寒冷地區(qū)碾壓混凝土壩施工技術(shù)及仿真

前言

從20世紀(jì)80年代碾壓混凝土引進以來，中國的水利工程界就大力從事碾壓混凝土的防裂研究。研究表明，在寒冷地區(qū)氣候較惡劣的條件下，碾壓混凝土大壩更易產(chǎn)生裂縫，而且絕大多數(shù)是表面裂縫，其中一部分存在發(fā)展成為貫穿性裂縫的可能，直接影響大壩的整體性和耐久性，從而最終影響大壩的安全。引起裂縫的原因主要是干縮應(yīng)力、溫度應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)受力。干縮裂縫主要靠表面養(yǎng)護解決。引起表面拉應(yīng)力的溫度因素有氣溫變化、混凝土絕熱溫升和初始人倉溫度。其中氣溫的變化主要有寒潮和氣溫年變化。寒潮是引起表面裂縫的重要原因，在溫差較大的地區(qū)，氣溫年變化也是引起表面裂縫甚至深層裂縫的重要原因。因此溫控防裂仍是碾壓混凝土壩的關(guān)鍵技術(shù)之一。以位于嚴(yán)寒地區(qū)惡劣條件下的新疆山口水電站為例，壩體的穩(wěn)定溫度場較低，碾壓混凝土冬季無法施工，夏季施工時氣溫又較高，這些因素對混凝土的護裂非常不利，因此其溫控防裂問題尤為突出。為確保工程質(zhì)量，鑄造精品工程，建設(shè)者針對工程難點和特點采用行進的技術(shù)、科學(xué)的方法和新型的材料與工藝，并通過仿真計算確定大壩澆筑、運行過程，以及采用噴涂聚氨酯材料保溫保濕措施防裂，并在保溫保濕層外添加防護層，保證了混凝土壩的優(yōu)質(zhì)建設(shè)，從而使這項混凝土壩新技術(shù)更具有深遠的意義。本書共分為九章，包括引言、壩線、壩型選擇，擋水建筑物，保溫材料簡介及選擇，大壩混凝土，熱傳導(dǎo)原理及有限元分析，計算模型、參數(shù)及邊界條件，大壩安全監(jiān)測與實測溫度數(shù)值計算及對比方法，大壩仿真計算等。本書以工程實踐和仿真計算為基礎(chǔ)，運用理論與實踐相結(jié)合的方法，展示了寒冷地區(qū)碾壓混凝土施工全過程中的技術(shù)創(chuàng)新和新型材料的應(yīng)用。參加本書編著的還有李世新、王靜、胡昱、葉爾肯、胡新麗、焦全喜、杜彬等。在編著過程中，承蒙建設(shè)、設(shè)計、監(jiān)理施工等單位的學(xué)者大力協(xié)助，他們?yōu)楸緯峁┝擞嘘P(guān)方面的資料，給編寫工作帶來了很大幫助，特在此對他們表示衷心的感謝！本書是寒冷地區(qū)碾壓混凝土施工及仿真計算方面的科研成果專著，可供從事水利工程設(shè)計、施工、監(jiān)理和科研的人員參考。因時間倉促，編者水平有限，書中難免有不妥之處，敬請讀者指正。

內(nèi)容概要

本書以工程實踐和仿真計算為基礎(chǔ)，展示了寒冷地區(qū)碾壓混凝土施工全過程中的技術(shù)創(chuàng)新和新型材料的應(yīng)用，內(nèi)容包括：壩線、壩型選擇；擋水建筑物；保溫材料簡介及選擇；大壩混凝土；熱傳導(dǎo)原理及有限元分析；計算模型、參數(shù)及邊界條件；大壩安全監(jiān)測與產(chǎn)測溫度數(shù)值計算時分析；大壩仿真計算等。    本書可供從事水利工程設(shè)計、施工、臨理和科研工作者參考。

