CN102808395A

CN102808395A - 特高拱坝悬臂高度的个性化控制方法

Info

Publication number: CN102808395A
Application number: CN2012103014789A
Authority: CN
Inventors: 李庆斌; 林鹏; 管俊峰; 胡昱; 周绍武; 李炳峰; 李仁江
Original assignee: Tsinghua University; China Three Gorges Corp
Current assignee: Tsinghua University; China Three Gorges Corp
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2032-08-22
Also published as: CN102808395B

Abstract

特高拱坝悬臂高度个性化控制方法，涉及一种利用三维数值方法求解指导，并配合实际施工要求，以对混凝土拱坝悬臂高度进行个性化控制的方法。本发明在现有技术的基础上，进一步考虑了不同拱坝、同一拱坝的不同坝段、同一坝段的不同高程的自身个性特点，通过三维有限元方法，实现了对特高拱坝悬臂高度个性化的控制。该种控制方法有利于优化施工进度，从而进一步缩短高坝施工工期，按计划实现坝体挡水渡汛及预期发电等关键目标。

Description

特高拱坝悬臂高度的个性化控制方法

技术领域

本发明涉及一种水工结构中特高拱坝的悬臂高度控制方法，特别是涉及特高拱坝悬臂高度的个性化控制分析方法。

背景技术

目前，在我国西南部地区，多座300m级特高混凝土拱坝正在蓬勃兴建中，由此也带来了诸多亟待解决的新问题。其中，施工期悬臂高度控制就成为特高拱坝建设中重点关注的问题之一。

在高拱坝施工期，相邻坝段一般设置若干横缝，将坝体分割成柱状浇筑块，当坝体冷却至规定温度后进行接缝灌浆，从而使大坝形成整体。在横缝未接缝灌浆前，单坝段浇筑块的受力状态如同悬臂梁。随着坝体不断浇筑上升，未接缝灌浆高度超过一定值后，在坝体已接缝灌浆处或者基础部位即相当于悬臂梁的根部处，受倒悬坝体自重荷载作用可能产生拉应力，且应力值有超过大坝应力设计值的可能性。

现今国内混凝土拱坝设计规范中，都还未有明确条文规定、或者分项给出适用于不同特点及类型的特高拱坝的悬臂高度控制允许值。目前，在各个特高拱坝的实际施工控制方案中，设计单位对于各种不同特点的特高拱坝、各不同拱坝的不同坝段以及不同灌区，大都采用统一的、单一允许悬臂高度控制值的思路，而在特高拱坝实际施工过程中，由于不同形式拱坝、同一拱坝的不同坝段、同一坝段的不同高程相对应的混凝土都具有其自身个性特点，其浇筑形象、浇筑时间、温度变化、冷却条件等不同，导致各个不同拱坝的各个单个坝段的受力状态不尽相同，若采用统一值进行全部坝段的悬臂高度控制，势必会影响全坝的施工进程。所以，在特高拱坝施工期，实行个性化的悬臂高度控制则更具工程意义及科学意义。

对于施工期的特高拱坝分坝段分高程的个性化悬臂高度控制，目前国内外研究都未涉及。实现个性化悬臂高度控制，并使其在实践中进一步得到检验，对丰富特高坝设计理论及施工方法，就具有重要的工程意义。

本发明从加快施工进度、优化施工工序、实现精细化控制施工的目标出发，结合工程实际情况，提出特高拱坝悬臂高度个性化控制的概念。即在特高拱坝施工期，鉴于不同拱坝、同一拱坝的不同坝段、同一坝段的不同高程的自身个性特点，实行分坝段分高程的个性化的悬臂高度允许值控制指标。

发明内容

本发明的目的在于根据不同拱坝、同一拱坝的不同坝段、同一坝段的不同高程的自身个性特点，实行分坝段分高程的个性化的悬臂高度允许值控制方法。

分坝段分高程个性化悬臂高度控制方法，所述方法包括：

（1）、对于每个不同的坝段i，按不同接缝灌浆进程n分成不同工况stepⁱ _j；

（2）、对于每个工况stepⁱ _j，通过单元生死技术模拟每仓混凝土不断上升至大坝封拱高度的过程，期间不考虑接缝灌浆，即从第n灌区已接缝灌浆开始浇筑到拱坝顶部，单坝段都为悬臂结构；

（3）、按不同应力控制标准或取定不同抗裂安全系数，得到该坝段该高程情况下的悬臂高度允许值；

（4）、重复以上步奏，就可得到不同坝段、不同高程情况下的悬臂高度允许值；

其中i=1，m；m为坝段号，i和m都为自然数；

n代表该灌区及其以下已完成接缝灌浆，n≥1，n为自然数；

j＝1，n；j为自然数。

本发明采用数值方法，特别是三维有限元方法，根据拟定的特高拱坝施工组织方案，模拟每仓混凝土浇筑过程中的温度应力荷载、自重荷载、自生体积变形荷载、徐变荷载等的逐步叠加作用。为实现分坝段分高程个性化悬臂高度控制的分析，对于每个不同的坝段，按不同接缝灌浆进程分成不同工况。对于每个工况，通过单元生死技术模拟每仓混凝土不断上升至大坝封拱高度的过程，期间不考虑接缝灌浆，即从第n(n≥1)灌区已接缝灌浆开始浇筑到拱坝顶部，单坝段都为悬臂结构。当给定某一应力控制标准后，就可对应得到该坝段该高程情况下的悬臂高度允许值。重复以上步奏，就可得到不同坝段、不同高程情况下的悬臂高度控制值。

