黎满林;潘燕芳;王超;井向阳
【摘 要】大坝设计时，由于陡坡坝段体形相对较差，且受基岩及相邻坝段约束较强，若分缝形式不合理，将产生过大的局部拉应力，给坝体混凝土带来开裂风险。为改善陡坡坝段的应力状态，以大岗山拱坝为例，根据拱坝温度边界条件，采用有限单元法模拟混凝土浇筑过程，对陡坡坝段不同的分缝形式进行了应力仿真分析。结果表明，大岗山拱坝陡坡坝段采用斜缝的分缝形式是合适的，能有效改善坝体应力分布、减少应力集中、提高拱坝抗裂安全度。%Due to the relative poor configuration and the stronger constraint from bedrock and adjacent dam monoliths, the ex-cessive tensile stress would occur in the steep slope section of an arch dam. If the monolith jointing type is not reasonable, it will bring the risk of concrete cracking. In order to improve the stress state of the dam, the concrete pouring process is simulated ac-cording to the temperature boundary condition of Dagangshan arch dam. The finite element method is used to simulate and the structural stress of the different monolith jointing types in the steep slope. The results show that the diagonal jointing type in steep slope section of Dagangshan arch dam is reasonable, which can improve the stress distribution, reduce stress concentration and increase global safety of the arch dam. 【期刊名称】《人民长江》 【年(卷),期】2014(000)022 【总页数】4页(P58-61)
【关键词】陡坡坝段;并缝形式;有限单元法;温度应力;大岗山拱坝 【作 者】黎满林;潘燕芳;王超;井向阳
【作者单位】中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都610072;中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都610072;中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都610072;中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都610072 【正文语种】中 文 【中图分类】TV43
拱坝是一种复杂的超静定结构，除了坝顶为自由边界外，其它三面均受到基岩的约束[1-2]。同时，由于拱坝相对单薄，外界水温、气温因素对坝体内部温度变化影响较大。因此，外界温度变化将使坝体内部产生较大的温度应力。
当温度变化产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度时，便出现裂缝。陡坡坝段是高拱坝体形相对较差的部位，且受到基岩及相邻坝段的约束较强，在混凝土温度应力以及干缩变形的作用下，极易导致坝肩与陡坡相接触的区域出现应力集中，进而产生危害性裂缝。
大岗山水电站最大坝高210 m，拱冠梁顶厚10.00 m、底厚52.00 m，厚高比0.248，弧高比3.026。
坝体混凝土主要分为A、B、C三区，各区混凝土标号分别为C18036、C18030、C18025。横缝形式为“一刀切”的铅直平面，在拱坝中设置28条横缝，将大坝分为29个坝段，横缝间距约为22 m。拱坝分区上游立视图见图1。 其中左岸1～5号坝段、右岸27～29号坝段为陡坡坝段。
本文采用三维有限单元法，对大岗山拱坝陡坡坝段不同的分缝形式进行应力仿真分
析，从而确定合理的分缝形式，进而提高大坝的抗裂安全度。
《混凝土拱坝设计规范》规定[3]，施工期温度应力的控制按下式确定：
式中，σ为各种温差所产生的温度应力之和；εp为混凝土极限拉伸值；EC为混凝土弹性模量；Kf为安全系数，大岗山拱坝工程取为1.8。 2.1 温度场计算原理
在混凝土施工期，由于水泥水化热的作用，混凝土的温度将随时间延伸而变化。根据热平衡原理[4-5]，这种不稳定温度场T(x,y,z,t)满足
式中,α=为混凝土导温系数；θ为混凝土绝热温升；λ为混凝土导热系数；c为混凝土比热；ρ为混凝土密度;τ，T分别为任意时刻和温度。 温度场的边界条件主要分以下3种情况：
(1) 第一类边界条件。已知边界S上的温度分布满足 (2) 第二类边界条件。已知边界S上的热流密度满足 其中，n为S外法向。
(3) 第三类边界条件。已知边界S上的对流条件符合
式中，Φ，φ为已知函数，h为表面对流系数，T0为环境温度。 2.2 温度应力计算原理
取混凝土为线弹性徐变体，将计算域离散为若干单元，则温度应力计算的基本方程为[6]
[K]{△δ}={△Pn}L+{△Pn}C+{△Pn}T+{△Pn}O+{△Pn}S
式中，[K]为刚度矩阵；{△Pn}L为外荷载引起的节点荷载增量，计算温度应力时可不考虑其他荷载；{△Pn}C为徐变引起的节点荷载增量；{△Pn}T为变温引起的节点荷载增量；{△Pn}O为混凝土自生体积变形引起的节点荷载增量；{△Pn}S为混凝土干缩引起的节点荷载增量。 3.1 计算模形及参数
