严寒地区常态混凝土拱坝长期保温防裂措施

在严寒地区修建混凝土拱坝,超低极端气温、超大年内温差和冬季突发寒潮等环境温度荷载是造成混凝土结构拉裂破坏的重要因素,因此开展长期保温防裂措施的研究意义重大。采用等效原理,提出了保温层-混凝土复合材料的热传导等效模拟概念,建立了有限元数值仿真中不同厚度混凝土与表面保温层等效单元;利用严寒地区长期实测资料和同类工程经验,选定结构数值仿真的气温、水温和材料热力学参数,开展温降工况下不同保温层厚度的坝体温度场及应力场数值计算与分析。结果表明:严寒地区坝体在无保温层时的坝体表面混凝土温度变化规律与气温基本相同,采取保温措施后保温层对坝体表面的保温效果较为明显,保温效果随保温层厚度的增加而增强;无保温层时上下游坝面出现大面积的拉应力区,增加保温层后坝体的拉应力区有所减小且应力随保温层厚度的增加而逐渐减小。     

碾压混凝土重力坝有保温层的温控计算

为降低温度荷载对大坝施工质量的影响,选取碾压混凝土重力坝引水坝段作为典型坝段,采用三维有限元软件仿真模拟大坝的施工过程,重点分析了施工期采取控制浇筑温度、在上、下游坝面和长间歇仓面布置聚苯乙烯泡沫塑料保温层等温控措施对坝体温度场及应力场的影响。结果表明:采用这些温控措施能够降低垫层处新、老混凝土的温差及冬季坝体的内外温差,减小坝体的主拉应力。     

高拱坝坝底加厚位置对拱坝稳定性影响数值研究

为了研究拱坝坝底加厚位置对其稳定性的影响,以有限元软件ANSYS为基础,分别建立坝体未加厚、坝体坝底上游加厚、下游坝底加厚以及上下游坝底均加厚9 m的有限元模型,根据不同情况下的坝体最大拉应力和最大压应力以及等效应力进行对比分析。研究结果表明,从最大拉应力以其等效应力角度分析,在坝体下游加厚效果较好,坝体的最大拉应力及等效拉应力最大值减小幅度分别为7. 5%和6%;从最大压应力以其等效应力角度分析,在坝体上下游加厚效果较好,坝体的最大压应力及等效拉应力最大值减小幅度分别为1. 0%和6. 5%;从应力和节省材料角度考虑,选取在坝体下游加厚为最佳形式。     

日温差对碾压混凝土大坝表面温度应力影响分析

碾压混凝土结构在施工期受温度应力的影响容易产生裂缝,大多情况下对混凝土大坝施工期的温控分析选取月气温变化,而本文对于引汉济渭三河口碾压混凝土薄拱坝选取日温差进行研究更趋合理,能为该地区同类坝型的设计和施工提供一定参考作用。依据秦岭南北分界区域特殊气候特征,建立三维有限元模型,分别取日温差为10℃、15℃、20℃进行计算坝体混凝土计算不同龄期、不同保护标准的温度应力,结果显示：在碾压混凝土施工期当地气候的温差降幅比较大的情况下,坝体混凝土龄期较长则自身混凝土产生的应力也会相应增大,同时在坝体表面或外漏面产生较大拉应力,在日温差降幅15℃和20℃时达到7 d龄期的混凝土大坝表层产生的温度应力分别为0.533 MPa和0.71 MPa,超过混凝土的允许拉应力,采取等效放热系数为7 kJ/(m²·h·℃)、5 kJ/(m²·h·℃)聚苯乙烯材料保护后坝体表面温度应力大幅减小,等效放热系数越小相应的温度应力降幅越大。     

坝体与背管结构相互作用分析

基于李家峡坝体径向变位观测资料,用三维非线性有限元分析坝体与坝后背管结构的相互作用.结果表明:坝体变位使背管上弯段附近外包混凝土产生0.0～2.33 MPa的轴向拉应力,使管腰产生0.2～3.1 MPa的剪应力,使背管与坝体接缝面产生0.05～1.20 MPa的剪应力;背管对坝体有很小的支撑作用,管内内水压力使坝体有向下游变形的趋势,但对坝体应力的影响不大.因此,坝体变位和管内内水压力分别是背管产生轴向拉应力和环向拉应力的主要因素.     

