一种考虑拱向应力控制指标的高拱坝浇筑封拱调控方法与流程

1.本发明涉及大坝安全控制技术领域，更具体地说它是一种考虑拱向应力控制指标的高拱坝浇筑封拱调控方法。


背景技术：

2.拱坝是三维超静定的空间壳体结构，它将水压力、泥沙压力等外力一部分通过拱的作用传到两岸岩体，另一部分通过悬臂梁的作用传给底部基础，由两岸岩体的支撑和混凝土的抗压强度来维持拱坝的稳定和安全。
3.拱坝一般不作永久性的结构分缝，但根据混凝土施工强度和混凝土温度特性，坝体要分成许多坝块施工，各块间设横缝，待坝体温度冷却至稳定温度时，采用接缝灌浆技术将其连接为整体，对拱坝进行封拱。
4.高拱坝(拱坝高度超200米)混凝土浇筑量大，施工往往要持续几年，由于温控及施工强度等条件限制，坝体封拱不能一次到顶，而是分高程分阶段分批进行；横缝未接缝灌浆前，各坝段受力状态如同悬臂梁，随着浇筑高度上升，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，受倒悬坝体自重荷载作用可能产生拉应力，悬臂坝体下部已封拱部位应力也会受上部坝体自重的影响，施工期已封拱坝体拉应力可能随上部坝体浇筑过程增长。拱坝全过程施工中，设计人员对未封拱独立坝段以及已封拱部位主拉应力是否超过规范量值比较关注，但对于已封拱部位拱向应力关注不够，若现场施工组织不力或设计参数取值不合理，很有可能出现部分横缝灌浆后出现二次张开现象，相应部位拱的作用削弱，从而可能导致坝趾开裂，进而影响大坝安全；同时，坝体混凝土浇筑进度不均衡、高悬臂现象突出等问题普遍存在，拱坝在施工期还会出现未完建坝体为满足安全度汛等需要而提前挡水的情况，对封拱过程的灵活性提出了更高的要求。
5.因此，研发一种考虑拱向应力控制指标的高拱坝浇筑封拱调控方法很有必要。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足之处，而提供一种考虑拱向应力控制指标的高拱坝浇筑封拱调控方法。
7.为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种考虑拱向应力控制指标的高拱坝浇筑封拱调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.建立拱坝的整体三维有限元模型，其中坝体采用实体单元，横缝采用界面单元；
9.根据实际浇筑方案，划分对应坝段和浇筑层，坝段的编号为j，j＝1,2...m；通过生死单元技术模拟大坝的浇筑上升过程，以真实考虑浇筑过程中坝体重力荷载和重心位置的改变；
10.模拟混凝土的水化放热过程和模拟大坝的通水冷却过程，计算大坝温度场，并通过温度场推求温度荷载；
11.得到大坝的重力荷载和温度荷载后，基于以下控制方程计算大坝结构应力和横缝
开度：
12.σi＝σ
i-1
+δσiꢀꢀꢀ
(公式1)
[0013][0014][0015][0016]
其中，δσi为第i个时间步的应力增量，δdi为第i个时间步的横缝开度增量，gi为第i个时间步的重力荷载，δti为第i个时间步的温度增量，ξi为第i个时间步的混凝土水化度，为第i个时间步的非重力和温度因素导致的应变增量；
[0017]
在规范给定的应力控制标准的基础上，为避免横缝出现二次张开，提出对已封拱坝体拱向应力的控制；
[0018]
针对未封拱坝段和已封拱坝体分别设定应力控制标准，其中，未封拱坝段的应力控制标准为：
[0019][0020]
已封拱坝体应力控制标准为：
[0021][0022]