仿真计算采用通用大型非线性计算程序MSC.Marc，采用Fortran语言对其热力学接口进行二次开发，编制了考虑双层水管冷却效果的温度场模拟子程序。应力仿真考虑弹性模量随时间的增长和徐变。坝体周围地基部分采用三向固定约束；为简化计算，接缝灌浆后坝体横缝面近似按水平约束处理。

（1）混凝土绝热温升

采用指数型经验公式计算混凝土的绝热温升:

T＝θ₀×(1-e^-mt) （1）

式中：t为混凝土龄期（d）；θ₀为混凝土的最终绝热温升值（℃）；T表示龄期t天时混凝土的绝热温升值（℃）；m表示混凝土的水化热放热系数。混凝土及基岩的热力学相关参数的取值见表1。

表1混凝土及基岩的热力学参数取值

（2）混凝土弹模

考虑混凝土弹性模量随龄期的变化，本文采用指数型式表达:

E=E₀×(1-e^-at) （2）

式中：E₀表示混凝土的最终弹性模量（MPa）；a表示弹模增长的速率参数,a=0.1；E表示龄期t天时混凝土的弹性模量值（MPa）。相关参数的取值见表1。

（3）混凝土徐变度

式中：C（t，τ）为混凝土徐变度，即单位应力作用下产生的徐变，量纲为MPa^-1；τ表示加载时间（d）；式中的经验系数取值为：C₀=1.0，A₀=5.646041，A₁=53.869246，A₂=0.985990，M₁=0.008490，B₀=-1.319011，B₁=35.021473，B₂=0.437025，M₂=0.561298，D=15.819124，M₃=0.056881。

采用本专利所提悬臂高度个性化控制方法对建设期的特高拱坝进行分析时，基于大坝的实际施工情况进行预测仿真，即完成接缝灌浆区域整体考虑、未完成部分按悬臂梁考虑。选取拟浇筑坝段中的典型坝段分别单独仿真计算。

为更加直观和方便确定不同坝段在不同应力控制标准情况下的悬臂高度控制值，可分别给出各个不同坝段在不同灌浆高程下的最大主应力极值在不同悬臂高度时对应的应力分布规律，从而实现不同条件下分坝段分高程的悬臂高度控制值的快速确定。有限元仿真计算中，可按以下方法考虑大坝混凝土的允许拉应力值：（1）应力控制法、（2）抗裂安全系数法。根据本发明所提悬臂高度个性化控制方法，按不同应力控制标准或取定不同应力安全系数，就可由拱坝的不同坝段不同灌区灌浆后不同悬臂高度对应的最大主应力极值图表查到相应的悬臂高度控制值。

本发明的优点与效果是：

1．相比于传统的设计方法，施工期各坝段浇筑不再拘泥于统一悬臂高度的控制，实现了悬臂高度个性化控制方案。

2．基于不同坝段不同高程浇筑计划的个性化安排，可大大节约特高拱坝全坝段的工期，加快了工程整体的施工进度。

3．可实现工程整体中各个坝体通水冷却时间设计、横缝接缝灌浆进度、导流孔口施工、汛期挡水等一系列其他施工期重点问题的工序优化。

附图说明

（1）图1为悬臂高度个性化控制分析方法的流程图。

图中：i代表对于每个不同的坝段；m代表坝段号；n代表第n灌区及n灌区以下已完成接缝灌浆；stepⁱ _j代表不同工况(j=1，n)。

（2）图2为典型拱坝的某一典型坝段不同灌区灌浆后不同悬臂高度对应的最大主应力极值。

（3）图3为采用本专利方法得到的某典型拱坝个性化悬臂高度控制值分布示意图。

具体实施方式

本发明在现有技术的基础上，进一步考虑了不同拱坝、同一拱坝的不同坝段、同一坝段的不同高程的自身个性特点，通过三维有限元方法，实现了对特高拱坝悬臂高度个性化的控制。具体方式可按如下步骤实施（如图1）：

（1）为实现分坝段分高程个性化悬臂高度控制的分析，对于某一特高拱坝，其每个不同的坝段i(i=1，m,m为坝段号)，按不同接缝灌浆进程n(n代表该灌区及其以下已完成接缝灌浆)分成不同工况stepⁱ _j(j=1，n)。

