基于溫度應(yīng)力仿真的碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫開裂分析研究

劉 茜， 張曉飛， 張 昕， 李守義

(西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

碾壓混凝土拱壩采用通倉(cāng)薄層澆筑、大面積連續(xù)上升的施工方法，混凝土產(chǎn)生的大部分水化熱在短期內(nèi)積蓄在壩體，無法及時(shí)散發(fā)，從而形成壩體中心與邊界間的內(nèi)外溫差和上層新澆混凝土與下層老混凝土間的上下層溫差，在周邊基礎(chǔ)的約束作用下壩體更易在溫降時(shí)產(chǎn)生溫度裂縫，因此對(duì)于碾壓混凝土拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工而言，溫度裂縫問題和溫控防裂工作不容忽視[1-3]。目前，碾壓混凝土拱壩通常采用“誘導(dǎo)縫+橫縫”的分縫形式來釋放壩體溫度應(yīng)力，以期控制施工期溫度收縮引起的無序裂縫[4]。

作為一種結(jié)構(gòu)防裂措施，在實(shí)際工程中盡管誘導(dǎo)縫的設(shè)計(jì)意圖相同，但發(fā)揮效果卻不盡相同。我國(guó)的第一座碾壓混凝土拱壩——普定拱壩，采用“橫縫+誘導(dǎo)縫”的分縫形式，運(yùn)行若干年后壩體多處出現(xiàn)裂縫，右岸壩肩甚至出現(xiàn)貫穿裂縫，而壩體內(nèi)設(shè)置的誘導(dǎo)縫均未開裂，說明誘導(dǎo)縫并未起到預(yù)期的保護(hù)壩體的作用[5]；普定拱壩修建完工后的第二年，溫泉堡碾壓混凝土拱壩也正式完工，壩體采用“誘導(dǎo)縫+橫縫+混合縫”的分縫形式，大壩運(yùn)行期間，誘導(dǎo)縫及混合縫多次張開，對(duì)削弱壩體溫度應(yīng)力、防止壩體產(chǎn)生隨機(jī)無序裂縫起到了重要作用[6]；沙牌碾壓混凝土拱壩，運(yùn)行初期誘導(dǎo)縫已部分張開，有效釋放了施工期溫度回降在壩體產(chǎn)生的較大的溫度應(yīng)力[6-7]。可見誘導(dǎo)縫能否充分發(fā)揮預(yù)期效果是控制壩體開裂的關(guān)鍵。

我國(guó)通過“八五”到“九五”兩次科技攻關(guān)，在誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度理論研究和誘導(dǎo)縫數(shù)值模擬方面取得一些研究成果。曾昭揚(yáng)等[8]提出了以斷裂能為參數(shù)的單向間隔結(jié)構(gòu)形式的誘導(dǎo)縫斷裂判別式及其等效強(qiáng)度計(jì)算模型；王學(xué)志等[9]建立了基于混凝土斷裂韌度尺寸效應(yīng)的雙向間隔誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度模型；周偉等[10]采用無厚度的接觸單元模擬誘導(dǎo)縫的工作性態(tài)，對(duì)考慮全過程瞬態(tài)溫度荷載的小灣拱壩誘導(dǎo)縫設(shè)置效果進(jìn)行了仿真分析；何婷等[11]和周偉等[12]提出一種新的模擬誘導(dǎo)縫形成過程、開合效應(yīng)及灌漿作用的復(fù)合接觸單元，并通過小灣拱壩驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和有效性；孫偉等[13]采用薄層接縫單元實(shí)現(xiàn)了循環(huán)荷載作用下含接縫非整體性拱壩的全過程模擬。