其中，为j号坝段未封拱区域在第i个时间步的主拉应力，为j号坝段未封拱区域在第i个时间步的主压应力，τ
t
为未封拱坝段的容许拉应力，为已封拱坝体的容许拉应力，为已封拱坝体在第i个时间步的主拉应力，为已封拱坝体在第i个时间步的主压应力，为已封拱坝体在第i个时间步的拱向拉应力，f
t,i
为第i个时间步的混凝土抗拉强度，f
c,i
为第i个时间步的混凝土抗压强度，ψ为设计状况系数，γ0为结构重要性系数，γd为结构系数，γm为材料性能分项系数；
[0023]
统计各时间步i的坝体应力，根据应力控制标准，动态调整悬臂高度、全坝段高差和相邻坝段高差的限制，并结合横缝灌浆允许开度和坝体封拱温度的限制，动态调整浇筑封拱过程。
[0024]
重复以上步骤，动态调整各阶段的浇筑和封拱过程，直至大坝封顶。
[0025]
在上述技术方案中，所述动态调整浇筑封拱过程，包括：
[0026]
1)若第i个时间步的未封拱坝段和已封拱坝体的应力均满足控制标准，即进行下
一个时间步的计算；
[0027]
2)在保证已封拱坝体应力满足控制标准的前提下，若第i个时间步部分坝段未封拱区域的应力不满足控制标准，则停止对这些坝段的浇筑，并取消这些坝段的上一个浇筑步骤，同时标记这些坝段达到了极限状态；对于应力未超标的坝段则继续进行浇筑；
[0028]
3)若第i个时间步已封拱坝体应力满足控制标准，但所有未封拱坝段均达到极限状态，则停止对所有坝段的浇筑，并启动封拱灌浆；
[0029]
4)若第i个时间步的已封拱坝体的应力超过容许值，则停止对所有坝段的浇筑，取消上一个浇筑步骤，并启动封拱灌浆。
[0030]
在上述技术方案中，在封拱灌浆开始前，统计各横缝开度及各坝段温度，划分出横缝开度达到可灌开度且温度下降至封拱温度的区域，以此确定封拱灌浆的开始时间和目标高程。
[0031]
在上述技术方案中，模拟混凝土的水化放热过程的方法为采用水化度模型模拟，模拟大坝的通水冷却过程的方法为采用基于等效热传导方程模拟。
[0032]
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0033]
1)本发明从“避免横缝二次张开及其引起的坝趾开裂，保证结构安全，提升施工效率”的目标出发，提出施工期已封拱坝段拱向拉应力控制指标，结合现场施工组织安排，分区域、分部位、分高程动态调整未封拱坝段悬臂高度、全坝段高差和相邻坝段高差等施工限制，动态调整封拱过程，降低施工期已灌浆横缝二次张开和坝体开裂风险，为实现大坝浇筑均衡快速上升创造了条件。
[0034]
2)本发明给出了高拱坝浇筑封拱过程调控的完整流程，可操作性强，便于类似工程设计人员借鉴使用。
[0035]
3)本发明结合现场施工组织安排，分区域、分部位、分高程动态调整未封拱坝段悬臂高度、全坝段高差和相邻坝段高差等限制，极大减轻现场大坝混凝土浇筑施工的限制，有助于提升施工效率。
[0036]
4)本发明提出了施工期已封拱坝体拱向拉应力控制的原则，突破了传统拱坝设计关于应力控制标准的局限，有效防止了已灌浆横缝的二次张开，有力地保障导流洞下闸和中孔过流目标的如期实现。
附图说明
[0037]
图1为本发明的流程图。
[0038]
图2为未封拱坝段和已封拱坝体的应力控制示意图。
[0039]
图3为某拱坝三维有限元整体模型图。
[0040]
图4a为方案1时的坝体最大主应力分布云图(单位：0.01mpa)。
[0041]
图4b为方案2时的坝体最大主应力分布云图(单位：0.01mpa)。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
