碾压混凝土拱坝温度场和应力场仿真计算研究.pdf

第 3 6卷第 1 期 2 0 1 4年 1月 人民黄河 YE L L OW RI VER Vo 1 3 6 No 1 J a n ， 2 0 1 4 【 水利水 电工程 】 碾压混凝土拱坝温度场和应力场仿真计算研究 薛元琦 ， 张晓飞 ， 白继中 ( 1 山西水利职业技术学院， 山西 运城 0 4 4 0 0 4； 2 西安理工大学 水电学院， 陕西 西安7 1 0 0 4 8 ) 摘要 ： 采用三维有限元法模拟某碾压混凝土拱坝的施工过程 ， 进行 了温控仿真计算， 分析了该工程温度场和应力场的 分布规律 ， 提出了温控推荐方案。结果表明： 采取初期、 中期和后期冷却措施后， 大坝的最高温度满足碾压混凝土坝设计 规范要求， 同时也满足封拱灌浆要求， 最大温度应力小于混凝土的允许拉应力。 关键词：三维有限元法；施工过程；仿真计算；封拱灌浆；碾压混凝土拱坝 中图分类号：T V 6 4 2 4 文献标志码： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 - 1 3 7 9 2 0 1 4 0 1 0 3 3 S i mu l a t i o n a n d S t u d y o n Ro l l e r Co mp a c t e d Co n c r e t e Ar c h Da m Te mp e r a t u r e F i e l d a n d S t r e s s Fi e l d XUE Yu a n q i ，Z HANG Xi a o f e i ，B AI J i z h o n g ( 1 S h a n x i Wa t e r C o n s e r v a n c y T e c h n i c a l I n s t it u t e ，Y u n e h e n g 0 4 4 0 0 4，C h i n a ； 2 F a c u l t y o f Wa t e r Re s o u r c e s and Hy d r a u l i e P o w e r ， X i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，X i a ll 7 1 0 0 4 8， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I t s i mu l a t e d a RCC a r c h d a m c o n s t r u c t i o n p r o c e s s ，c o n d u c t e d t e mpe r a t u r e c o n t r o l s i mu l a t i o n，a n aly z e d t h e d i s t r i b u t i o n r u l e o f t h e t e rn p e r a t u r e fie l d a n d s t r e s s fie l d and p u t f o r wa r d t h e r e c o mme n d e d s c h e me o f t e mp e r a t u r e b y u s i n g t h r e e d i me n s i o n al fi n i t e e l e me n t me tho d Th e re s u hs i n dic a t e tha t a f t e r t h e i n i t i al，i n t e r me d i a t e a n d l a t e p h a s e s o f c o o l i n g me a s u res ，the ma x i mu m t e mp e r a t u r e o f t h e d am me e t s t h e RC C d am d e s i g n s p e c i f i c a t i o n r e q u i reme n t s，b u t als o me e t t h e c l o s u r e g r o u t i n g r e q u i reme n t s ；t h e ma x