块，2023年第8期水利科研东北水利水电 39还可以为中级以上用户提供二次开发工具，对此次研究具有良好的适应性和契合性，因此选择该软件进行数值计算模型的构建。结合研究坝段的实际情况，在大坝坝基上游和下游方向均取 1 倍坝高，在坝基左右方向的宽度均取坝体等宽5。几何模型的坐标原点设置在右侧的坝踵部位，以顺河向为X轴正方向，以垂直于X轴指向右岸的方向为Z轴正方向，以竖直向上的方向为Y轴正方向。首先构建平面几何模型，然后采用八节点六面体等参单元对模型进行网格划分，考虑到计算要求和工程实际情况，在热分析和应力分析中采用相同的网格划分方法，最终获得24 678个网格单元、28 664个计算节点。1.3 边界条件与计算参数根据模拟计算要求，研究坝段开始浇筑施工时，计算底部和四周为绝热边界条件6；坝体的上游面、下游面、浇筑层顶面及基岩顶面和空气接触，可以进行对流换热。在应力计算过程中，基岩的底面施加固端约束条件，基岩的四周施加法向位移约束，其余边界均为自由边界条件7。计算过程中，坝址区的气温、水温等资料由工程勘察、设计资料中获取。混凝土的温控参数如表1所示。表1 坝体混凝土温控参数1.4 计算方案在北方大温差地区，施工过程中的间歇时间一般不会超过28 d，仅需要针对越冬层面与上部新浇筑混凝土的上下层温差进行控制8。基于此，研究中仅改变越冬层面和浇筑时间，针对约束区和非约束区的常态混凝土和碾压混凝土为越冬层面展开计算研究。计算方案设计如表2所示。2 计算结果与分析2.1 拉应力鉴于混凝土层间破坏主要是拉应力的作用，研究中针对不同方案、不同温差水平下的拉应力值进行计算。根据计算结果，绘制出如图 1 所示的最大拉应力随层间温差的变化曲线。由图1可以看出，在不同方案下，随着上下浇筑层温差的变化，混凝土层的最大拉应力变化规律相同，但是变化的程度有所不同。随着上下浇筑层温差的增大，最大拉应力呈现出不断增大的变化趋势。其中，方案 1 和方案 2 基本呈线性变化，方案 3 和方案4分别在12 和16 附近存在突增现象。图1 最大拉应力随层间温差变化曲线2.2 抗裂安全系数利用构建的有限元模型对不同方案下的抗裂安全系数进行计算，根据计算结果绘制出如图 2所示的抗裂安全系数随层间温差的变化曲线，图中虚线为抗裂安全系数允许值1.69。由图2可以看出，随着上下浇筑层温差的增加，新浇筑混凝土层的抗裂安全系数呈现出不断减小的变化特征，但是不同方案的变化程度有所不同，当上下浇筑层温差未超过 14.6 时，方案1的最小抗裂安全系 数 都 大 于 1.69；当 上 下 浇 筑 层 温 差 未 超 过12.2 时，方案2的最小抗裂安全系数大于 1.69；当上下浇筑层温差未超过 17.4 时，方案3的最小抗裂安全系数大于 1.69；当上下浇筑层温差未超过 14.6，方案4的最小抗裂安全系数都大于1.69，满足工程需要。此外，约束区上下浇筑层的温差容许值均小于非约束区，原因是新浇筑的混凝土层不仅会受到下部老混凝土的约束，同时还会受到基础的约束，因此，需要将约束区内上下浇筑层的温差控制在更小的范围内。结合计算结果，背景工程的约束区的常态混凝土和碾压混凝土及非约束区的常态混凝土和碾压混凝土上下层混凝土类型常态混凝土碾压混凝土28 d抗压强度/MPa31.426.528 d抗拉强度/MPa3.793.71弹性模量/GPa37.937.2绝热温升/7465导热系数/（kJm-1h-1-1）1010导温系数/（m2h-1）0.004 80.004 7线膨胀系数/（10-6-1）6.56.5泊松比0.1670.167表2 计算方案设计表方案编号1234位置约束区约束区非约束区非约束区老混凝土基础垫层基础垫层浇筑层第7层浇筑层第15层新混凝土常态混凝土碾压混凝土常态混凝土碾压混凝土间歇时间/d1881881881881.51.0180.51614121086最大拉应力/MPa20方案4方案2方案3方案1层间温差/东北水利水电水利科研2023年第8期 40收稿日期 2022-10-26容许温差分别为 14.6，12.2，17.4，14.6，可以为相关类似工程施工提供必要的支持和借鉴。图2 抗裂安全系数随层间温差变化曲线3 结 语大温差地区，碾压混凝土坝经常出现热裂缝病害问题，这与混凝土的水化热及环境温度变化密切相关，研究碾压混凝土坝施工期水化热温度、热应力演化规律及影响因素的影响规律，对于大温差地区温控防裂具有重要意义。此次研究以具体工程为背景，探究了大温差地区不同约束区不同混凝土类型上下浇筑层容许温差极限值。研究结果可以为相关类似工程的设计和施工建设提供必要的支持和借鉴。当然，此次研究仅针对大坝的单一坝段进行了分析研究，后期可进行碾压混凝土坝的计算研究，以获取更为科学和准确的研究成果。参 考 文 献1田育功.大坝与水工混凝土关键核心技术综述 J.华北水利水电大学学报（自然科学版），2018，39（5）：23-30.2潘罗生.龙滩大坝碾压混凝土的温控与防裂关键技术J.水利学报，2007（S1）：20-24.3周柏林，左建明.江垭碾压混凝土坝温度控制设计 J.水力发电，2001（5）：41-42.4高山，陈建康，陈立宝，吴震宇，裴亮.高温炎热地区碾压混凝土重力坝温控防裂研究 J.人民长江，2020，51（5）：154-159.5许继刚，王振红，汪娟，李辉.大坝混凝土通水冷却方式和表面保温力度研究 J.人民黄河，2020，42（10）：134-141.6张国新，刘毅，刘有志，李松辉，张磊.高混凝土坝温控防裂研究进展 J.水利学报，2018，49（9）：1068-1078.7邓世顺，王振红，汪娟，杨书君.大坝混凝土施工期温控措施的时间和空间优化 J.人民黄河，2019，41（8）：124-128.8杨映，景霞娟，朱振泱.高寒地区混凝土坝高温度峰值区域的温控防裂 J.水利水电技术（中英文），2021，52（8）：17-26.2.82.0181.21614121086层间温差/抗裂安全系数201.62.4方案1方案3方案2方案41.21.21.2检车在引水隧洞斜井段和竖井段的移动，进而实现引水隧洞的无人巡检。应特别注意的是，施工支洞及引水隧洞均属于地下有限空间，进入前进行通风，并进行气体准入检测，只有经气体准入检测合格后才允许人员进入；检修作业期间，须对气体进行监护检测，确保检修作业安全。4 结 语上文提出了一种适用于多管并列引水隧洞的立交式检修通道布置方案，用以解决多管并列引水隧洞检修通道设置困难的问题，该方案简单、经济、施工方便，并且能够为引水隧洞的检修提供良好的通行条件，可为相关工程的设计提供有益参考。参 考 文 献1水电水利规划设计总院.水工隧洞设计规范：NB/T 103912020S.北京：中国水利水电出版社，2021.2谢遵党，陈晓年.CCS水电站输水隧洞设计关键技术问题研究 J.人民黄河，2019，41（6）：85-88.3陈晓年，肖豫，何楠.施工支洞改建为检修支洞的结构设计与分析 J.人民黄河，2019，41（6）：103-106.4林长杰.浅谈永久检修支洞的选取布置 J.水利水电技术，2012，43（7）：53-54.5冯华.某抽水蓄能电站高压管道设计问题探讨 J.西北水电，2016（6）：36-39.6鲍世虎，张洋，陈晓江.锦屏二级水电站引水隧洞检修通道设计 J.大坝与安全，2022（5）：24-27.7杨兴义.埃塞俄比亚GIBE3水电站压力管道竖井检修通道设计 J.水电站设计，2017，33（4）：11-12.8张福盛，张杨.锦屏二级水电站引水隧洞检修情况分析及处理 J.云南水力发电，2022，38（11）：299-304.