碾压混凝土坝上游面设短缝对温度应力的影响

1 引言 广西壮族自治区百色水利枢纽工程主坝为碾压混凝土重力坝,坝顶高程234.00m,顶宽10m,最大坝高130m,坝底宽约100m。坝体除基础垫层混凝土为R_(28)=20MPa的常态混凝土外,其余均为碾压混凝土。坝体上游面防渗体采用R_(180)=20MPa碾压混凝土,下游面164.00～220.00m高程设6m厚的R_(180)=20MPa的碾压混凝土,其余部位均为R_(180)=15MPa的碾压混凝土。根据枢纽布置要求和经过多方案比较,最后确定大坝横缝间距为27m,经计算分析,坝体上游面沿坝轴线方向拉应力仍然比较大。因此,为了优化设计,提出坝体上游面设短缝方案。本文采用三维有限元浮动网格法,按照设计施工进度安排和碾压混凝土浇筑温度,对坝段上游面设短缝和不设短缝方案分别进行了仿真计算。结果表明,坝段上游面设3m深短缝后,可以大大减小坝体上游面及附近的拉应力。     

里石门拱坝坝体应力变化规律分析

本文根据里石门薄拱坝应力监测成果,分析了施工期、运行期坝体应力变化,得出施工期坝体应力大于运行期;坝体裂缝均产生在施工期和蓄水初期;坝体实测应力分布与设计计算成果有差异,最大拉应力出现在中层拱圈拱冠下游面;温度荷载是坝体的主要荷载,其中上下游面温度梯度及局部非线性温差对薄拱坝应力影响很大;拱座最大推力发生在夏季温升时等结论,并对下游面裂缝成因进行了分析。     

高寒地区大体积混凝土临时越冬保温技术

正丰满大坝重建工程地处东北严寒地区,根据工程所在地气象站资料统计:多年平均气温为4.9℃;极端最高气温37℃;极端最低气温-42.5℃。冬季时节大坝上、下游面混凝土温度梯度、内外混凝土温差均很大,在如此不利条件下进行碾压混凝土坝施工,如何解决入冬前浇筑的半成品及坝体成品混凝土的保护,控制大坝表面温度应力,防止大坝危害性裂缝的产生至关重要。1越冬保温设计要求大坝越冬顶面采取两层2 cm厚的聚乙烯保温被     

深覆盖层上面板堆石坝防渗墙应力变形分析

采用三维非线性有限元方法分析深覆盖层上面板堆石坝防渗墙应力变形特性,覆盖层和坝体材料的本构关系采用邓肯-张E-B模型,在防渗墙和覆盖层之间设置接触摩擦单元以模拟两者之间的相互作用。通过建立的有限元模型分析了坝体分期筑坝、坝体填筑速度以及防渗墙施工顺序对墙体应力变形特性的影响,同时探讨悬挂式防渗墙的应力变形特性。计算结果表明:坝体分期填筑对防渗墙的应力变形特性影响较小;较快的施工速度将引起坝体竣工期防渗墙较大的应力变形,其中拉应力达到3 MPa,顺河向变形达到15 cm;防渗墙靠后的施工顺序可以使运行期防渗墙拉应力减小2.42 MPa,顺河向变形减小达85%;悬挂式防渗墙贯入深度越小,其应力变形特性越趋于安全稳定。     

坝体与背管结构相百作用分析

基于李家峡坝体径向变位观测资料，用三维非线性有限元分析坝体与坝后背管结构的相互作用。结果表明：坝体变位使背管上弯段附近外包混凝土产生0．0～2．33MPa的轴向拉应力，使管腰产生0．2～3．1MPa的剪应力，使背管与坝体接缝面产生0．05～1．20MPa的剪应力；背管对坝体有很小的支撑作用，管内内水压力使坝体有向下游变形的趋势，但对坝体应力的影响不大。因此，坝体变位和管内内水压力分别是背管产生轴向拉应力和环向拉应力的主要因素。     