[0043]
参阅附图可知：一种考虑拱向应力控制指标的高拱坝浇筑封拱调控方法，其特征
在于，包括以下步骤：
[0044]
步骤1：建立拱坝的整体三维有限元模型，其中坝体采用实体单元，横缝采用界面单元；
[0045]
步骤2：根据实际浇筑方案，划分对应坝段和浇筑层，坝段的编号为j，j＝1,2...m；通过生死单元技术模拟大坝的浇筑上升过程，以真实考虑浇筑过程中坝体重力荷载和重心位置的改变；
[0046]
步骤3：采用水化度模型模拟混凝土的水化放热过程，并基于等效热传导方程模拟大坝的通水冷却过程，计算大坝温度场，并通过温度场推求温度荷载；
[0047]
步骤4：得到大坝的重力荷载和温度荷载后，基于以下控制方程计算大坝结构应力和横缝开度：
[0048]
σi＝σ
i-1
+δσiꢀꢀꢀ
(公式1)
[0049][0050][0051][0052]
其中，δσi为第i个时间步的应力增量，δdi为第i个时间步的横缝开度增量，gi为第i个时间步的重力荷载，δti为第i个时间步的温度增量，ξi为第i个时间步的混凝土水化度，为第i个时间步的非重力和温度因素导致的应变增量；
[0053]
步骤5：在规范给定的应力控制标准的基础上，为避免横缝出现二次张开，提出对已封拱坝体拱向应力的控制；
[0054]
针对未封拱坝段和已封拱坝体分别设定应力控制标准，其中，未封拱坝段的应力控制标准为：
[0055][0056]
已封拱坝体应力控制标准为：
[0057][0058]
其中，为j号坝段未封拱区域在第i个时间步的主拉应力，为j号坝段未封拱区域在第i个时间步的主压应力，τ
t
为未封拱坝段的容许拉应力，为已封拱坝体的容许拉应力，为已封拱坝体在第i个时间步的主拉应力，为已封拱坝体在第i个时间步
的主压应力，为已封拱坝体在第i个时间步的拱向拉应力，f
t,i
为第i个时间步的混凝土抗拉强度，f
c,i
为第i个时间步的混凝土抗压强度，ψ为设计状况系数，γ0为结构重要性系数，γd为结构系数，γm为材料性能分项系数；
[0059]
步骤6：统计各时间步i的坝体应力，根据步骤5的应力控制标准，动态调整悬臂高度、全坝段高差和相邻坝段高差的限制，并结合横缝灌浆允许开度和坝体封拱温度的限制，动态调整浇筑封拱过程：
[0060]
1)若第i个时间步的未封拱坝段和已封拱坝体的应力均满足控制标准，即进行下一个时间步的计算；
[0061]
2)在保证已封拱坝体应力满足控制标准的前提下，若第i个时间步部分坝段未封拱区域的应力不满足控制标准，则停止对这些坝段的浇筑，并取消这些坝段的上一个浇筑步骤，同时标记这些坝段达到了极限状态；对于应力未超标的坝段则继续进行浇筑；
[0062]
3)若第i个时间步已封拱坝体应力满足控制标准，但所有未封拱坝段均达到极限状态，则停止对所有坝段的浇筑，并启动封拱灌浆；
[0063]
4)若第i个时间步的已封拱坝体的应力超过容许值，则停止对所有坝段的浇筑，取消上一个浇筑步骤，并启动封拱灌浆。
[0064]
步骤7：重复以上步骤，动态调整各阶段的浇筑和封拱过程，直至大坝封顶。
[0065]
实施例
[0066]
某水电站总库容74.08亿m3，装机容量10200mw；枢纽工程由拦河大坝、泄水建筑物及地下引水发电系统组成；大坝为双曲拱坝，坝高270m，最大底宽51.45m，不设施工纵缝。
[0067]
在可研阶段，根据规范要求，对悬臂高度、相邻坝段最大高差和全坝段高差等施工参数进行了规定：
[0068]
1)高程790m以上灌区施灌时，未接缝灌浆坝段的悬臂高度一般不超过60m。
