碾压混凝土坝温度应力理论研究的进展

【摘要】温度应力在整个拱坝的应力分布中起重要作用,尤其是整体浇筑或长块浇筑的混凝土坝内的温度应力,是产生裂缝乃至危及坝体安全的主要因素,对拱坝的影响尤为严重。

【关键词】碾压混凝土坝；温度应力；仿真分析

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

1碾压混凝土坝温度与应力的特点

1.1 材料性质的影响

影响温度控制的材料参数主要有以下几种：绝热温升、线膨胀系数、弹性模量、徐变量和极限拉伸值。这几种参数中，线膨胀系数和弹性模量主要取决于混凝土原材料，即砂石料和水泥，与施工方法关系不大。因此，本文主要比较在碾压和常态混凝土存在明显区别、又对温度应力有较大影响的几个参数。

（1）绝热温升。混凝土的发热量，主要由水泥水化热引起，虽然粉煤灰在水化过程中也会发热，但其发热量远小于水泥。碾压混凝土的水泥用量较常态混凝土小，因此绝热温升低于常态混凝土。用时由于碾压混凝土中粉煤灰掺量大，而粉煤灰有延迟发热的特点，因此，碾压混凝土的水化热温升速度慢，后期温升大，部分 RCC 混凝土坝曾观测到混凝土浇筑 3 个月后仍在升温的现象。

（2）徐变度。徐变是影响温度应力的一个重要材料性质，徐变的存在使温度应力的部分得到松弛。徐变越大，温度应力越小。混凝土的徐变主要与胶凝材料用量有关，碾压混凝土胶凝材料少，属干硬性混凝土，与常态混凝土相比，其徐变度一般要小，这一点不利于温度应力与防裂。

（3）极限拉伸。受配合比和施工方法的影响，碾压混凝土的极限拉伸值比常态混凝土低。虽然近几年随混凝土配合技术和实验精度的提高，碾压混凝土的极限拉伸值有了很大提高，有的工程碾压混凝土极限拉伸实验值甚至远大于常态混凝土，但大多数工程 90d 龄期的极限拉伸仍然低于相同原材料的常态混凝土。多数工程的钻孔取芯实测极限拉伸值远低于室内实验值，尤其是碾压混凝土的层间结合强度低，仅为混凝土本体的 0.3～0.6 倍，因此碾压混凝土抗拉能力低，更容易出现裂缝。

1.2 施工方法的影响

我国碾压混凝土采用薄层铺筑、薄层碾压、连续上升的施工方式，采用低温入仓的方式时，冷量损失大，难以实现常态混凝土那样的低温浇筑。常态混凝土浇筑中最重要的温控措施――水管冷却由于会对碾压混凝土的施工带来不利影响，影响施工进度，因此只是近几年大部分碾压混凝土不设冷却水管，少数设冷却水管的也仅限于高温季节浇筑的部位。因此常态混凝土温控措施中的两大主要方法――降低浇筑温度和通水冷却在碾压混凝土中采用时难度大，效果差。碾压混凝土坝一般无二期水冷，大坝的后期散热仅靠自然散热，温度降到稳定温度需要很长的时间，像龙滩碾压混凝土大坝，需要 100 年以上内部温度才接近稳定温度。因此大坝会在较长的一段时间内处于高温状态，遇低温季节及寒潮等不利气候条件时，内外温差大更易出现裂缝。

2温度和温度应力的特点

由于材料和施工方法的特点，碾压混凝土坝的温度和应力具有如下特点：一是大坝温降缓慢，坝体持续高温。二是内外温差是控制温差，上下层温差次之，基础温差对顺河向应力一般不起控制作用。三是碾压混凝土坝在坝上游面强约束区受内外温差和基础温差双重作用，更容易出现劈头裂缝。四是层间强度低，内外温差作用会引起水平裂缝。五是上游面混凝土防渗层更易出现较大拉应力。六是基础垫层混凝土易出现超标拉应力。

3碾压混凝土坝温度应力仿真分析

碾压混凝土坝的核心问题是温度应力问题,在碾压混凝土坝应用初期,在温度应力方面的研究主要集中在施工控制方面,随着碾压混凝土坝的发展,国内外在温度应力方面的研究逐渐深入,并取得了一定的成果。日本在混凝土温度徐变应力的物理仿真研究上取得了显著的成果。中国在大体积混凝土结构温度应力数值分析和理论研究方面,针对沙溪口溢流坝、岩滩工程围堰、观音阁、铜街子、龙滩、普定、溪柄、沙牌等已建和在建的重力坝和拱坝进行了温度应力仿真计算,取得了一批有价值的成果。

由于考虑施工过程的碾压混凝土坝温度应力仿真分析其不确定因素远比大坝正常运行期复杂得多,所以仿真计算的条件和方法与一般结构静动力分析有较大差别,现阶段仍有大量问题有待解决和完善。

3.1 计算规模与计算精度问题

仿真分析最主要的难点就在于:存储量和计算量大、运算速度慢。目前碾压层厚一般为0.3 m,每天可连续施工5~6层,考虑到浇筑温度、材料参数、环境参数等因素的变化,仿真分析至少应以1 d为施工期计算时间步长。如果采用精确求解,按照碾压层来离散单元,在温度场计算中每个碾压层都考虑大气温度的影响,计算时间步长就需要缩短到以小时为单位;在应力场计算中,碾压层面需要采用无厚度的节理单元进行应力应变分析,这对于上百米的高拱坝,其计算量之大在目前的硬件水平上还是难以实现的。