書籍目錄

前言第一章 引言  1.1 山口水電站概況  1.2 設(shè)計基本資料    1.2.1 開發(fā)利用要求    1.2.2 各泄水建筑物水位及泄量    1.2.3 水文氣象資料    1.2.4 水位、庫容及動能參數(shù)    1.2.5 地基特性及設(shè)計參數(shù)    1.2.6 基巖峰值加速度    1.2.7 安全系數(shù)  1.3 碾壓混凝土壩的發(fā)展及其溫控問題第二章 壩線、壩型選擇  2.1 壩線選擇    2.1.1 壩線比選階段    2.1.2 項目建議書階段    2.1.3 可行性研究階段  2.2 壩型選擇    2.2.1 壩線比選階段壩型比選    2.2.2 T行性研究階段壩型比選    2.2.3 碾壓混凝土重力壩方案    2.2.4 混合壩方案    2.2.5 二種壩型的綜合比較    2.2.6 工程總體布置  2.3 泄水建筑物布置方案比選    2.3.1 泄水建筑物布置比選    2.3.2 泄水建筑物布置方案比較    2.3.3 泄水建筑物布置方案比較結(jié)論  2.4 混合壩右岸當(dāng)?shù)夭牧蠅味伪冗x    2.4.1 混合壩右岸當(dāng)?shù)夭牧蠅味螇涡?   2.4.2 右岸擋水壩段比選    2.5 工程總體布置方案簡述第三章 擋水建筑物  3.1 碾壓混凝土壩段    3.1.1 壩體輪廓設(shè)計    3.1.2 壩體防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計    3.1.3 壩體分區(qū)設(shè)計    3.1.4 壩體分縫、止水及排水設(shè)計    3.1.5 壩體層面結(jié)合處理設(shè)計    3.1.6 基礎(chǔ)處理    3.1.7 穩(wěn)定應(yīng)力分析    3.1.8 壩體抗震措施  3.2 黏土心墻壩段    3.2.1 壩頂高程    3.2.2 壩體結(jié)構(gòu)    3.2.3 壩基及壩肩處理    3.2.4 壩體抗震措施    3.2.5 土料設(shè)計    3.2.6 壩體計算  3.3 接頭設(shè)計第四章 保溫材料簡介及選擇  4.1 保溫材料簡介    4.1.1 聚苯板保溫材料的主要理化性能    4.1.2 珍珠巖發(fā)泡保溫涂料的主要理化性能    4.1.3 聚氨酯保溫材料的主要理化性能  4.2 聚氨酯保溫材料    4.2.1 化學(xué)反應(yīng)    4.2.2 聚氨酯硬質(zhì)泡沫(PU)的主要原材料    4.2.3 彩色聚氨酯    4.2.4 設(shè)備的選型及改造  4.3 聚氨酯硬質(zhì)泡沫保溫保濕研究    4.3.1 混凝土保濕意義    4.3.2 混凝土熱濕耦合傳導(dǎo)方程及數(shù)值解法    4.3.3 混凝土熱濕耦合傳導(dǎo)試驗研究  4.4 保溫材料施工實例    4.4.1 三峽工程    4.4.2 響水拱壩    4.4.3 新疆石門子碾壓混凝土拱壩聚氨酯保溫保濕效果分析    4.4.4 拉西瓦水電站大壩保溫和保濕效果試驗研究與分析  4.5 保溫材料比較    4.5.1 施工方法比較    4.5.2 施工成本比較  4.6 保溫材料厚度計算  4.7 碾壓混凝土養(yǎng)護情況第五章 大壩混凝土  5.1 大壩混凝土設(shè)計    5.1.1 大壩混凝土強度的設(shè)計齡期    5.1.2 抗凍、抗?jié)B設(shè)計指標(biāo)選擇    5.1.3 壩體各區(qū)混凝土設(shè)計指標(biāo)    5.1.4 原材料的選擇    5.1.5 堿活性骨料對混凝土的影響    5.1.6 合理選擇混凝土粗骨料的最大粒徑    5.1.7 壩體混凝土配合比設(shè)計  5.2 碾壓混凝土配合比及其性能試驗成果    5.2.1 碾壓混凝土配合比初選試驗結(jié)果    5.2.2 碾壓混凝土抗凍耐久性    5.2.3 碾壓混凝土自身體積變形性能    5.2.4 碾壓混凝土熱學(xué)性能  5.3 常態(tài)混凝土配合比及其性能試驗結(jié)果    5.3.1 常態(tài)混凝土配合比初選試驗結(jié)果    5.3.2 常態(tài)混凝土抗凍耐久性第六章 熱傳導(dǎo)原理及有限元分析  6.1 熱傳導(dǎo)原理  6.2 有限元理論    6.2.1 彈性力學(xué)問題基本方程    6.2.2 有限元方法    6.2.3 變分原理    6.2.4 穩(wěn)態(tài)溫度場計算    6.2.5 瞬態(tài)溫度場計算    6.2.6 溫度應(yīng)力計算的有限元法    6.2.7 徐變理論分析  6.3 計算分析程序    6.3.1 量綱    6.3.2 絕熱溫升計算實例    6.3.3 平板冷卻1(表面給定溫度條件)    6.3.4 平板冷卻2(對流散熱邊界條件)    6.3.5 混凝土澆筑過程中層間溫度突變    6.3.6 混凝土澆筑過程溫度應(yīng)力第七章 計算模型、參數(shù)及邊界條件  7.1 有限元模型  7.2 材料參數(shù)    7.2.1 基礎(chǔ)巖石資料    7.2.2 混凝土的熱學(xué)性能    7.2.3 混凝土力學(xué)參數(shù)及力學(xué)性能    