碾压混凝土坝温度控制的现状与趋势

1.碾压混凝土坝温度控制特点

近20年来,碾压混凝土坝作为一种新的筑坝技术在我国不断地得到发展,对碾压混凝土坝温度应力问题的研究在不断地深入。经过系统研究后,发现碾压混凝土重力坝的温度应力有如下特点:

(1)碾压混凝土的抗裂能力略低于常态混凝土。碾压混凝土的极限拉伸值略低于常态混凝土,由于水泥用量较少,碾压混凝土的徐变较常态混凝土为小,因而碾压混凝土的抗裂能力略低于常态混凝土。

(2)碾压混凝土坝容易出现劈头裂缝。过去人们虽知道重力坝劈头裂缝的严重性,但并不知道劈头裂缝产生的真正原因,现发现劈头裂缝的产生与通仓浇筑有关。通仓浇筑重力坝因无纵缝、无接缝灌浆前的二期冷却,水库开始蓄水时,坝体混凝土温度还比较高,坝体上游面与低温库水接触后,产生拉应力,促使施工过程中出现的表面裂缝扩展为大的劈头裂缝。因此必须采取预防表面裂缝、缩小横缝间距、加大横缝止水至上游表面的距离、加强表面保温等措施。

(3)基础温差引起的应力。柱状浇筑常态混凝土重力坝,接缝灌浆前通过水管冷却,使坝体温度降至稳定温度,因此可单独考虑基础温差计算温度应力;碾压混凝土重力坝无纵缝,无二期水管冷却,坝体竣工后经过长时间的天然冷却才能达到坝体的稳定温度,此时坝体早已竣工蓄水,因此基础温差不是单独作用,而是与坝体自重和水压力共同作用,拉应力减小较多。

(4)上下层温差引起的应力。常规柱状浇筑重力坝,浇筑块水平尺寸较小,上下层温差一般不起控制作用;而研究结果表明,通仓浇筑的碾压混凝土重力坝,上下层温差引起的拉应力较大,一般都起控制作用。

(5)内外温差引起的应力。对常规柱状浇筑重力坝,内外温差仅在早期起控制作用,二期冷却后,坝体内部已冷却到稳定温度,内外温差已不大;而对碾压混凝土重力坝,因无二期水管冷却,内外温差始终起控制作用。

(6)底孔超冷。底孔超冷是引起重力坝裂缝的一个重要原因,对于碾压混凝土重力坝,因无纵缝,坝块长度大,底孔常位于基础强约束区内,底孔超冷问题较常规柱状浇筑重力坝更为严重,应引起重视。

(7)基岩表面垫层混凝土的温度应力。在碾压混凝土坝的基岩表面上往往先浇筑2～4m 厚的常态混凝土垫层,然后停歇40～60d,以便进行基岩固结灌浆,形成薄层长间歇。研究结果表明,温度应力较大,很容易产生裂缝,应采取必要措施。

综上所述,碾压混凝土重力坝温度应力的基本规律与人们熟悉的常规柱状浇筑混凝土重力坝有重大差别。认识和掌握这些基本规律,有助于碾压混凝土重力坝的温控与防裂。

2.国内外研究现状与趋势(www.xing528.com)

碾压混凝土坝的温度场、温度应力分析和温控设计方法,有以美国为代表的有限元时间过程分析法和以日本为代表的约束系数矩阵法,英国和法国一般采用ANSYS、ADINA和ABACUS等专用程序。

我国在大体积混凝土结构施工期温度场和温度徐变应力场有限元计算方面处于世界先进水平。“七五”期间,中国水利水电科学研究院、清华大学、武汉水利电力学院、河海大学、西安理工大学、天津大学等科研单位和学校,结合三峡工程、铜街子水电站等工程,对碾压混凝土坝施工期温度场和温度应力进行了深入研究,采用二维有限元法进行了施工期全过程仿真计算。“八五”期间,对龙滩碾压混凝土重力坝设计中的关键技术问题进行了较深入的研究,取得了具有重要理论意义和实用价值的成果。为了在微机上能够实现模拟碾压混凝土薄层(层厚0.3m)施工情况,“九五”期间,又以龙滩高碾压混凝土筑坝技术研究为目标,在国家科技攻关专题 “高碾压混凝土重力坝设计方法的研究”中,在研究碾压混凝土重力坝温度应力时间过程分析法的复杂性和困难因素的基础上,提出了仿真并层复合单元、并层坝块接缝单元、温度场和应力场的分区异步长解法、考虑水管冷却效果的等效热传导方程等一整套新的方法,以及三维有限元浮动网格法和不稳定温度分区异步长解法相结合的方法,对高碾压混凝土重力坝的温度场和温度应力场,及其相应的防裂措施进行了分析和研究,建立了一套能在微机上实施的二维、三维线性和非线性有限元全过程仿真计算方法和程序,计算中能模拟碾压混凝土坝分层施工的时间情况,考虑分缝、温度、自重荷载、水荷载、接缝等各种实际荷载和实际情况,计算从开始施工到蓄水运行的坝体温度、应力、位移情况,能反映碾压混凝土的非线性本构关系。并首次系统地提出了高碾压混凝土重力坝温度应力的基本规律及其温度控制的特点,指出它与常态混凝土重力坝温度应力有重大差别,使温控防裂措施的研究有了明确的针对性,对于提高碾压混凝土重力坝温控防裂研究的水平有推动作用。分析研究结果表明:

(1)碾压混凝土重力坝的防裂能力略低于常态混凝土,这是由于碾压混凝土的徐变系数较低引起的。

(2)高碾压混凝土坝容易出现劈头裂缝,其预防措施为缩小横缝间距、加大表面保温,以及加大横缝止水至上游面的距离等。

(3)基础温差引起的应力较大,一般都起控制作用。

(4)内外温差引起的应力始终起控制作用。

(5)底孔超冷问题更为严重,应引起重视。

(6)基岩表面垫层混凝土上的温度应力较大,应采取必要的措施。

在碾压混凝土坝的温度场、温度应力分析和温控设计方法研究方面的发展趋势,是进一步完善能在微机上实施的二维、三维线性和非线性有限元全过程仿真计算程序和方法。计算中能真实地模拟碾压混凝土坝的结构情况、实际的施工情况及施工期和运行期的荷载变化情况等;建立一套良好的人机交互界面,以便使工程技术人员在施工过程中,能够根据各种因素的变化,通过良好的微机界面,随时了解坝体的温度场和温度应力的变化,便于采取相应的温控措施;在后处理方面,建立一套与界面配套的图形处理系统,从浩繁的成果数据中,方便地将所需成果输出,达到简便、实用、快捷的目的。