水利工程論文-重力壩加高的溫度應(yīng)力問題.doc

水利工程論文-重力壩加高的溫度應(yīng)力問題摘要：大壩的加高將成為未來水利建設(shè)的重點之一。重力壩加高中往往會出現(xiàn)三個影響壩體質(zhì)量和受力的問題：壩踵應(yīng)力惡化、新老混凝土結(jié)合面開裂及壩體下游面裂縫。本文討論和分析了出現(xiàn)這三個問題的主要原因及解決這些問題的基本思路。通過對丹江口大壩加高的三維仿真分析，探索了通過溫度控制解決加高問題的基本方法及可行性。結(jié)果表明，通過新混凝土的超冷、保溫并選擇適當(dāng)?shù)氖┕ご胧?，可以改善壩踵?yīng)力狀態(tài)，同時保證新老混凝土的結(jié)合面的大部分保持結(jié)合狀態(tài)，從而保證新老混凝土的共同受力。關(guān)鍵詞：重力壩有限元溫控仿真分析1前言水資源短缺將成為制約我國可持續(xù)發(fā)展的一個重要因素，隨著水資源的不斷開發(fā)，適合建壩的新壩址越來越少，由于需水量的增長和水庫淤積的發(fā)展，已建的以供水、灌溉等為目的水庫越來越不滿足生產(chǎn)與生活用水對水資源的需求，因此己建大壩的加高，將成為未來大壩建設(shè)的一個重要任務(wù)。大壩加高在國外已有許多工程先例，如委內(nèi)瑞拉的古里壩，日本的王泊壩、川上壩、新中野壩，美國的也爾奇壩，印度的科伊納大壩，瑞士的大狄克桑斯壩等1。我國大壩加高的實例相對較少，位于大連市郊的英那河大壩加高己于2001年開工，南水北調(diào)中線方案的龍頭工程丹江口大壩的加高將于近期施工。重力壩加高會帶來三個主要問題，即老壩應(yīng)力惡化、接合面開裂及新混凝土表面裂縫。傳統(tǒng)上重力壩的加高主要關(guān)注老壩體應(yīng)力惡化的問題，即由于新澆混凝土的溫降收縮在老壩體內(nèi)引起拉應(yīng)力從而使壩體應(yīng)力惡化。解決方法主要從減小新混凝土收縮的影響入手，如在新混凝土內(nèi)預(yù)留豎直寬槽、新老混凝土結(jié)合面處設(shè)置滑動縫等2,3，這些方法施工復(fù)雜，且只能解決新混凝土沿壩坡方向的收縮帶來的不利應(yīng)力。加高帶來的附加應(yīng)力分析方法也以簡化的算法為主，文獻4早在上世紀(jì)60年代即推導(dǎo)了重力壩加高附加應(yīng)力的材料力學(xué)和彈性力學(xué)算法，近期的加高計算開始采用仿真分析的方法，但仍限于平面問題，不能全面地把握加高后的應(yīng)力問題。本文通過加高過程的三維仿真分析，研究通過溫度控制措施解決加高問題的基本方法。1重力壩加高帶來的問題1.1壩踵應(yīng)力惡化問題新澆混凝土由于水化熱的作用溫度會升高，后期由于表面散熱將會下降到準(zhǔn)穩(wěn)定場。升溫時混凝土齡期短、彈模小而徐變大，且影響僅局限于新澆混凝土附近的局部壩體，不會引起太大的壓應(yīng)力。但溫降時往往壩體已澆筑完成，新混凝土因溫降而收縮，從而在老壩體上作用一個向下拉的力，使壩踵產(chǎn)生附加拉應(yīng)力。另外，加高時一般不會放空水庫，而是保持一定的運行水位，該水位的水壓力將全部由老壩承擔(dān)，新混凝土只分擔(dān)由加高施工期限制水到最高水位的增量部分，因此加高重力壩的老壩承擔(dān)更多的水壓力而使壩踵應(yīng)力惡化。1.2新老混凝土結(jié)合問題由于如下兩個原因加高重力壩往往沿結(jié)合面開裂：（1）結(jié)合面強度低。在已運行多年的老混凝土上澆筑新混凝土，其結(jié)合面為一個施工冷縫，強度一般低于整體澆筑的混凝土。