底孔坝段温度应力场仿真研究

针对坝身开孔后削弱了混凝土坝结构的整体性、孔口周围易产生应力集中并可能导致产生温度裂缝的问题,采用三维有限单元法对底孔坝段施工全过程进行温度应力场仿真研究,计算考虑了通水冷却、混凝土的水化热温升以及弹性模量等对底孔坝段温度和应力的影响,并对比分析了不同方案下坝体温度应力。结果表明:方案4(约束区Tp=18℃,非约束区Tp=22℃,通水冷却)在采取通水冷却和控制混凝土浇筑温度措施后,高程1 624.5~1 631.5 m范围内垫层常态混凝土最高温度为33.8℃,最大温度应力为1.50 MPa;高程1 626.5~1 646.5 m范围内碾压混凝土最高温度为26.8℃,最大温度应力为1.32 MPa;高程1 646.5~1 692.0 m范围内闸室以上常态混凝土最高温度为36.5℃,最大温度应力为1.45 MPa,从而坝段各区域的最高温度均小于允许最高温度,最大应力小于该工程的允许拉应力。研究成果为混凝土坝底孔坝段施工温度控制提供借鉴。     

龙滩重力坝三维仿真与劈头裂缝问题研究

龙滩重力坝通航坝段坝轴向长度达88m,下部设2条横缝,无纵缝,不进行接缝灌浆前的二期冷却,坝内温度下降极慢,因此上游面坝轴向应力很大,极易产生劈头裂缝。作者对该坝段施工过程进行了多种工况的温度场与应力场的三维仿真计算。计算结果表明,即使采取了一系列综合温控措施,无保温时,在年变化气温影响下,冬季仍会在上游表面引起2 0～2 2MPa的坝轴向拉应力,寒潮引起的拉应力在3 0MPa以上,二者叠加,可达5 0MPa以上,足以引起表面裂缝,蓄水后会扩展为较深的劈头裂缝。仿真结果表明,用4～5cm厚的苯板贴在上游表面,可将上游表面的拉应力控制在1 6MPa以内,有效地防止表面裂缝的产生,并因此而避免劈头裂缝的产生。     

堆石混凝土拱坝温度应力仿真及温控措施研究

为了研究堆石混凝土拱坝在有无温控措施条件下施工期和运行期温度应力分布的变化规律,围绕国内某一即将开工建设的堆石混凝土拱坝工程,设计了3种不同温控措施条件的工况,运用大型有限元分析软件SAPTIS,对堆石混凝土拱坝在不同工况下施工期和运行期的应力场和温度场进行了仿真分析,结果显示:在无温控措施条件下,坝体内部最大横河向拉应力达到2. 0MPa,存在开裂风险;在简易温控措施条件下,坝体内部最高温度为37℃,最大横河向拉应力为1. 45 MPa,满足温控防裂要求。由此可见,在堆石混凝土拱坝施工过程中,采用简单的温控措施即可满足温控防裂要求。     

严寒地区某高RCC重力坝温控设计与优化

针对严寒地区极端气候环境对高碾压混凝土重力坝温控防裂不利的问题,以兼顾安全可靠和保障施工进度、控制成本为原则,运用经过二次开发的ANSYS有限元计算程序对多个温控方案进行了仿真优化。结果表明:在无任何温控措施的情况下,混凝土最高温度达到42.3℃,采取水管冷却措施后,最高温度仍达到35.6℃,均超过了设计拟定的最高温度控制要求;选用较低的浇筑温度但不考虑水管冷却时,最高温度为33.8℃,仍不能满足要求。综合考虑浇筑温度和通水冷却后,混凝土最高温度分别为29.5℃和31.5℃,可满足温度控制要求。因此,建议坝体混凝土浇筑温度应不超过16℃并需通水冷却,施工中应采用2 cm厚保温被对仓面临时保温,越冬层顶面应覆盖至少14 cm厚保温被,坝体应采用10 cm厚XPS挤塑板永久保温。研究成果对严寒地区制定科学合理的大坝温控方案具有参考价值。     

