重力壩加高的溫度應力問題

1、重力壩加高的溫度應力問題摘要：大壩的加高將成為將來水利建立的重點之一。重力壩加高中往往會出現(xiàn)三個影響壩體質量和受力的問題：壩踵應力惡化、新老混凝土結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根本思路。通過對丹江口大壩加高的三維仿真分析，探究了通過溫度控制解決加高問題的根本方法及可行性。結果說明，通過新混凝土的超冷、保溫并選擇適當的施工措施，可以改善壩踵應力狀態(tài)，同時保證新老混凝土的結合面的大部分保持結合狀態(tài)，從而保證新老混凝土的共同受力。關鍵詞：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)開展的一個重要因素，隨著水資源的不斷開發(fā)，合適建壩

2、的新壩址越來越少，由于需水量的增長和水庫淤積的開展，已建的以供水、灌溉等為目的水庫越來越不滿足消費與生活用水對水資源的需求，因此己建大壩的加高，將成為將來大壩建立的一個重要任務。大壩加高在國外已有許多工程先例，如委內瑞拉的古里壩，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，即老壩應力惡化、接合面開裂及新混凝土外表裂縫。傳統(tǒng)上重力壩的加高主要關注老壩體應力惡化的問題，即由于新澆混凝土的溫降收

3、縮在老壩體內引起拉應力從而使壩體應力惡化。解決方法主要從減小新混凝土收縮的影響入手，如在新混凝土內預留豎直寬槽、新老混凝土結合面處設置滑動縫等2,3，這些方法施工復雜，且只能解決新混凝土沿壩坡方向的收縮帶來的不利應力。加高帶來的附加應力分析方法也以簡化的算法為主，文獻4早在上世紀60年代即推導了重力壩加高附加應力的材料力學和彈性力學算法，近期的加高計算開場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根本方法。1重力壩加高帶來的問題1.1壩踵應力惡化問題新澆混凝土由于水化熱的作用溫度會升高，后期由于外表散

4、熱將會下降到準穩(wěn)定常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部分壩體，不會引起太大的壓應力。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，使壩踵產生附加拉應力。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當，新混凝土只分擔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當更多的水壓力而使壩踵應力惡化。1.2新老混凝土結合問題由于如下兩個原因加高重力壩往往沿結合面開裂：1結合面強度低。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

5、筑新混凝土時應做鑿毛、設鍵槽、插筋等施工處理。2沿結合面的法向拉應力或切向剪應力超標。引起切向剪應力的主要是新老混凝土沿壩坡方向的非同步變形。引起結合面法向拉應力的那么有如下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合面引起法向拉應力，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，該伸縮會在結合面處引起周期性的法向拉、壓應力。冬天下游壩面受冷收縮，沿壩坡方向的收縮引起的拉應力同1(見圖1)。沿壩軸方向的收縮那么會在壩段的側面引起結合面法向拉應力如圖2a)。而夏季下游壩面膨脹那么在壩段兩側引起法向壓應力，在壩段中部引起法向拉應力。圖2b)

6、。新混凝土澆筑時老壩面的溫度與準穩(wěn)定溫度的差異。假設新混凝土在冬季澆筑，那么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穩(wěn)定場，壩面恢復到平展狀態(tài)，從凹曲到平展的變形會引起壩段兩側法向拉應力、內部法向壓應力如圖3a。夏天高溫季節(jié)澆筑混凝土時，老壩面處于伸長、凸曲狀態(tài)，后期溫度下降到準穩(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部引起法向拉應力。兩側引起法向壓應力。上述3種原因疊加，會在某些時期，結合面處引起較大的拉應力而導致結合面開裂。圖1新混凝土壩坡方向的收縮引起的接合面法向應力圖2新混凝土壩軸方向的收縮引起的結合面法向應力傳統(tǒng)上將重力壩作為平面問題處理，只用簡化計算方法或

7、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力。第、兩個原因即沿壩軸方向的伸縮變形引起的拉壓應力那么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，相當于新混凝土一直在強約束區(qū)施工。當新混凝土收縮時，會在下游壩面引起拉應力，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力的影響會在下游壩面某些時期引起較大拉應力，從而在下游壩面引起程度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

8、收縮和老壩混凝土的溫度變化引起的拉應力是加高帶來的新問題。轉貼于論文聯(lián)盟.ll.2解決加高帶來問題的方法加高帶來的問題可從進步結合面強度、構造措施和溫控措施3個方面入手解決。1進步結合面的強度，可通過鑿毛、鋪砂漿、插筋等措施解決。2構造措施主要指在新澆混凝士內設寬槽，將新澆混凝土沿壩坡方向分成假設干塊，減少收縮長度，從而減少由于新混凝土的收縮引起壩踵應力惡化。等新混凝土溫度下降到準穩(wěn)定溫度后，于低溫季節(jié)將寬槽回填，這樣以后新混凝土會因氣溫上升整體膨脹，使壩踵產生部分壓應力，且部分消除低溫季節(jié)壩坡方向的大拉應力。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力惡化、壩下游面裂縫