以1，2，3号陡坡坝段为代表，考虑混凝土温控措施，采用三维有限元对温度应力进行仿真分析。根据2，3号坝段之间不同分缝形式进行应力分析，确定陡坡坝段的并缝形式。陡坡坝段有限元网格及特征点位置示意见图2。 1～3号坝段为A区混凝土，其主要参数见表1。
主要温控措施为，浇筑层厚度3.0 m，浇筑温度不大于12℃，间歇期为5～7 d。 冷却水管间距1.0 m×1.5 m(水平×垂直)。一期冷却时间不小于21 d，通水水温12℃～15℃，最大日降温速率应不大于0.5℃/d。中期冷却至混凝土龄期90 d以上，通水水温14℃～16℃，最大日降温速率应不大于0.2℃/d。二期冷却为混凝土龄期不小于90 d，冷却至封拱温度，冷却时间不小于30 d，通水水温为8℃～10℃，最大日降温速率应不大于0.3℃/d。 3.2 计算工况
根据拱坝体形，结合现场施工，初拟3种不同的并缝形式： (1) 工况1,不并缝；
(2) 工况2,采用斜缝,见图3； (3) 工况3,采用斜折缝，见图4。 3.3 计算成果及分析 3.3.1 温度场计算成果
模拟混凝土浇筑施工过程、气温等边界条件，计算得到的各工况施工期最大温度包络云图见图5，各中心典型区域温度历程曲线表明：① 各种工况下的施工期温度场是一致的，其高温区域主要分布于3号坝段底部，该部位于高温季节进行混凝土浇筑施工，其最高温度约为26℃；② 最高温度与混凝土浇筑时气温成明显的相关性。
3.3.2 应力计算成果
各种工况下施工期第一主应力包络图见图6～8，内部最大主应力成果见表2。
由计算结果可以看出：
(1) 工况1(不并缝)方案。混凝土内部最大拉应力达到约1.63 MPa，发生在二期通水结束后，小于混凝土相应龄期容许抗拉强度值。但由于未分缝浇筑，浇筑块尺寸较大，约束较为强烈，靠近坝肩处应力集中较为显著，特别是坝段顶部靠近坝肩处存在较大范围应力集中现象明显，有的区域达到了2.0 MPa。
(2) 并缝(工况2、工况3)。混凝土内部最大拉应力相对工况1有所减小，且靠近坝肩的拉应力集中区域明显小于工况1，说明并缝有利于改善混凝土的内部应力，提高混凝土抗裂安全度。
(3) 就两种并缝形式来说，工况2的混凝土内部最大主拉应力略小于工况3，且工况2横缝与坝肩接触部位附近应力集中区域小于工况3。工况2混凝土内部最大主拉应力为1.38 MPa，工况3混凝土内部最大主拉应力为1.46 MPa，都发生在二期通水结束后。
总体说来，陡坡坝段采用斜缝(工况2)的并缝形式，有利于改善坝体应力条件，提高混凝土抗裂安全度。
高拱坝陡坡坝段应力集中问题，是拱坝温控防裂的重点。本文根据大岗山拱坝温度边界条件，以1～3号陡坡坝段为代表，模拟混凝土浇筑过程，采用有限单元法，对陡坡坝段不同分缝形式的温度应力进行仿真分析。计算结果表明，大岗山拱坝陡坡坝段采用斜缝(工况2)的并缝形式，能够有效地改善坝体应力、减少应力集中、提高拱坝的抗裂安全度。
Abstract: Due to the relative poor configuration and the stronger
constraint from bedrock and adjacent dam monoliths, the excessive tensile stress would occur in the steep slope section of an arch dam. If the monolith jointing type is not reasonable, it will bring the risk of concrete
cracking. In order to improve the stress state of the dam, the concrete pouring process is simulated according to the temperature boundary condition of Dagangshan arch dam. The finite element method is used to simulate and the structural stress of the different monolith jointing types in the steep slope. The results show that the diagonal jointing type in steep slope section of Dagangshan arch dam is reasonable, which can improve the stress distribution, reduce stress concentration and increase global safety of the arch dam.
Key words: steep slope section; jointing type; FEM; temperature stress; Dagangshan arch dam 【相关文献】
[1] 朱伯芳，高季章，陈祖煜,等.拱坝设计与研究[M].北京：中国水利水电出版社，2002. [2] 任灏，李同春，陈会芳，等.考虑温度作用的高拱坝陡坡坝段分缝设置研究[J].水电能源科学，2007,25(5):73-77.
[3] 中华人民共和国水利行业标准. SL282-2003混凝土拱坝设计规范[S].北京：中国电力出版社，2003.
[4] 朱伯芳.考虑水管冷却效果的混凝土等效热传导方程[J].水利学报,1991，(3)：28-34. [5] 朱伯芳.多层混凝土结构仿真应力分析的并层算法[J].水力发电学报,1994,(3):19-27. [6] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社，1999.
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