拱坝坝后局部加固对大坝工作性态影响研究

为明确坝后局部加固体对拱坝工作性态的影响,应用结构多场仿真与非线性分析软件SAPTIS对50年后拱坝任意时刻温度场进行仿真模拟,研究了某拱坝无、有加固体情况下大坝在典型工况下的变形、应力差异和结合面状态。模型中,坝体和基础网格采用六面体网格,边界约束条件为地基底面、地基侧面以及上下游面加法向链杆约束,并考虑了正常水位和水库水温变化过程、气温变化过程、混凝土水化热、太阳辐射等影响。结果显示:在正常温降情况下,该大坝无加固体和有加固体时,向下游变形分别为23.1 mm和20.1 mm,差别为13%,在正常温升情况下,差别达20%;有加固体时,上游面边缘部位受拉区域范围增加,与下游加固体尺寸大致相同,但拉应力最大值明显减小,由1.3 MPa减小为0.9 MPa。结果表明:大坝与加固体结合面普遍处于压剪状态,上部边缘区域应力集中现象明显,内部应力较小;坝后局部加固体增大了坝体刚度、减小了大坝向下游变形、改变了坝体应力分布规律,使得应力分布更均匀化,对大坝工作性态有一定改善作用。     

大体积混凝土结构表面保温措施工程实例分析

为了避免某水电站坝体在施工和蓄水运行过程中因温度应力超过混凝土抗拉强度而产生裂缝,结合该大坝的实际工程情况,将大型商业有限元软件ANSYS与三维有限元温控主体程序RCTS相结合,对该水电站坝体在坝轴线方向横缝之间的整个坝段施工期和运行期的温度场、温度应力进行了仿真计算。计算结果表明：坝体基础常态混凝土垫层部位在外温变化及基岩约束双重作用下,出现了较大的拉应力。混凝土表面铺设保温板后,减小了外界温度对混凝土的影响,垫层部位的最大应力有所降低。可见,混凝土表面铺设保温板是降低温度应力的有效措施。     

土卡河水电站厂房坝段应力应变研究

采用数值模拟方法,对土卡河水电站厂房坝段整体混凝土结构及重点部位(进水口、蜗壳、尾水管)和大坝基础进行了应力应变研究.结果表明:坝顶向下游最大位移1 250cm,坝顶最大沉降1 128cm;地震工况下坝趾出现-0 818MPa的拉应力,坝踵在工况6下出现拉应力;蓄水工况下,进水口底部、蜗壳底部、尾水孔周边均存在极值约为-0 5MPa的拉应力.     

叶巴滩堆石混凝土二道坝温度应力仿真分析及温控措施研究

对位于高海拔地区的叶巴滩堆石混凝土二道坝工程开展全坝段温度应力仿真分析,重点研究大坝横缝分缝措施和混凝土表面保温措施对坝体温度应力的影响。结果表明：结构分缝措施可以降低坝体内部拉应力,设置1条横缝即可有效控制坝体内部高拉应力区范围,并使应力极值降低约0.8 MPa;混凝土表面保温措施可在秋冬季节显著降低大坝表层混凝土温降幅度,减小表层温度应力水平,使应力极值降低约0.6 MPa;叶巴滩二道坝设置1条横缝并采取表面保温可满足施工期温控要求。     

基于应变能的拱坝体型优化设计

考虑静力荷载作用下双曲拱坝的安全性，对最大主拉应力、拉应力区范围、整体安全度和抗屈折稳定等安全指标进行了综合分析。提出以坝体应变能指标作为拱坝体型优化的安全目标函数，建立拱坝体型优化设计模型并采用进化策略进行求解。以白鹤滩拱坝为例，优化体型与初始体型相比，体积方量减少1.58万m3，坝体应变能、最大主拉应力、最大主压应力以及位移等结构响应量都得到了降低，优化效果明显。     

坝体变位和内水压力对坝后背管结构应力的影响

用三维接触单元模拟背管与坝体接触面，分析坝体变形和内水压力对李家峡坝后背管结构应力的影响。坝体变位对背管结构轴向应力的影响表现为上部为拉应力下部为压应力，并且拉应力由背管的上弯段向下弯段逐渐减小，部分轴向拉应力值大于混凝土设计抗拉强度；背管内水压力对背管结构环向应力的影响表现为环向拉应力，并且管腰外缘和管顶内缘混凝土环向拉应力是混凝土设计抗拉强度的2．4倍。根据应力的大小分布可以确定，坝体变形是背管产生较大轴向拉应力的主要因素，是产生环向拉应力的次要因素；内水压力是使背管产生较大环向拉应力的主要因素，是产生轴向拉应力的次要因素。