9、問題，部分解決結合面開裂問題。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，到達減小壩踵應力、結合面應力及下游壩面應力的目的，從而減少或防止大壩由于加高帶來的裂縫。文獻1曾提出壩踵應力惡化問題可以通過對新澆混凝土進展超冷解決。新混凝土澆筑后，因水化熱作用溫度升高，隨著散熱漸漸下降到穩(wěn)定溫度。假如溫度下降發(fā)生在整個壩體完工之后，那么新混凝土沿壩坡方向收縮會在壩踵和壩下游面引起拉應力。但是假如溫度的下降在早期即新混凝土澆筑不久，那么新混凝土的降溫只會影響到一個很小的部分如圖4

10、，而不會影響大壩的整體應力。假如對新混凝土進展超冷，使加高完工后新混凝土的溫度低于穩(wěn)定溫度，那么后期新混凝土會因溫升膨脹而在上游壩踵和后加壩體下游壩面產生部分壓應力。如前所述，結合面法向的拉應力來自于兩個方面：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那么可通過在冬、夏兩季對老壩保溫或減小新老混凝土的溫差解決。圖4部分降溫對壩體應力的影響3丹江口大壩加高的溫度應力仿真分析及溫控措施丹江口水利樞紐后續(xù)工程是南水北調中線的龍頭工程。該樞紐分兩期施工，初期工程壩頂高程162.0，設計蓄水位155，已于1993年

11、建成。后期續(xù)建工程混凝土壩壩頂高程176.0，正常蓄水位170.0?；炷翐跛畨螇雾敿痈?4.6，溢流壩段堰頂加高14。圖5為7#壩段加高前后剖面圖。根據設計院提供的施工工期，7#壩段從2002年10月1日開場澆筑，月上升6.0?，F(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。經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1.5。2水管冷卻。混凝土澆筑后的第1d開場通冷卻水，水溫8，通水時間20d。水管間距與澆筑層厚一樣，即1.5。3保溫。新澆混凝土項面的保溫隨氣溫變化。當日平均氣溫高于年平均氣溫時，用3厚的聚乙烯泡沫板保溫，當日平均氣溫低于年平均氣

12、溫時頂面不保溫，以利用頂面散熱。新澆混凝土的側面，考慮到施工便利，在立模時加即8厚的聚乙烯泡沫板保溫，在壩體加高全部完工并經過一個冬天后的5月初撤除保溫板。計算參數見表1。外表散熱系數隨不同散熱面、不同保溫措施而不同。未保溫外表：1200kJ/d2；新混凝土上外表3厚聚乙烯板保溫：120.0kJ/d.2；下游面8厚聚乙烯板保溫：37.68kJ/d2。計算結果說明；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0.10.2Pa的壓應力。2壩段側面的結合面法向拉應力在冬季

13、到達最大，最大拉應力可達1.52.0Pa。冬季壩段側面應力矢量圖及等值線圖見圖6及圖7a。由圖可見，第一主應力幾乎垂直于結合面法向。3壩段中部的結合面法向最大應力出如今夏季，為0.51.0Pa，見圖7b。4圖8為結合面圖5丹江口7#壩段剖面圖6壩段側面冬季應力矢量圖法向歷史最大應力圖。該應力是從所有應力中搜索出最大拉應力得到。由圖可見，結合面法向都經歷過拉應力，部分出如今施工期新混凝土溫度由最高溫度下降時，部分出如今運行期的冬季或夏季。拉應力超過1.Pa的面積不到總結合面的10，大于0.6Pa的面積小于結合面積的30。由此可見部分接合面會被拉開，但大部分會處于結合狀態(tài)。圖7結合面法向應力等值線

14、圖8結合面法向歷史最大應力等值線表1混凝土計算參數指標名稱老混凝土新混凝土導溫系數a/(2h-1)0.004170.004225導熱系數/kJ(h)-19.849.97比熱/(kg)0.96300.9630線膨脹系數a/()-11.010-51.010-5容重/(kg-3)24502450泊松比0.1670.167絕熱溫升表達式Q()/()0.0彈性模量/GPa48.04結論由如上分析及計算結果可以得到如下結論：(1通過適宜的溫控措施，可以保證壩踵應力不致惡化。2周期性變化的氣溫使壩下游面伸縮，是引起結合面法向拉應力進而引起開裂的主要因素，該問題在普通重力壩中同樣存在，只有通過保溫和降低新混凝土最高溫度的方法解決。3貼坡混凝土澆筑后老壩下游面的溫度變化也是引起結合面開裂的原因之一。盡量減小新混凝土澆筑前后老壩面的溫度變化可以部分解決該問題。4通過適當的溫度控制，可以將結合面上的超標拉應力控制在一定范圍內，從而保證足夠面積的結合面保持粘接狀態(tài)，使新老混凝土共同受力。新老混凝土結合面處出現(xiàn)開裂后，破壞了壩體的整體性。結合面的開裂對壩體整體受力和平安的影響，需要進一步研究。參考文獻：1朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制.北京：中國電力出版社，1999.2HllinggrthF.DruytsFH.Theraisingandstrengthe