因此澆筑新混凝土?xí)r應(yīng)做鑿毛、設(shè)鍵槽、插筋等施工處理。（2）沿結(jié)合面的法向拉應(yīng)力或切向剪應(yīng)力超標(biāo)。引起切向剪應(yīng)力的主要是新老混凝土沿壩坡方向的非同步變形。引起結(jié)合面法向拉應(yīng)力的則有如下3個原因：新澆混凝土沿壩坡方向的收縮。該收縮主要在接近老壩壩頂附近的結(jié)合面引起法向拉應(yīng)力，如圖1。周期性變化的氣溫。氣溫變化會引起新混凝土在壩坡和壩軸兩個方向的伸縮，該伸縮會在結(jié)合面處引起周期性的法向拉、壓應(yīng)力。冬天下游壩面受冷收縮，沿壩坡方向的收縮引起的拉應(yīng)力同1）(見圖1)。沿壩軸方向的收縮則會在壩段的側(cè)面引起結(jié)合面法向拉應(yīng)力（如圖2（a)。而夏季下游壩面膨脹則在壩段兩側(cè)引起法向壓應(yīng)力，在壩段中部引起法向拉應(yīng)力。（圖2（b)。新混凝土澆筑時老壩面的溫度與準(zhǔn)穩(wěn)定溫度的差異。若新混凝土在冬季澆筑，則此時老壩處于低溫收縮、凹曲狀態(tài)，后期老壩溫度上升到準(zhǔn)穩(wěn)定場，壩面恢復(fù)到平展?fàn)顟B(tài)，從凹曲到平展的變形會引起壩段兩側(cè)法向拉應(yīng)力、內(nèi)部法向壓應(yīng)力（如圖3（a）。夏天高溫季節(jié)澆筑混凝土?xí)r，老壩面處于伸長、凸曲狀態(tài)，后期溫度下降到準(zhǔn)穩(wěn)定場，壩面收縮平展，這種從凸曲到平展的變形會在壩段內(nèi)部引起法向拉應(yīng)力。兩側(cè)引起法向壓應(yīng)力。上述3種原因疊加，會在某些時期，結(jié)合面處引起較大的拉應(yīng)力而導(dǎo)致結(jié)合面開裂。圖1新混凝土壩坡方向的收縮引起的接合面法向應(yīng)力圖2新混凝土壩軸方向的收縮引起的結(jié)合面法向應(yīng)力傳統(tǒng)上將重力壩作為平面問題處理，只用簡化計算方法或二維有限元仿真分析。因此，只能分析考慮第一個原因，即新混凝土沿壩坡方向的伸縮引起的溫度應(yīng)力。第、兩個原因即沿壩軸方向的伸縮變形引起的拉壓應(yīng)力則必須用三維仿真分析。1.3下游壩面裂縫問題對于新澆混凝土來講，老混凝土壩面是一個強約束面，相當(dāng)于新混凝土一直在強約束區(qū)施工。當(dāng)新混凝土收縮時，會在下游壩面引起拉應(yīng)力，另外周期性變化的氣溫、新混凝土澆筑后老壩溫度的變化，都圖3新混凝土澆筑時老壩面的溫度對法向應(yīng)力的影響會在下游壩面某些時期引起較大拉應(yīng)力，從而在下游壩面引起水平或壩段中間的鉛直裂縫。周期性變化的氣溫在下游壩面引起的拉應(yīng)力不是加高帶來的問題，一次性澆筑的混凝土壩同樣存在該問題。但新混凝土的整體收縮和老壩混凝土的溫度變化引起的拉應(yīng)力是加高帶來的新問題。2解決加高帶來問題的方法加高帶來的問題可從提高結(jié)合面強度、結(jié)構(gòu)措施和溫控措施3個方面入手解決。（1）提高結(jié)合面的強度，可通過鑿毛、鋪砂漿、插筋等措施解決。（2）結(jié)構(gòu)措施主要指在新澆混凝士內(nèi)設(shè)寬槽，將新澆混凝土沿壩坡方向分成若干塊，減少收縮長度，從而減少由于新混凝土的收縮引起壩踵應(yīng)力惡化。等新混凝土溫度下降到準(zhǔn)穩(wěn)定溫度后，于低溫季節(jié)將寬槽回填，這樣以后新混凝土?xí)驓鉁鼗厣w膨脹，使壩踵產(chǎn)生部分壓應(yīng)力，且部分消除低溫季節(jié)壩坡方向的大拉應(yīng)力。