[0069]
2)相邻坝段最大高差一般不超过12m，全坝段最低与最高的最大高差不超过30m。
[0070]
据统计，多座高拱坝在施工过程中出现横缝二次张开的现象；为避免该拱坝的横缝二次张开，在规范给定的应力控制标准的基础上，提出了已封拱坝体拱向拉应力控制思路；此外，在工程实施过程中，因中孔孔口部位施工的复杂性，现场施工难以完全满足技术要求中关于悬臂高度等参数的规定，且中孔过流的需求也对施工的均衡性和高效性提出了更高的要求；基于上述考虑，提出一种考虑拱向应力控制指标的高拱坝浇筑封拱调控方法，具体包括以下步骤：
[0071]
步骤1：建立如图3所示的该拱坝的整体三维有限元模型，共划分三维六面体单元296238个，结点331200个，横缝按接触考虑；模型中x轴为顺河向，由上游水平指向下游为正；y轴为横河向，由右岸水平指向左岸为正；z轴为竖直向，竖直向上为正。
[0072]
步骤2：根据实际浇筑方案，划分对应坝段和浇筑层，坝体自左岸至右岸共设置15个坝段和14条横缝，通过生死单元技术模拟大坝的浇筑上升过程，以真实考虑浇筑过程中坝体重力荷载和重心位置的改变；
[0073]
步骤3：采用水化度模型模拟混凝土的水化放热过程，并基于等效热传导方程模拟大坝的通水冷却过程，计算大坝温度场，并通过温度场推求温度荷载；
[0074]
步骤4：在通过前述步骤计算得到大坝的重力荷载和温度荷载后，基于以下控制方程计算大坝结构应力和横缝开度：
[0075]
σi＝σ
i-1
+δσiꢀꢀꢀ
(公式1)
[0076][0077][0078][0079]
步骤5：在规范给定的应力控制标准的基础上，为避免横缝出现二次张开，提出对已封拱坝体拱向应力的控制。
[0080]
针对未封拱坝段和已封拱坝体分别设定应力控制标准，如图2所示，其中该拱坝未封拱坝段的应力控制标准为：
[0081][0082]
考虑拱向拉应力的该拱坝已封拱坝体的应力控制标准为：
[0083][0084]
步骤6：统计各时间步i的坝体应力，根据步骤5的应力控制标准，动态调整悬臂高度、全坝段高差和相邻坝段高差的限制，并结合横缝灌浆允许开度和坝体封拱温度的限制，动态调整浇筑封拱过程。针对该拱坝的计算方案如下：
[0085]
方案1：在满足应力控制标准的前提下，结合现场施工组织安排进度，模拟各悬臂梁的浇筑上升过程，以优化非孔口坝段最大悬臂高度的限制。
[0086]
方案2：在方案1的基础上，结合现场施工组织安排进度，加快部分坝段(2#、4#、6#、8#、10#、12#、14#)的浇筑进度，其它坝段保持原浇筑进度，以优化相邻坝段高差和全坝段高差的限制。
[0087]
方案1计算结果如图4a所示，图中单位为0.01mpa，当非孔口坝段悬臂高度不超过72m时，各坝段悬臂底部的竖向应力基本表现为压应力，仅非孔口坝段悬臂底部局部范围内出现较小的拉应力，最大不超过0.5mpa，已封拱坝体的最大拱向拉应力也小于0.8mpa，坝体是安全的。
[0088]
方案2计算结果如图4b所示，图中单位为0.01mpa，当相邻坝段高差控制为≤18m、全坝段高差≤32m时，未封拱坝段和已封拱坝体的应力均满足控制标准，坝体是安全的。
[0089]
基于上述数值计算成果，在大坝实际浇筑过程中，可以对大坝悬臂高度及浇筑高差进行优化调整，调整后的标准如下：
[0090]
1)大坝非孔口坝段悬臂高度不超过72m。
[0091]
2)相邻坝段高差最大不超过18m，全坝段高差最大不超过32m。
[0092]
其它未详细说明的部分均属于现有技术。