7.2.4 保溫層有限元模型  7.3 邊界條件    7.3.1 氣溫資料    7.3.2 壩址區(qū)平均河水溫度    7.3.3 寒潮資料    7.3.4 水庫水溫的計算第八章 山口電站大壩安全監(jiān)測  8.1 大壩安全監(jiān)測設(shè)計    8.1.1 碾壓混凝土壩段觀測設(shè)計    8.1.2 碾壓土石壩部分觀測設(shè)計    8.1.3 自動化系統(tǒng)設(shè)計初步設(shè)想  8.2 監(jiān)測資料整理和初步分析    8.2.1 泄洪底孔壩段    8.2.2 非溢流壩段(O+158.0斷面)    8.2.3 溢流表孔壩段    8.2.4 發(fā)電引水壩段    8.2.5 新增溫度監(jiān)測    8.2.6 應(yīng)變、自生體積變形結(jié)果    8.2.7 結(jié)論  8.3 數(shù)值計算與仿真資料對比分析    8.3.1 非溢流壩段(O+158.0斷面)    8.3.2 壩體應(yīng)力計算結(jié)果    8.3.3 泄洪底孔壩段溫度監(jiān)測及分析第九章 大壩仿真計算  9.1 橫縫間距的計算    9.1.1 外界溫度年變化引起的應(yīng)力    9.1.2 山口碾壓混凝土橫縫間距的計算    9.1.3 參數(shù)分析  9.2 仿真計算考慮因素    9.2.1 混凝土厚度的影響    9.2.2 邊界條件    9.2.3 入倉溫度    9.2.4 混凝土的絕熱溫升θ0    9.2.5 放熱系數(shù)m    9.2.6 層問間隙時間的影響  9.3 寒潮情況下表面保溫的計算    9.3.1 寒潮應(yīng)力的計算    9.3.2 實測溫度分析    9.3.3 山口水電站保溫保濕方案  9.4 溫度控制措施及其效果分析  9.5 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)    9.5.1 基礎(chǔ)溫差    9.5.2 最高溫度    9.5.3 澆筑溫度控制    9.5.4 上下層溫差    9.5.5 表面保溫控制內(nèi)外溫差  9.6 結(jié)論參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：1）壩段分縫、止水結(jié)構(gòu)設(shè)計。壩體分為53個壩段，河床壩段采用永久橫縫，最大間距20m，右岸臺地壩段通縫間距40m，每壩段中部設(shè)一道誘導(dǎo)縫。誘導(dǎo)縫由上下游面短縫和壩體中部混凝土內(nèi)鉆孔形成，短縫長3m。在壩體上游二級配碾壓混凝土防滲層的橫縫內(nèi)設(shè)置二道止水片，第一道紫銅片止水距壩上游面1m，第二道設(shè)橡膠止水，該段橫縫內(nèi)填充1cm厚浸瀝青木板。在壩體下游非溢流壩面橫縫處設(shè)置一道紫銅片止水。在表孔溢流面下，設(shè)置一道紫銅片止水和一道橡膠止水。2）防滲及排水結(jié)構(gòu)設(shè)計。上游防滲層采用二級配碾壓混凝土加變態(tài)混凝土防滲方案，二級配碾壓混凝土厚度為3m。壩體迎水面變態(tài)混凝土厚0.5m。二級配碾壓混凝土強度標(biāo)號為R180200，抗?jié)B標(biāo)號為W6，抗凍標(biāo)號為F200。防滲層橫縫間距與壩體分縫間距一致。壩體排水：壩體在869m高程設(shè)有排水檢查廊道，排水檢查廊道在兩岸岸坡與基礎(chǔ)灌漿廊道連接。廊道距上游壩面距離大于3m。斷面為城門洞型，高3.5m，寬3m，排水孔間距2.5m。排水孔由施工時預(yù)埋無砂混凝土管或鉆孔形成。基礎(chǔ)排水：為減小壩基面揚壓力，增加壩體穩(wěn)定性，同時考慮壩高較低，本工程僅設(shè)縱向壩基排水廊道，廊道距壩面距離5.76m，廊道斷面為城門洞型高3.5m，寬3m。灌漿廊道設(shè)有傾向下游的排水孔，孔距2.5m，孔深為帷幕深度的0.5倍，最大孔深10m，孔徑150mm，壩基滲水通過排水廊道匯集在集水井內(nèi)，由排水泵抽排出壩體外。3）壩體分區(qū)設(shè)計。壩體混凝土設(shè)計主要考慮擋水壩段和溢流壩段兩種剖面。壩體混凝土分為以下各區(qū)：A（I）區(qū)，上、下游防滲混凝土，設(shè)計標(biāo)號R180200W6F200；A（Ⅱ）區(qū)，內(nèi)部碾壓混凝土，設(shè)計標(biāo)號R180150W6F50；A（Ⅲ）區(qū)，基礎(chǔ)混凝土，河床部位1m厚，岸坡部位變態(tài)混凝土，設(shè)計標(biāo)號Rg0200W6 F100；A（Ⅳ）區(qū)，溢流壩、底孔、防浪墻常態(tài)混凝土，設(shè)計標(biāo)號Cza 25W6 F200；A（V）區(qū)，溢流壩表面抗沖耐磨混凝土，設(shè)計標(biāo)號C2840W6 F200。考慮到大壩壩體混凝土體積大、施工期長、壩體承受設(shè)計荷載所需的時間也比較長，初步考慮壩體常態(tài)混凝土采用90天齡期的設(shè)計強度，碾壓混凝土采用180天齡期的設(shè)計強度，設(shè)計保證率均為80％。

編輯推薦

《寒冷地區(qū)碾壓混凝土壩施工技術(shù)及仿真》是由科學(xué)出版社出版的。

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