i mu m t e mp e r a t u r e s t res s i s l e s s t h a n t h e a l l o w a b l e t e n s i l e s t r e s s o f t h e c o n c r e t e Ke y wo r d s ：thr e e d i me n s i o n al fin i t e e l e me n t me th o d；c o n s t r u c t i o n pr o c e s s ；s i mu l a t i o n c alc u l a t i o n；c l o s i n g a r c h f o r g r o u t i n g； RCC a r c h d am 碾压混凝土拱坝具有施工速度快、 建设周期短、 施工方法 简便、 整体性好、 超载能力强、 安全度高、 坝体断面小、 可分层碾 压填筑和大规模机械化施工的特点 ， 突破了传统拱坝分块柱状 浇筑的限制， 可采用干硬性、 高掺粉煤灰、 低水泥用量的混凝土 进行薄层大仓面连续浇筑 ， 具有节约水泥、 温控措施简单 、 工期 短 、 工程造价低的优点。这一坝型在我国西部能源开发与利用 方面也具有重要的应用前景 。 拱坝是空间整体结构， 坝体轻韧， 弹性较好 ， 坝身不设永久 伸缩缝 ， 温度应力和基岩变形对坝体应力的影响较为显著 J 。 温度荷载是拱坝的一项主要荷载， 温度变形受到的边界约束比 较大， 因此在拱坝内可能出现较大的温度应力。当温度拉应力 超过混凝土的允许抗拉强度时， 就可能导致裂缝的出现， 因此对 碾压混凝土拱坝进行温控仿真计算研究具有重要意义 J 。 笔者采用三维有限元法对西南地区某碾压混凝土拱坝温 度场和温度应力进行了全过程仿真计算， 提出了满足设计要求 的温控设计方案。 1 工程概况 某工程拦河大坝采用碾压混凝土拱坝， 坝顶高程 1 0 4 3 IT I ， 坝顶宽 5 0 i n ， 坝顶弧长 1 8 7 in， 最大坝高 6 0 m， 建基高程 9 8 3 1 0 0 In。大坝两端为非溢流坝段， 左岸非溢流坝长 7 1 m， 右岸非溢 流坝长 7 6 m。大坝河床段为溢流坝段 ， 设有 自由溢流式溢洪 道， 其溢流宽度为4 0 O m， 堰顶高程 1 0 3 5 0 0 。溢流坝顶设4跨 2 I n宽 的交通桥。坝下游设置混凝土护坦 ， 护坦长 3 0 m、 宽 4 2 0 m、 厚 2 0 m。水库正 常蓄水位 1 0 3 5 m， 设计 洪水位 1 0 3 9 4 8 In， 校核洪水位 1 041 3 4 m。该工程为中型工程 ， 大坝 为三级建筑物。 2 计算原理与方法 在计算域R内任一点， 非稳定温度场 T ( x ， Y ， z ， r ) 需满足热 传导方程 。J ： O T 褰+ 0 2_ _r + 害 ) + ， 式中： 为导温系数； 为混凝土的绝热温升 ； 为龄期。 混凝土在复杂应力状态下的应变增量包括弹性应变增量、 徐变应变增量、 温度应变增量、 干缩应变增量和 自生体积变形 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 1 - 0 8 基金项 目： 陕西省 自然科 学基础研 究计划项 目( 2 0 1 2 J Q 7 0 0 8 ) 。 作者简介： 薛元琦( 1 9 6 3 一) ， 男， 山西万荣人， 讲师， 工程硕士， 主要从事水利工 程教 学与研 究工作 。 E- ma i l ： s x s y x y q y a h o o c o rn c a 人 民 黄 河2 0 1 4年第 1期 增量， 因此有 8 = 8 ： + ： + + + 8 ： 式中： ： 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； 8 ： 为自生体积应变增量。 应力场有限元计算方法见文献 3 。 3 计算参数 工程所在地多年月平均最高气温为 2 7 2， 最低气温为 7 9， 多年平均气温为 1 7 9 ， 坝址 区多年月平均气温见 表 1 。 表 1 坝址 区多年月平均气温 大坝上下游面为0 5 m厚的变态混凝土， 上游为二级配碾 压混凝土 ， 大坝内部和下游为三级配碾压混凝土， 基础垫层和 孔口附近为常态混凝土， 混凝土热力学参数见表2 。 