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严寒地区碾压混凝土重力坝温度应力研究与温控防裂技术

王成山  
【摘要】: 碾压混凝土坝是近20年来发展起来的一种新坝型。许多已建工程不同程度存在裂缝,严寒地区碾压混凝土坝裂缝尤为严重。裂缝降低了混凝土坝的完整性、抗渗性和耐久性,降低了大坝的安全度。研究表明,碾压混凝土坝温度应力是导致坝体裂缝的主要荷载作用,其他荷载作用所引起的应力与温度应力相比相对较小,温度应力起着控制作用。因此,施工期温度应力与温度控制的研究对预防裂缝、保证工程的安全具有重要意义。坝体材料及结构型式对裂缝也起着重要作用。 由于严寒地区冬季气候寒冷、年内气温变化幅度大;碾压混凝土坝采取通仓浇筑、不分纵缝以及越冬长间歇式的施工方法,使其具有独特的温度应力时空分布规律,更增加了碾压混凝土坝温控与防裂难度。使严寒地区碾压混凝土重力坝温度应力与温控防裂制成为一个新课题。 围绕严寒地区碾压混凝土坝的温度应力和温控防裂,本文主要进行了以下几方面研究: (1)结合两座碾压混凝土坝工程实例,研究了严寒地区碾压混凝土重力坝温度及温度徐变应力时空分布规律,分析了大坝上下游面水平裂缝的成因、影响裂缝的主要因素。考虑了乞今最为全面的初始条件和边界条件,包括模拟坝体的实际升程过程,考虑了新老混凝土接触面上的初始温度不连续,逐日的气温变化,混凝土的入仓温度,水化热温升,边界保温,水库蓄水过程,浇筑间歇以及洒水养生等因素;应力场的计算考虑了混凝土的自重,静水压力,温度应力,常态混凝土与碾压混凝土不同的自生体积变形,混凝土的弹性模量随龄期的变化以及徐变的作用。 (2)基于人工神经网络的方法,建立了碾压混凝土坝施工期热学参数反馈分析模型。根据碾压混凝土坝坝体温度观测资料,对碾压混凝土坝施工期热学参数进行反演,结果表明此法适用于解决这类复杂非线性问题,具有较好的稳定性和收敛性。反演结果满足工程需要。采用带动量因子的自适应学习率BP算法训练网络,收敛性好。采用weight Decay method训练网络,起到修剪网络结构的作用,促使权向小的方向变化。总体上使网络的复杂性与实际系统的复杂性相吻合,避免了过学习现象,且输出稳定性好。采用神经网络进行碾压混凝土坝施工期热学参数反馈分析是可行的,为碾压混凝土坝施工期热学参数的反馈分析找到了一条新途径。 (3)本文从结构方面进行了碾压混凝土坝防裂措施的研究。在结构措施方面,针 对严寒地区高碾压混凝土重力坝坝体越冬层面的上、下游面附近及溢流坝堰面反弧段 表面有明显的局部应力集中象现,在已采取一定的表面保温防护的条件下,拉应力仍 然超过混凝土容许拉应力,开裂难以避免,进而提出设置碾压混凝土坝表面预留缝结 构措施并对该措施进行深入研究,包括预留缝的扩展稳定和坝体沿预留缝的稳定性, 以避免大坝在无措施部位开裂,解决大坝越冬层面水平施工缝的开裂问题。采用涂缝 模型模拟坝体预留缝,对裂缝尖端建立能量破坏准则。将软化损伤引入到断裂力学模 型中,更精确的描述了裂缝尖端附近混凝土的本构行为。在应变软化模型中引入断裂 力学裂缝带模型,克服了应变软化数学计算时对网格强烈敏感的困难。研究结果与测 缝计观测结果进行了对比验证,证明预留缝开度符合规律。该项措施为解决严寒地区 碾压混凝土高坝越冬水平层面开裂问题提供了一条新途径。 (4)本文从材料方面进行了碾压混凝土坝防裂措施的研究。在材料措施方面,深 入研究高碾压混凝土坝基础约束区采用外掺Mgo措施,利用其微膨胀性能补偿坝体降 温过程中产生的温度应力,以防止大坝纵向裂缝的发生。结合工程实例,通过对不同 Mgo含量的胶材净浆的压蒸试验,确定了Mgo的合理掺量;通过对混凝土外掺Mgo微膨 胀碾压混凝土的自生体积变形试验研究及对大坝基础温度应力补偿作用的研究,证明 了外掺Mgo微膨胀碾压混凝土对大坝基础混凝土温度应力的补偿作用及其效果。


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