目前國(guó)內(nèi)高拱壩基本采用“誘導(dǎo)縫+橫縫”的分縫形式，設(shè)置橫縫及灌漿系統(tǒng)的溫控防裂技術(shù)已基本成熟，但橫縫施工比較復(fù)雜，影響整體施工進(jìn)度，因此在壩體合理的位置設(shè)置合適數(shù)量的誘導(dǎo)縫，使其在滿足大壩溫控標(biāo)準(zhǔn)和減小施工干擾的條件下，釋放壩體溫度應(yīng)力的同時(shí)又不影響壩體的剛度、整體性和穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)碾壓混凝土拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)安全性，是學(xué)術(shù)界和工程界普遍關(guān)心的問題，具有重要的實(shí)際研究意義。本文應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS，考慮施工期至運(yùn)行期全過程瞬態(tài)溫度荷載，采用薄層實(shí)體接縫單元模擬誘導(dǎo)縫，對(duì)只設(shè)置誘導(dǎo)縫的某碾壓混凝土拱壩進(jìn)行了溫度應(yīng)力仿真分析和誘導(dǎo)縫開裂情況分析，研究成果可為碾壓混凝土拱壩的設(shè)計(jì)和施工提供參考，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

2 計(jì)算原理

2.1 溫度場(chǎng)計(jì)算原理

根據(jù)熱量平衡原理，壩體混凝土溫度與時(shí)間和空間關(guān)系應(yīng)滿足如下熱傳導(dǎo)方程：

(1)

式中：a為混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h；θ為混凝土的絕熱溫升，℃。

溫度場(chǎng)定解條件(初始條件和邊界條件)詳見文獻(xiàn)[14]。

2.2 溫度應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算原理

壩體混凝土在某一時(shí)段內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變?cè)隽筷P(guān)系為：

(2)

將結(jié)點(diǎn)力和結(jié)點(diǎn)荷載加以集合的應(yīng)力場(chǎng)平衡方程為：

(3)

由公式(3)求得{Δδn}后，代入應(yīng)力-應(yīng)變?cè)隽筷P(guān)系式求出應(yīng)力增量。逐時(shí)段累加，得：

(4)

3 基于薄層接縫單元的誘導(dǎo)縫的模擬

3.1 薄層接縫單元

為了便于與普通實(shí)體單元相連接，薄層接縫單元的剛度矩陣與普通單元一樣，忽略了垂直于厚度方向的變形模量和耦合作用，其本構(gòu)矩陣中的法向彈模和切向彈模分別如公式(5)和(6)[13,15]。

(5)

式中：t為薄層接縫單元的厚度，m；Kni為法向初始剛度,MPa/m；σn為法向正應(yīng)力,MPa；Vm為法向最大壓縮量,m。

(6)

式中：Ksi為初始剪切剛度,MPa/m；τ為切向剪應(yīng)力,MPa；Rf為破壞比；τp為臨界剪應(yīng)力,MPa，τp=c-σn·tanφ。

3.2 誘導(dǎo)縫的模擬

為了釋放施工期溫度回降在壩體中產(chǎn)生的較大的溫度應(yīng)力，控制壩體隨機(jī)無序溫度裂縫的產(chǎn)生，須在壩體合理的位置設(shè)置合理數(shù)量的誘導(dǎo)縫。誘導(dǎo)縫斷面混凝土被部分削弱，而未被削弱的殘余的那部分混凝土所具有的抗拉強(qiáng)度(等效強(qiáng)度)對(duì)分析誘導(dǎo)縫的開裂狀況十分重要[16]。

基于誘導(dǎo)縫模擬的碾壓混凝土拱壩非整體性溫控仿真分析時(shí)，將徑向誘導(dǎo)縫單元(見圖1)視為彈性徐變體(見圖2)，垂直于層面方向的抗拉強(qiáng)度降低為誘導(dǎo)縫斷面等效強(qiáng)度，并相應(yīng)的降低法向剛度，而平行于層面方向的抗拉強(qiáng)度和彈性模量保持不變。假定Z軸垂直于層面，則誘導(dǎo)縫單元的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如下：

(7)

