混凝土坝全过程多场耦合仿真分析.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、 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
5、 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
6、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
7、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
8、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
9、 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
10、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
11、 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
12、 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
13、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
14、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
15、 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
16、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
17、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
18、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
19、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 ;
20、( 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
21、 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
22、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
23、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
24、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
25、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
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