（2）对于每个工况stepⁱ _j，采用三维有限元方法，根据拟定的特高拱坝施工组织方案，模拟每仓混凝土浇筑过程中的温度应力荷载、自重荷载、自生体积变形荷载、徐变荷载等的逐步叠加作用。通过单元生死技术模拟每仓混凝土不断上升至大坝封拱高度的过程，期间不考虑接缝灌浆，即从第n(n≥1)灌区已接缝灌浆开始浇筑到拱坝顶部，单坝段都为悬臂结构。

（3）按不同应力控制标准（SL 282-2003.混凝土拱坝设计规范[S].北京：中华人民共和国水利部，2003；DL/T5346-2006.混凝土拱坝设计规范[S].北京：中华人民共和国国家发展改革委员会，2006）或取定不同应力安全系数（朱伯芳.论混凝土坝抗裂安全系数[J].水利水电技术，2005，36(7):33-37；朱伯芳.混凝土坝温度控制与防止裂缝的现状与展望[J].水利学报，2006，37(12):1424-1432），可由附图2查到相应的该坝段该高程情况下悬臂高度允许值。即可得到该坝段该高程情况下的悬臂高度允许值hⁱ _j。

（4）重复以上步骤，就可得到不同坝段、不同高程情况下的悬臂高度控制值。

（5）为更加直观和方便确定不同坝段在不同应力控制标准情况下的悬臂高度控制值，可分别给出各个不同坝段在不同灌浆高程下的最大主应力极值在不同悬臂高度时对应的应力分布规律，从而实现不同条件下分坝段分高程的悬臂高度控制值的快速确定。

采用上述的仿真计算，可以对某典型拱坝个性化悬臂高度进行控制计算。计算模型相关信息见下表。

图2为典型拱坝的16＃（无孔口）坝段不同灌区灌浆后不同悬臂高度对应的最大主应力极值。

以应力控制标准值为1.5MPa为例，可以仿真出某特高拱坝个性化悬臂高度控制值的分布示意图（图3）。图3中部白色区域为底孔区域；数值的位置代表该灌区灌浆后的大坝混凝土浇筑上升的允许悬臂高度控制值，单位为m。仿真计算结果可以看出：该拱坝各坝段的悬臂高度控制值并没有明显的规律可循，呈现个性化的特点，进一步证明了本专利所提个性化悬臂高度控制的实际工程意义。对于相类似的特高拱坝工程，也应采用本发明所提的悬臂高度个性化控制分析方法，研究得到大坝不同部位的悬臂高度控制值。

实际施工过程中，可以根据图3的控制方案进行施工。

Claims

1.一种分坝段分高程个性化悬臂高度控制方法，所述方法包括：

（4）、重复以上步骤，得到不同坝段、不同高程情况下的悬臂高度允许值；

其中i=1，m；m为坝段号；

n代表该灌区及其以下已完成接缝灌浆，n≥1；

j＝1，n。

2.根据权利要求1所述的方法，步骤（3）采用的方法如下：

根据不同坝段不同灌区灌浆后的悬臂高度与最大主应力极值的关系，按不同应力控制标准或取定不同应力安全系数，查到相应的该坝段该高程悬臂高度允许值。

3.根据权利要求2所述的方法，采用三维有限元方法，根据拱坝施工组织方案，模拟拱坝的每仓混凝土浇筑过程中的包括温度应力荷载、自重荷载、自生体积变形荷载和徐变荷载的逐步叠加作用，根据三维有限元计算结果，给出不同坝段不同灌区灌浆后的悬臂高度与最大主应力极值的关系。

4.根据权利要求3所述的方法，模拟方法为：

模拟计算采用通用大型非线性计算程序MSC.Marc，采用Fortran语言对其热力学接口进行二次开发，编制考虑双层水管冷却效果的温度场模拟子程序，应力模拟考虑弹性模量随时间的增长和徐变，坝体周围地基部分采用三向固定约束，接缝灌浆后坝体横缝面近似按水平约束处理；

（1）混凝土绝热温升

采用指数型经验公式计算混凝土的绝热温升:

T=θ₀×(1-e^-mt)

式中：t为混凝土龄期，单位d；θ₀为混凝土的最终绝热温升值，单位℃；T表示龄期t天时混凝土的绝热温升值，单位℃；m表示混凝土的水化热放热系数；

（2）混凝土弹模

考虑混凝土弹性模量随龄期的变化，采用指数型式表达:

E=E₀×(1-e^-at)

式中：E₀表示混凝土的最终弹性模量，单位MPa；a表示弹模增长的速率参数，a＝0.1；E表示龄期t天时混凝土的弹性模量值，单位MPa；

（3）混凝土徐变度

式中：C（t，τ）为混凝土徐变度，即单位应力作用下产生的徐变，单位MPa^-1；τ表示加载时间，单位d；式中的经验系数取值为：C₀=1.0，A₀=5.646041，A₁=53.869246，A₂=0.985990，M₁=0.008490，B₀=-1.319011，B₁=35.021473，B₂=0.437025，M₂=0.561298，D=15.819124，M₃=0.056881。

5.根据权利要求3或4所述的方法，完成接缝灌浆区域按整体考虑，未完成部分按悬臂梁考虑。