表 2 混凝土热力学参数 按照设计， 大坝基础垫层厚度为 1 0 m， 垫层混凝土开浇时 间为2 0 1 2年 1 2月 1 6日， 2 0 1 2年 1 2月2 0日完成基础垫层混凝 土浇筑； 大坝碾压混凝土开浇 日期为 2 0 1 3年 2月 1 6日， 2 0 1 3 年4月9日大坝浇筑至 1 0 0 2 0 m高程， 停工度汛； 2 0 1 3年 1 O 月 1 6日恢复大坝碾压混凝土浇筑， 2 0 1 4年 2月 2 6日达到坝顶 高程 1 0 4 3 0 m。大坝施工进度安排见表 3 。 表 3 大坝施工进度安排 4 计算模型与坐标系 该碾压混凝土拱坝温瘦 场与温度应力仿真计算采用三维 有限元法， 取拱坝整体作为仿真计算模型， 坝体的上下游、 左右 岸及底部均延伸 1 5 倍坝高。计算整体坐标系： 以拱冠梁剖面 坝顶上游点在坝基 面的投影为坐标原点， 顺水流方向为 方 向， 向下游为正； 坝高方向为 Y 方向， 向上为正； 沿左 、 右岸方向 为 方向， 指向左岸为正。整体有限元模型共划分单元 4 1 7 1 5 个 、 节点 4 9 1 2 2个 ， 其中坝体单元 2 7 8 8 0个、 节点 3 2 7 2 2个。 温度场计算边界条件的选取 ： 地基底面及 4个侧面和两岸 坝肩的侧面均为绝热边界， 坝体上 、 下游面在水位以上为固一 气边界， 水位以下为固 一 水边界。固 一 气边界按第三类边界条 件处理， 固 一 水边界按第一类边界条件处理。 应力场计算边界条件的选取 ： 地基底面按固定约束处理； 基础左 、 右岸两个侧面按 向约束处理； 基础上、 下游两个侧面 按Y向约束处理。 5 计算方案 方案 1 ： 大坝不采取任何温控措施。混凝土浇筑温度取 自 然状态下各月平均气温 +2。施工进度和浇筑温度见表3 。 方案 2 ： 为了满足接缝灌浆的要求 ， 大坝采取通水冷却措 施。冷却水管间距为 I 5 m1 5 m， 通水流量为 I 0 m h ， 冷 却水管长度为 2 5 0 m 。初期冷却： 在 2 0 1 3年 3 - _ 4月浇筑的部 位以及 1 0 1 1月浇筑的部位进行初期冷却 ， 3月和 1 1月通河 水冷却， 4月和 1 0月通 1 6冷却水冷却 ， 通水时间为 1 5 d ， 大 层浇筑完即刻通水。中期冷却： 2 0 1 3 年 1 1 月 1日 2 O 1 3 年 1 1 月 3 0日进行 1 0 0 2 n i 高程以下中期冷却 ， 2 0 1 4年 1 0月 1日一 2 0 1 4年 1 0 月 3 1日 进行 1 0 0 2 1 043 m高程中期冷却 ， 通水温 】 01 人 民 黄 河2 0 1 4年第 1 期 结果显示 ， 正常工况下的日渗流量约为 8 3 6 1 0 m 。 ， 占枯水期库 容的0 4 5 ， 防渗帷幕后地基渗透坡降最大值为0 1 5 4 ， 在 4 层 覆盖层及 z L 座落体和 J c 沙卵砾石层中， 各工况覆盖层的渗 透坡降最大， 最大值为0 3 8 7 。各部位的渗透坡降均小于允许 坡降， 满足渗流稳定性要求 ， 双河水电站对覆盖层地基和两岸 分别采用的防渗墙和帷幕灌浆防渗处理措施效果良好。 5 2 不同组合的渗流特性比较 三种组合各工况下的渗流量、 基础出逸坡降、 帷幕后渗透 坡降、 渗压见表 3 。 表 3 三种组合各 工况下的渗流量 、 坡降 、 渗压 注： 左侧渗压为防渗帷幕后左岸挡水坝段的平均侧向渗压， 右侧渗压为右岸挡水坝段的平均侧向渗压。 有防渗墙时， 与组合 1 相比， 组合 2闸基渗流量增加突出， 渗流通道， 有 可能发生渗流流土或管涌破坏， 对闸基渗流稳定 约增加了7 5 ， 说明防渗墙悬挂时墙下形成集中渗流通道， 有 不利， 防渗墙应深入基岩阻隔渗流通道。 可能发生渗流流土或管涌破坏， 对闸基渗流稳定不利 ， 应深入 ( 3 ) 有防渗帷幕组合下防渗墙对闸基渗流的隔阻效果均很 基岩阻隔渗流通道。 好， 在无防渗帷幕情况下， 渗流量、 坡降、 渗压明显增大， 说明该 组合 3 ( 无防渗墙) 与组合 1相比， 闸基渗流 薹 明显增加， 工程闸基覆盖层的渗透性强， 若不对覆盖层进行工程措施处 约为组合 1 的 6倍， 基础出逸坡 降和帷幕后渗透坡 降明显增 理， 将会形成集中渗漏通道 ， 产生较大的渗透坡降和渗压 ， 影响 大， 左右岸挡水坝平均侧 向渗压和底板平均渗压比组合 1 明显 闸坝的稳定运行， 故双河水电站闸基防渗墙处理是必要且有 大很多， 说明该工程闸基覆盖层的渗透性强， 若不对覆盖层进 效的。 