收稿日期 2023-03-14（上接第3页）2023年第8期水利科研东北水利水电 41Study on extreme temperature difference between upper andlower pouring layers of RCC gravity dam in cold areaYANG Jing-weiAbstractIn the northern cold region,temperature control and crack prevention are very important for theconstruction of RCC dam.Based on the background of specific projects,the study explores the permissibletemperature difference limits of the upper and lower pouring layers in different confined areas of different concretetypes in the area of large temperature difference,providing necessary support and reference for the construction ofrelated similar projects.Key wordsRCC；temperature control and crack prevention；temperature difference in layersInfluence of synchronous grouting layer stiffnesson seismic performance of shield tunnelLI GenAbstractIn the process of tunnel shield construction,using synchronous grouting layer as damping layer canspeed up construction progress and reduce project investment,which has important economic significance andtechnical value.In this study,the influence of the stiffness of synchronous grouting layer on the seismic resistanceof the tunnel under shield construction is discussed by numerical simulation.The results show that reducing thestiffness of the damping layer can effectively improve the seismic resistance of the tunnel during the design andconstruction of shield engineering.Key wordswater conveyance tunnel；synchronous grouting layer；damping layer；seismic resistanceRisk regionalization of mountain flood in small watershedof Shilou County based on GISWU Bo，ZHANG SenAbstractMountain flood disaster risk assessment is of great significance to effectively prevent mountain flooddisaster and reduce post-disaster loss.Taking Shilou County of Shanxi Province as the study area,starting fromthe formation conditions of mountain flood disaster,rainfall,terrain,river system and historical flood were selectedas risk assessment indicators,and population density,cultivated land area percentage and gross product per unit areawere selected as vulnerability assessment indicators.The Analytic Hierarchy Process(AHP)was used to determinethe weight of each index,the location and distribution range of each level of risk area,and then divided intogrades.The analysis results can be used as the basis for the relevant construction departments in the constructionof flood control engineering measures and regional development and construction,and can also be used as a referencefor the work arrangement and deployment of flood control departments.Key wordsmountain flood disaster；AHP；risk regionalization；GIS；small watershed；Shilou CountyApplication of blasting vibration wireless monitoring systemon reconstruction foundation excavation near to Fengman DamLUO An，LIU Zhen-yu，LI DaAbstractInternet of Things technology has been widely used in the construction of water conservancy andhydropower projects.In the dam foundation blasting excavation construction of Fengman Dam reconstructionproject,the blasting vibration monitoring adopts YBJ-III remote micro dynamic recorder connected with othersensors,which is transmitted in real time through 3G network to form a wireless sensor network of Internet ofThings.The collected signal is transmitted wirelessly to the computer data center to realize the monitoring andcontrol of blasting operations.The wireless blasting vibration monitoring system based on the Internet of Thingstechnology has a high degree of security and network flexibility,and the overall cost is low.It can be widely usedin the blasting vibration monitoring of hydraulic dam foundation excavation.Key wordsFengman Dam；blasting；Internet of Things；vibration monitoringWater Resources&Hydropower of NortheastN0.8 2023（Total No.469）72