浅谈重力坝加高的温度应力问题

浅谈重力坝加高的温度应力问题
作者：邵立斌齐凤坤
来源：《中国新技术新产品》2009年第04期
摘要：大坝的加高将成为未来水利建设的重点之一。

重力坝加高中往往会出现三个影响坝体质量和受力的问题：坝踵应力恶化、新老混凝土结合面开裂及坝体下游面裂缝。

本文讨论和分析了出现这三个问题的主要原因及解决这些问题的基本思路。

关键词：重力坝；有限元；温控；仿真分析
1 重力坝加高带来的问题
1.1 坝踵应力恶化问题
新浇混凝土由于水化热的作用温度会升高，后期由于表面散热将会下降到准稳定场。

升温时混凝土龄期短、弹模小而徐变大，且影响仅局限于新浇混凝土附近的局部坝体，不会引起太大的压应力。

但温降时往往坝体已浇筑完成，新混凝土因温降而收缩，从而在老坝体上作用一个向下拉的力，使坝踵产生附加拉应力。

另外，加高时一般不会放空水库，而是保持一定的运行水位，该水位的水压力将全部由老坝承担，新混凝土只分担由加高施工期限制水到最高水位的增量部分，因此加高重力坝的老坝承担更多的水压力而使坝踵应力恶化。

1.2 新老混凝土结合问题
由于如下两个原因加高重力坝往往沿结合面开裂：
1.2.1结合面强度低。

在已运行多年的老混凝土上浇筑新混凝土，其结合面为一个施工冷缝，强度一般低于整体浇筑的混凝土。

因此浇筑新混凝土时应做凿毛、设键槽、插筋等施工处理。

1.2.2沿结合面的法向拉应力或切向剪应力超标。

引起切向剪应力的主要是新老混凝土沿坝坡方向的非同步变形。

引起结合面法向拉应力的则有如下3个原因：
①新浇混凝土沿坝坡方向的收缩。

该收缩主要在接近老坝坝顶附近的结合面引起法向拉应力，如图1。

②周期性变化的气温。

气温变化会引起新混凝土在坝坡和坝轴两个方向的伸缩，该伸缩会在结合面处引起周期性的法向拉、压应力。

冬天下游坝面受冷收缩，沿坝坡方向的收缩引起的拉应力同1）(见图1)。

沿坝轴方向的收缩则会在坝段的侧面引起结合面法向拉应力（如图2（a))。

而夏季下游坝面膨胀则在坝段两侧引起法向压应力，在坝段中部引起法向拉应力。

（图2（b))。

③新混凝土浇筑时老坝面的温度与准稳定温度的差异。

若新混凝土在冬季浇筑，则此时老坝处于低温收缩、凹曲状态，后期老坝温度上升到准稳定场，坝面恢复到平展状态，从凹曲到平展的变形会引起坝段两侧法向拉应力、内部法向压应力（如图 3（a））。

夏天高温季节浇筑混凝土时，老坝面处于伸长、凸曲状态，后期温度下降到准稳定场，坝面收缩平展，这种从凸曲到平展的变形会在坝段内部引起法向拉应力。

两侧引起法向压应力。

上述3种原因叠加，会在某些时期，结合面处引起较大的拉应力而导致结合面开裂。

传统上将重力坝作为平面问题处理，只用简化计算方法或二维有限元仿真分析。

因此，只能分析考虑第一个原因，即新混凝土沿坝坡方向的伸缩引起的温度应力。

第②、③两个原因即沿坝轴方向的伸缩变形引起的拉压应力则必须用三维仿真分析。

1.3 下游坝面裂缝问题
对于新浇混凝土来讲，老混凝土坝面是一个强约束面，相当于新混凝土一直在强约束区施工。

当新混凝土收缩时，会在下游坝面引起拉应力，另外周期性变化的气温、新混凝土浇筑后老坝温度的变化，都会在下游坝面某些时期引起较大拉应力，从而在下游坝面引起水平或坝段中间的铅直裂缝。

周期性变化的气温在下游坝面引起的拉应力不是加高带来的问题，一次性浇筑的混凝土坝同样存在该问题。

但新混凝土的整体收缩和老坝混凝土的温度变化引起的拉应力是加高带来的新问题。

2 解决加高带来问题的方法
加高带来的问题可从提高结合面强度、结构措施和温控措施3个方面入手解决。

提高结合面的强度，可通过凿毛、铺砂浆、插筋等措施解决;结构措施主要指在新浇混凝士内设宽槽，将新浇混凝土沿坝坡方向分成若干块，减少收缩长度，从而减少由于新混凝土的收缩引起坝踵应力恶化。

等新混凝土温度下降到准稳定温度后，于低温季节将宽槽回填，这样以后新混凝土会因气温回升整体膨胀，使坝踵产生部分压应力，且部分消除低温季节坝坡方向的大拉应力。

宽槽方法是加高所用的传统方法，该方法可有效地解决加高带来的坝踵应力恶
化、坝下游面裂缝问题，部分解决结合面开裂问题。

但是，宽槽方法施工难度大，会影响工期和造价，施工单位一般不愿采用该方法;温控措施。

通过控制新老混凝土的温度，尽量减小新老混凝土的温度变化之差及新老混凝土的整体变形之差，达到减小坝踵应力、结合面应力及下游坝面应力的目的，从而减少或避免大坝由于加高带来的裂缝。

坝踵应力恶化问题可以通过对新浇混凝土进行超冷解决。

新混凝土浇筑后，因水化热作用温度升高，随着散热慢慢下降到稳定温度。

如果温度下降发生在整个坝体完工之后，则新混凝土沿坝坡方向收缩会在坝踵和坝下游面引起拉应力。

但是如果温度的下降在早期即新混凝土浇筑不久，则新混凝土的降温只会影响到一个很小的局部（如图4），而不会影响大坝的整体应力。

如果对新混凝土进行超冷，使加高完工后新混凝土的温度低于稳定温度，则后期新混凝土会因温升膨胀而在上游坝踵和后加坝体下游坝面产生部分压应力。

如前所述，结合面法向的拉应力来自于两个方面：即周期性变化的年气温及老坝面加高前后的温度变化。

年变化气温的影响不是加高带来的问题，只能通过保温的方法解决。

老坝面加高前后的温度变化则可通过在冬、夏两季对老坝保温或减小新老混凝土的温差解决。

参考文献
[1] 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.
[2] 朱伯芳，王同生，丁宝瑛.重力坝和混凝土筑块的温度应力 [J]. 水利学报，1964，(1).。