行工程措施处理， 将会形成集中渗漏通道 ， 产生较大的渗透坡 降和渗压， 影响闸坝的稳定运行， 故双河水电站闸基 防渗处理 是必要且有效的。 6 结论 ( 1 ) 通过对双河水电站闸坝及其地基进行三维渗流有限元 数值模拟， 结果显示该工程防渗效果较好。在防渗体系的有效 作用下， 墙后覆盖层内渗流量均不大， 渗透坡降均很小 ， 都在允 许坡降范围内， 满足渗透稳定性要求。这种以垂直防渗为主 、 水平防渗和排水措施相结合的防渗体系布置合理可行 ， 对阻隔 渗流、 降低闸基渗透压力、 控制绕坝渗流、 减少渗流量 、 保证地 基渗透稳定性是非常有效的。 ( 2 ) 防渗墙悬挂时闸基的渗流增加突出， 墙下易形成集中 参考文献 ： 1 顾小芳 深厚覆盖层上水闸渗流分析与防渗结构优化设计研究 D 南京： 河海大学 2 0 0 6 2 潘家铮 水工建筑物的有限元分析 M 北京： 水利电力出敝社， 1 9 9 1 3 毛昶熙 渗流 =_f 算分析与控制 M 北京： 水利电力出版社， 1 9 8 8 4 j 李永红， 姜媛媛 吉牛水电站深覆盖层闸基渗透稳定评价 J 水电站设计， 2 0 1 0， 2 6 ( 3) ： 4 44 7 5 陆丽， 王骏瑞， 李章浩 深厚覆盏层闸坝坝基的三维有限元渗流分析 J 西 北水力发电 ， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 5 ) ： 9 1 2 6 张延忠， 廖华胜， 刘达， 等 闸坝地基渗流计算中边界条件敏感性分析研究 J 水力发电学报， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 1 ) ： 1 1 8 1 2 3 7 谢新华， 王国庆 深厚覆盖层坝基防渗墙深度研究 J 岩土力学， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 9 )： 2 7 0 8 2 7 1 2 【 责任编辑张华岩】 - - 一 一 -m+- - _ 一一- - -一一_+0 ( 上接第1 0 3页) 参考文献 ： 1 杨谢芸， 陈浩 三里坪碾压混凝土拱坝混凝土温度控制设计 j 人民长江， 2 0 1 2， 4 3 ( 6 )： 4 54 7 2 罗文广， 叶新， 吴震宇， 等 立洲碾压混凝土拱坝施工期温度仿真分析 J 中国农村水利水电， 2 0 1 1 ( 1 1 ) ： 9 1 9 5 3 许美娟， 刘斌， 曹学兴 七里塘碾压混凝土拱坝温度应力仿真分析 J 人民 长江 ， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 4 ) ： 7 5 7 8 4 张国新， 杨波， 张景华 R C C拱坝的封拱温度与温度荷载研究 水利学 1 0 6 报， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 7 ) ： 8 1 2 8 1 8 5 Z h a u g X i a n f e j ， L i S h o u y i ， C h e n Y a o l o n g ， e t a 1 T h e D e v e l o p m e n t a n d Ve r i fi c a t i o n o f R e l o c a t i n g Me s h Me th o d f o r t h e Co mp u t a t i o n o f T e mp e r a t u r e F i e l d o f R C C D a m J A d v a n c e s i n E n g in e e r i n g S of t w a r e ，2 0 0 9 ， 4 0( 1 1 ) ： I l l 91 1 2 3 6 朱伯芳 大体积混凝土温度应力与温度控制 M 北京： 中国水利水电出版 社 ， 1 9 9 9 7 杨艳 无横缝碾压混凝土拱坝封拱温度的研究 J 人民长江， 2 0 0 9 ， 40( 9 ) ： 6 97 1 【 责任编辑张华岩】