严寒地区碾压混凝土重力坝越冬层面混凝土防裂措施研究

摘要

我国西北与东北大部分地区最冷月平均气温低于-10.0℃，属严寒地区。由于碾压混凝土坝具有施工速度快、造价低等优点，在严寒地区也是非常有竞争力的坝型。严寒地区碾压混凝土坝的施工与气候温和地区相比较，最大的区别在于其施工期一般为每年的4月份～10月份，10月底至翌年4月初由于外界气温太低，不适宜浇筑混凝土，越冬层面须间歇5个月之久。由于上、下层混凝土的大温差及下部混凝土对上部混凝土的强约束，致使坝体越冬层上、下游面易出现水平裂缝。如何有效防止和减少越冬层面水平裂缝的产生是严寒地区修建碾压混凝土重力坝面临的严峻课题。本文主要进行了以下研究工作：
　　 (1)针对我国在严寒地区已建碾压混凝土重力坝越冬层面出现水平裂缝这一工程实际问题，分析了越冬层面水平裂缝出现的原因，并提出改善越冬层面混凝土温度应力的措施。
　　 (2)根据热传导理论及有限元方法建立温度场与温度应力场有限元计算方程；在大型商业有限元计算软件ANSYS平台上，运用APDL语言编制计算碾压混凝土重力坝温度场与温度徐变应力场的有限元计算程序，并对严寒地区某碾压混凝土重力坝进行施工期及运行期全过程的仿真计算分析，得出越冬层面温度应力的一般规律。
　　 (3)在充分分析现有表面保温数值模拟计算方法的基础上，提出基于热-结构耦合壳单元的大体积混凝土表面保温计算方法，并对严寒地区某碾压混凝土重力坝表面及越冬层面的保温进行仿真计算，得出表面保温对碾压混凝土表面及越冬层面的影响效应；采用升温水管来缩小越冬层面上、下层碾压混凝土的温差，减小越冬层面混凝土的温度应力，并运用热流管法计算升温水管的升温效果；在越冬层面一定高程内采用微膨胀混凝土，利用微膨胀混凝土的延迟微膨胀性来补偿越冬层面上部混凝土收缩变形受下部强约束而产生的应力，分析得出微膨胀混凝土对严寒地区碾压混凝土重力坝越冬层面应力改善的效应；在越冬层面上、下游侧设置水平人工短缝，采用接触单元模拟人工短缝的特性，得出人工短缝对严寒地区碾压混凝土重力坝越冬层面温度应力的释放效应。
　　 (4)利用VB与Surfer之间的无缝链接技术，编制有限元等值线图批处理可视化程序，实现等值线图的批量自动绘制，迅速获取有限元计算的直观结果，对计算结果的正确性做出快速、准确的判断和决策。
　　 本论文的研究成果为有效解决严寒地区碾压混凝土重力坝越冬层面易出现温度裂缝提供了有力的支撑，也为严寒地区碾压混凝土坝温度控制的进一步研究提供参考。