基于温控仿真的碾压混凝土重力坝防裂措施研究

来源:用户上传      作者:周顺田 张健 刘东旭 王振红 汪娟 李辉

　　摘要： 温度荷载是混凝土重力坝的一个主要荷载，它的大小直接影响着大坝是否产生温度裂缝，进而影响着大坝的安全稳定运行。碾压混凝土坝由于胶凝材料用量少、混凝土温升较低，温控措施往往认为可以简化或者取消，但工程经验表明，碾压混凝土重力坝施工过程中温控措施仍必不可少。以福建省周宁电站碾压混凝土重力坝为例，借助三维有限单元法，探讨了有无控温措施的区别，同时对浇筑温度和表面保温关键温控参数开展敏感性分析。计算结果表明：不采取温控措施不能满足温控要求，浇筑温度降低和适度表面保温可以起到较好的温控防裂作用。该工程的温控防裂方法和思路对类似工程的温控防裂具有重要参考意义。
　　关 键 词： 碾压混凝土; 温控仿真; 浇筑温度; 表面保温; 防裂措施
　　中图法分类号： TV315
　　文献标志码： A
　　 DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.022
　　
　　 0 引 言
　　碾压混凝土重力坝是中国目前大坝建设的主流坝型之一，目前已兴建多座坝高200 m级的碾压混凝土重力坝。由于碾压混凝土坝发展时间较短，诸如碾压混凝土的长期性能、高碾压混凝土坝的长期工作性态、碾压混凝土层间结合及其水力劈裂机理、高碾压混凝土坝的设计准则、施工期工作性态监控等一系列重大科技难题仍有待于攻克 [1-4] 。温控防裂是混凝土坝的一项重要任务，由于碾压混凝土水泥用量少、绝热温升低，温控措施往往被认为可以简化甚至取消。但工程经验表明 [5-8] ，随着碾压混凝土重力坝优化配合比的变化、现代施工技术的大量应用，温控措施不但不能简化，而且更应该精细化。
　　若不采取温控措施，混凝土最高温度较高，温度荷载对防裂影响很大;浇筑温度越高，混凝土最高温度越高，温度荷载越大，浇筑温度越低，温度荷载越小但经济投入增大;表面保温对碾压混凝土坝温度荷载影响较大，可以降低周围环境温度对混凝土的影响，减小内外温差，降低温度应力，但是过与不及都不能达到很好防裂效果：以上表明碾压混凝土温控是一个综合、复杂的系统性工程 [9-15] 。本文以周宁电站碾夯炷土重力坝为依托，研究了不采取温控措施的可能性，开展了浇筑温度高低和表面保温强弱的敏感性分析，为工程现场施工选择温控防裂方案奠定基础。
　　 1 混凝土温度场和应力场计算理论
　　 1.1 混凝土温度场计算理论
　　在求解区域 R内任何一点处，非稳定温度场T（x，y，z，t） 须满足热传导方程 [1]
　　T t =a 2T x 2 + 2T y 2 + 2T z 2 + θ τ （1）
　　式中： T 是混凝土温度，℃; a 是导温系数，m 2 /h; θ 是混凝土绝热温升，℃; t 是时间，d; τ 是龄期，d。
　　利用有限元和差分原理，对式（1） 采用空间域、时间域离散，考虑边界条件和初始条件，得到温度场有限元计算方程 [1]
　　[H]+ 1 Δ t n [R] {T n+1 }- 1 Δ t n [R]{T n}+{F n+1 }=0 （2）
　　式中： [H]是热传导矩阵，[R]是热传导补充矩阵，{T n }和 {T n+1 }是节点温度矩阵，{F n+1 }是节点温度荷载矩阵，n是时段序数， Δ t是时间步长。只要给定上一时刻的温度场{T n }，由公式（2） 就可以求得下一时刻的温度场{T n+1 }。
　　 1.2 混凝土应力场计算原理
　　在复杂应力状态下，混凝土应变增量一般包括弹性应变增量、徐变应变增量、温度应变增量、干缩应变增量和自生体积应变增量 [1] ，因此有
　　{ Δ ε n}={ Δ ε e n}+{ Δ ε c n}+{ Δ ε T n}+{ Δ ε S n}+{ Δ ε 0 n} （3）
　　式中： { Δ ε e n}为弹性应变增量，{ Δ ε c n}为徐变应变增量，{ Δ ε T n}为温度应变增量，{ Δ ε s n}为干缩应变增量，{ Δ ε 0 n} 为自生体积应变增量。
　　应力增量与应变增量关系为
　　Δ σ n = D - n Δ ε n - η n - Δ ε T n - Δ ε 0 n - Δ ε S n （4）
　　进行整体单元集成，可得整体平衡方程：
　　K Δ δ n = Δ P n L + Δ P n C + Δ P n T + Δ P n 0+ Δ P n S （5）

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