针对计算量问题,目前应用比较多的有以误差控制为特点的多层混凝土结构仿真应力分析的/扩网并层算法0和/分区异步长算法0、/非均质单元法0,/浮动网格法0、/多层动态子结构方法0和/波函数法0等。上述方法在提高运算速度的同时,也起了一些负效应。因模型中涉及到/人工边界0的反复调整,不可避免地使用各类过渡单元,使并层在程序处理上遇到许多麻烦,数据交换自动化程序设计困难重重,前处理工作量让人望而却步。在目前的微机水平下,仅就温度场的仿真计算而言,问题还不是太大,但要计算混凝土温度徐变应力,则仍然还有许多工作要做。

仿真计算的计算量问题的解决,一方面依赖于计算机硬件条件的提高;另一方面要求我们寻找求解超大规模稀疏矩阵的更为有效的方法。各种工作站和超级计算机及相应并行算法的普及,使得探求科学的仿真计算并行算法成为一种可能途径。

3.2 碾压混凝土材料参数问题

碾压混凝土热学参数主要指混凝土的导温系数、导热系数、环境热交换系数、绝热温升变化等;力学参数主要指混凝土弹性模量、抗压和抗拉强度、极限拉伸值、徐变度和自生体积变形。

混凝土的绝热温升、弹性模量、徐变度和自生体积变形严重地依赖着混凝土的龄期,而且也受混凝土温度的影响,这些因素使得碾压混凝土大坝应力场的计算远比一般结构复杂。对于弹性模量和徐变度,文献[7]推荐了指数函数、对数函数、复合指数函数等形式,但在上述计算公式中,均未考虑温度的影响,也无法反应混凝土徐变和温度的耦合作用;特别是在混凝土的徐变试验中,无法严格按照基本徐变的定义在湿度完全恒定的条件下进行,也很难从混凝土的总应变中,扣除混凝土的自生体积变形的那一部分应变。对于温度变形、徐变变形、自生体积变形和干缩变形耦合的研究无论在理论模型方面还是在试验方面应该说都还有许多问题需要解决。

实际工程单位在做材料参数试验时,往往只提供7、28、90 d的试验结果,再用这几个稀少的实验点去拟合上述方便计算的光滑曲线,来模拟参数随时间变化的性质,计算精度势必受到很大影响。即使排除所有这些影响,当混凝土施工后,在实际复杂因素如水泥的品种及用量、浇筑质量等影响下,设计参数也会发生较大改变,而且在许多情况下这种改变是无法预知的,进一步导致了误差的加大。笔者认为,进行材料参数反分析可能是解决上述问题的一个有效途径。

3.3 施工参数和环境参数的描述问题

对于中低碾压混凝土坝,温度应力较小,施工控制要求不是 很严。但是对于碾压混凝土高坝,温度应力仿真计算依赖环境参数和施工参数。施工参数包括施工过程中的结构几何模型、施工过程中的自然条件、施工过程中的设计变量等。结构几何模型的描述,完全受控于施工进度和施工方法。在描述这一问题时,一般只提当前月或者一个连续施工期的混凝土浇筑强度,对于每天中混凝土浇筑部位和浇筑层厚,往往非常模糊,至于每个碾压层的浇筑时间、间歇时间、昼夜的差别则更是难以精确确定。

环境参数包括施工期和运行期的气温、水温、地温、日照、风速等经常性参数,这些资料都需要预测,而如何描述和使用这些参数很不容易,通过简单的函数模拟的误差究竟有多大?而且这些参数对于大坝温度场、应力场的影响有时是起控制作用的,如何有效地描述这些环境参数仍然值得研究。施工过程中的设计变量主要有混凝土的浇筑温度、每层混凝土的厚度与浇筑时间、间歇时间(养护时间)、冷却水参数等,其中,最重要的是混凝土的浇筑温度。由于碾压混凝土是薄层碾压,施工工程中冷量损失非常严重,所以常以当天的日平均气温作为混凝土的浇筑温度,而日平均气温的预测比旬平均气温的预测困难得多,而且每个新浇筑层的温度除了受控于当天的气温外,日照影响也十分显著。在施工中,常对大仓面碾压混凝土进行各种保温或保冷措施,保温板隔热、仓面喷雾、流水养护是最常采用的3种保护方式。目前,关于保温板隔热,流水养护的降温计算模型已较为成熟,认为保温板隔热以第3类边界形式作用,放热系数采用保温板材料放热系数;流水养护计算模型很简单,作第1类边界处理,边界温度等于水温。仓面喷雾是较新采用的一种保护方式,降温效果受喷雾机俯视角度,离喷头距离,风向、风速、环境温度与入仓温度关系及实际喷雾效果等多种因素影响,因此计算模型复杂。目前对仓面喷雾的研究,还只停留在感性认识阶段,尚无成熟的理论模型。

参考文献

[1] 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. 2009(07)

[2] 张晓飞,李守义,陈尧隆. 碾压混凝土拱坝温度场仿真分析[J]. 红水河. 2006(01)

[3] 吴海林,李瑶,周宜红,霍小力. 马渡河RCC拱坝温度场及温度应力仿真分析[J]. 人民长江. 2008(19)

[4] 康迎宾,贾小刚,王亚春,鲁其灿. 大体积混凝土温度应力场的仿真分析[J]. 中国农村水利水电. 2009(03)