式中：Em、μm為層面方向的彈性常數(shù)；En、μn及Gn為垂直于層面方向的彈性常數(shù)。

圖1 誘導(dǎo)縫示意圖 圖2 彈性薄層實(shí)體接縫單元

3.3 誘導(dǎo)縫開裂判別準(zhǔn)則

本文采用的彈性薄層實(shí)體接縫單元能充分模擬壩體誘導(dǎo)縫在周期性荷載反復(fù)加載作用下的開合變化，反映不連續(xù)誘導(dǎo)縫面對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響[13]。誘導(dǎo)縫擴(kuò)展時(shí)，在做好誘導(dǎo)縫從閉合到開裂銜接過渡時(shí)單元類型轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，只需修改接縫單元的本構(gòu)關(guān)系，通過其高斯積分點(diǎn)法向正應(yīng)力，即可實(shí)現(xiàn)非整體性碾壓混凝土拱壩施工期及運(yùn)行期全過程溫度應(yīng)力仿真模擬和誘導(dǎo)縫接觸狀態(tài)的判別。誘導(dǎo)縫的開裂判別條件如下：

(8)

式中：σi為誘導(dǎo)縫縫面上的主拉應(yīng)力，MPa；σmax為拱端或拱冠最大主拉應(yīng)力,MPa；feq為誘導(dǎo)縫等效強(qiáng)度,MPa；ft為壩體混凝土抗拉強(qiáng)度,MPa。

當(dāng)薄層接縫單元法向正應(yīng)力首次達(dá)到其等效強(qiáng)度時(shí)，誘導(dǎo)縫面局部開裂，假定局部開裂的裂縫尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象能夠使誘導(dǎo)縫其他部位進(jìn)一步開裂，即將其視為面面接觸的非線性問題。仿真計(jì)算所采用的薄層接縫單元考慮了接觸面粘結(jié)、滑移、張開3種變形模式：(1)當(dāng)接縫單元的法向正應(yīng)力σn≤0且切向剪應(yīng)力τ0時(shí)，開裂后的接觸面處于張開模式。

4 工程算例

4.1 基本資料

4.1.1 工程概況 某碾壓混凝土拱壩最大壩高132 m，壩頂拱圈中心線弧長(zhǎng)337.60 m，壩頂厚8.0 m，拱冠梁底部厚35 m，厚高比0.265。大壩采用壩頂溢流和底孔泄流，泄洪建筑物正對(duì)下游主河床布置。壩體混凝土采用全年澆筑施工方式，2018年4月1日開始混凝土澆筑，2020年5月4日澆至壩頂，完成混凝土澆筑。壩體誘導(dǎo)縫布置位置見圖3。壩址區(qū)多年月平均氣溫統(tǒng)計(jì)資料見表1。

4.1.2 混凝土及基巖的材料參數(shù) 筑壩材料主要包括墊層常態(tài)混凝土C1(C28200W8F100)、迎水面二級(jí)配碾壓混凝土R1(C90200W8F50)、壩體內(nèi)部三級(jí)配碾壓混凝土R2(C90200W2F50)和溢流面常態(tài)混凝土C2(C2825F50)，壩體材料分區(qū)見圖4。混凝土及基巖熱力學(xué)參數(shù)見表2。

文獻(xiàn)[13]研究表明，垂直于誘導(dǎo)縫薄層接縫面的法向剛度可取為混凝土剛度的80%，誘導(dǎo)縫薄層接縫面的等效抗拉強(qiáng)度可取為混凝土抗拉強(qiáng)度的55%。

4.2 有限元計(jì)算模型

建立模擬壩體混凝土施工過程的整體計(jì)算模型，采用有限元分析軟件ANSYS的生死單元技術(shù)模擬壩體澆筑上升過程[17-18]。有限元計(jì)算模型如圖5所示。施工期計(jì)算步長(zhǎng)為1 d，運(yùn)行期的計(jì)算步長(zhǎng)為2～5 d的變步長(zhǎng)，利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言編制開發(fā)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算程序進(jìn)行每個(gè)荷載步的計(jì)算。