寬槽方法是加高所用的傳統(tǒng)方法，該方法可有效地解決加高帶來的壩踵應(yīng)力惡化、壩下游面裂縫問題，部分解決結(jié)合面開裂問題。但是，寬槽方法施工難度大，會影響工期和造價，施工單位一般不愿采用該方法。（3）溫控措施。通過控制新老混凝土的溫度，盡量減小新老混凝土的溫度變化之差及新老混凝土的整體變形之差，達(dá)到減小壩踵應(yīng)力、結(jié)合面應(yīng)力及下游壩面應(yīng)力的目的，從而減少或避免大壩由于加高帶來的裂縫。文獻1曾提出壩踵應(yīng)力惡化問題可以通過對新澆混凝土進行超冷解決。新混凝土澆筑后，因水化熱作用溫度升高，隨著散熱慢慢下降到穩(wěn)定溫度。如果溫度下降發(fā)生在整個壩體完工之后，則新混凝土沿壩坡方向收縮會在壩踵和壩下游面引起拉應(yīng)力。但是如果溫度的下降在早期即新混凝土澆筑不久，則新混凝土的降溫只會影響到一個很小的局部（如圖4），而不會影響大壩的整體應(yīng)力。如果對新混凝土進行超冷，使加高完工后新混凝土的溫度低于穩(wěn)定溫度，則后期新混凝土?xí)驕厣蛎浂谏嫌螇熙嗪秃蠹訅误w下游壩面產(chǎn)生部分壓應(yīng)力。如前所述，結(jié)合面法向的拉應(yīng)力來自于兩個方面：即周期性變化的年氣溫及老壩面加高前后的溫度變化。年變化氣溫的影響不是加高帶來的問題，只能通過保溫的方法解決。老壩面加高前后的溫度變化則可通過在冬、夏兩季對老壩保溫或減小新老混凝土的溫差解決。圖4局部降溫對壩體應(yīng)力的影響3丹江口大壩加高的溫度應(yīng)力仿真分析及溫控措施丹江口水利樞紐后續(xù)工程是南水北調(diào)中線的龍頭工程。該樞紐分兩期施工，初期工程壩頂高程162.0m，設(shè)計蓄水位155m，已于1993年建成。后期續(xù)建工程混凝土壩壩頂高程176.0m，正常蓄水位170.0m。混凝土擋水壩壩頂加高14.6m，溢流壩段堰頂加高14m。圖5為7#壩段加高前后剖面圖。根據(jù)設(shè)計院提供的施工工期，7#壩段從2002年10月1日開始澆筑，月上升6.0m。現(xiàn)場可提供8的冷卻水，拌合樓出機口的溫度可降到8。每年59月高溫季節(jié)停澆。圖5丹江口7#壩段剖面經(jīng)研究采取的溫控措施如下：（1）入倉溫度。入倉溫度小于12。澆筑層厚1.5m。（2）水管冷卻?；炷翝仓蟮牡?d開始通冷卻水，水溫8，通水時間20d。水管間距與澆筑層厚相同，即1.5m。（3）保溫。新澆混凝土項面的保溫隨氣溫變化。當(dāng)日平均氣溫高于年平均氣溫時，用3cm厚的聚乙烯泡沫板保溫，當(dāng)日平均氣溫低于年平均氣溫時頂面不保溫，以利用頂面散熱。新澆混凝土的側(cè)面，考慮到施工便利，在立模時加即8cm厚的聚乙烯泡沫板保溫，在壩體加高全部完工并經(jīng)過一個冬天后的5月初拆除保溫板。計算參數(shù)見表1。表面散熱系數(shù)隨不同散熱面、不同保溫措施而不同。未保溫表面：1200kJ/dm2；新混凝土上表面3cm厚聚乙烯板保溫：120.0kJ/d.m2；下游面8cm厚聚乙烯板保溫：37.68kJ/dm2。計算結(jié)果表明；（1）在本文溫控措施下，新混凝土施工期最高溫度可控制在2426，經(jīng)過20d8的水管冷卻，新混凝土可冷卻到1416，略低于穩(wěn)定溫度。運行期新混凝土的年平均溫度略有上升，會在壩踵引起0.10.2MPa的壓應(yīng)力。（2）壩段側(cè)面的結(jié)合面法向拉應(yīng)力在冬季達(dá)到最大，最大拉應(yīng)力可達(dá)1.52.0MPa。冬季壩段側(cè)面應(yīng)力矢量圖及等值線圖見圖6及圖7（a）。由