碾压混凝土重力坝整体三维仿真分析

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1、科研与管理水利规划与设计2011年第3期碾压混凝土重力坝整体三维仿真分析吕文丽(广东省水利水电科学研究院广州510610)【摘要】本文运用有限单元法对光照碾压混凝土重力坝进行施工、蓄水及运行全过程的温度、应力应变综合仿真分析，得出了温度场、位移场、应力场的分布规律。文中还对坝体／坝基系统进行了全程综合仿真分析与传统不仿真分析，并将两种方案结果进行对比，为工程设计和施工提供依据。同时也为在狭窄河谷地区建造200m级高的碾压混凝土坝提供可靠的理论和实践经验。【关键词】碾压混凝土重力坝温度应力应变全程综合仿真分析【中图分类号】TV222．1【文献

2、标识码】B【文章编号】1672—2469(2011)03一O04O—O5【D0I编码】10．3969／j．issn．1672—2469．2011．03．0131引言1计算原理与分析方法据对国内外已建碾压混凝土坝的运行观测，总2．1温度场计算的基本原理[体来说碾压混凝土筑坝技术是成功的，但己运行的根据热传导理论，三维非稳定温度场应满足一部分坝中出现较多裂缝，如加拿大的Revel—下列偏微分方程：stoke、美国的Dworshak以及中国的水东等大坝，苦一等+十等+十筹+十相继出现裂缝和漏水。这不仅影响了大坝的安全运式中：T——温度(℃)；行，

3、而且使人们对碾压混凝土坝的筑坝技术产生疑a——导温系数，口一／印，单位(m／h)；虑，因而引起国际坝工界的高度重视[1]。Q——由于水化热作用，单位时间内单位体碾压混凝土坝产生裂缝的主要原因是在受约束积中发出的热量，(kJ／m。·h)；条件下，温度拉应力超过了混凝土的允许拉伸变形C——混凝土比热，(kJ／kg·℃)；能力从而导致开裂。为了寻找裂缝的形成、发展和p——密度，(kg／m。)；扩展的规律，在设计阶段必须进行温度场及应力场r——时间，(h)。仿真分析。由于施工过程中的温度变化对碾压混凝2．2徐变应力计算的基本公式[4]土坝的应力状态

4、有重要影响，随着碾压混凝土坝高由于弹模E和徐变度都随时间而变化，不能的不断增加，这种影响会越来越大。且现在在建、采用常规的方法，可以采用增量法计算，把时间拟建的碾压混凝土坝绝大多数是碾压混凝土重力坝，划分为一系列时段(一1，2⋯⋯)。在时段因此，碾压混凝土重力坝成层浇筑过程中的温度场内产生的应变增量为：及应力场的仿真计算就成为一个重要研究课题。{△￡}一{△e}+{△e)+{△￡)+{△￡}+We)本文运用有限单元法对光照碾压混凝土重力坝式中：{△e)、{Ae}、{△e)、{△￡}、{△￡)分进行施工、蓄水及运行全过程的温度、应力应变综别为

5、弹性、徐变、温度、自生体积、干缩应变增量；合仿真分析，得出了温度场、位移场、应力场的分应力增量和应变增量关系为：布规律。还对坝体／坝基系统进行了全程综合仿真分析与传统不仿真分析，并将两种方案结果进行对作者简介：吕文丽(1982年一)，女，汉族，河南人，硕士研比，为工程设计和施工提供依据。究生。·40‘科研与管理水利规划与设计20I1年第3期3．2施工过程和蓄水过程{△}一[D]({△e}一{△刁)十{△￡}本方案将趾槽部分(即550m高程到555m高+{△￡+{A￡})程)作为一个浇筑层，开始施工时间为2005年12计算的平衡方程为：月25

6、日，从2006年2月6日开始555m高程以上[K]{△)一{△P}+{△P)+{△P}+的浇筑施工。碾压混凝土坝一般采用通仓薄层浇{△P}+{AP}筑，坝体浇筑浇筑过程按下述原则简化：以溢流坝其中：[K]为整体刚度矩阵；{△P)、段为基准，同时考虑陡坡、底孔两个坝段，根据施{△P、{△P}、{△P}、{△P}分别为外载工进度表，原则上按3m一个浇筑层。荷、徐变、温度、自身体积变形和干缩引起的结点根据关键点的温度监测值，反演影响温度场的载荷增量。主要参数，即浇筑温度、通水温度、通水时间等。在计算应力时，将求得的节点温度作为载荷，一期通水冷却和

7、二期通水冷却按分段函数模拟。一同时考虑徐变的影响，根据混凝土实际的浇筑情况期冷却中，采用等效法计算，把冷却水管看成内部设置荷载步，读取相应的温度荷载，徐变度的拟合热源，在平均意义上考虑水管的冷却效果。其中在公式为：处理有热源的水管冷却问题时，混凝土的绝热温升C(t，r)一(z1+,272Z．-x3)[1一e-X4]公式采用双曲线型。进行坝体二期冷却时，水泥水+(5+z6r却)[1一e-X8]化热已基本散发完毕，可以看成一个初温均匀分其中：z，517，⋯⋯517是8个待定的参数，由布、无热源的温度场进行分析，只考虑水管冷却作于参数比较多，如何

8、根据试验资料来确定这些参用计算的混凝土平均温度作为绝热温升。数，是混凝土徐变问题中的一个难点。这样就涉及蓄水计划严格按照设计院给定的《水库蓄水进到多参数的曲线拟合问题，求解方法有