表1 壩址各月份月平均氣溫 ℃

圖3 壩體誘導(dǎo)縫布置位置示意圖 圖4 壩體材料分區(qū)圖

圖5 有限元計(jì)算模型

溫度場(chǎng)仿真計(jì)算采用Solid70單元，地基底面及4個(gè)側(cè)面均為絕熱邊界，壩體上、下游面在水位以上為固-氣邊界，假定混凝土表面熱流量與混凝土表面溫度和空氣溫度之差成正比，即按第三類邊界條件處理；水位以下為固-水邊界，混凝土表面溫度等于水溫，表面散熱系數(shù)β趨于無窮，即按第一類邊界條件處理[19]。應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算采用Solid185單元，地基底面按固定約束處理，4個(gè)側(cè)面加法向約束，其余為自由邊界[19]。

4.3 溫度應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL314-2004，本工程強(qiáng)約束區(qū)(高程433.3～449.3 m)碾壓混凝土基礎(chǔ)容許溫差為10～12℃，弱約束區(qū)(高程449.3～465.3 m)碾壓混凝土基礎(chǔ)容許溫差為12～14.5℃。根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL282-2003，壩體混凝土允許抗裂溫度應(yīng)力應(yīng)滿足：

σ≤εpEc/Kf

(9)

式中：σ為初始溫差、內(nèi)外溫差和上下層溫差所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力之和，MPa；εp為混凝土極限拉伸標(biāo)準(zhǔn)值，是混凝土抗裂性能的一個(gè)重要指標(biāo)；Ec為混凝土彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值，GPa；Kf為安全系數(shù)，根據(jù)重要性和開裂的危害性，本工程取為1.65。

根據(jù)壩體各部位混凝土彈性模量和極限拉伸值計(jì)算的混凝土允許拉應(yīng)力見表3。

表3 壩體各部位混凝土允許拉應(yīng)力 MPa

4.4 計(jì)算工況

本文在控制約束區(qū)澆筑溫度不超過17℃，非約束區(qū)澆筑溫度不超過21℃的情況下，對(duì)以下3種工況進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真研究。

工況1：該工況作為對(duì)比工況，不考慮通水冷卻措施。

工況2：該工況采取全壩段通水冷卻措施，通水時(shí)間為15 d，4月和10月澆筑混凝土通水溫度對(duì)應(yīng)為當(dāng)月河水溫度，5-9月澆筑混凝土通22℃冷卻水。澆筑層厚3 m，大層澆筑完立即通水冷卻，冷卻水管垂直間距與水平間距均為1.5 m，通水流量為1.0 m3/h，單根冷卻水管長(zhǎng)度為250 m。

工況3：該工況采取全壩段通水冷卻措施，通水時(shí)間為15 d，4月和10月澆筑混凝土通水溫度對(duì)應(yīng)為當(dāng)月河水溫度， 5-9月澆筑混凝土通18℃冷卻水。

其他條件與方案2相同。

4.5 計(jì)算成果分析

4.5.1 溫度場(chǎng)計(jì)算成果分析 本文在全壩段控制混凝土澆筑溫度的情況下對(duì)工況1～工況3進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真計(jì)算。圖6為通水冷卻前后各工況拱冠梁剖面基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)中間點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線；圖7為工況3基礎(chǔ)約束區(qū)碾壓混凝土最高溫度云圖；各工況不同區(qū)域碾壓混凝土最高溫度見表4。溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果表明：

(1)在強(qiáng)約束區(qū)碾壓混凝土范圍內(nèi)，工況1和工況2的最大溫差均大于基礎(chǔ)容許溫差，工況3的最大溫差小于基礎(chǔ)容許溫差；在弱約束區(qū)碾壓混凝土范圍內(nèi)，工況1最大溫差大于基礎(chǔ)容許溫差，工況2和工況3最大溫差均小于基礎(chǔ)容許溫差；非約束區(qū)碾壓混凝土范圍內(nèi)，工況1最高溫度為41.7℃，工況2最高溫度為37.4℃，工況3最高溫度為36.8℃。可見，工況3滿足溫度控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 2018-2019年通水冷卻前后各工況拱冠梁剖面基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)中間點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線

表4 各工況不同區(qū)域碾壓混凝土最高溫度℃

(2)壩體最高溫度出現(xiàn)在施工期內(nèi)，施工期對(duì)高溫季節(jié)澆筑的部位埋設(shè)冷卻水管進(jìn)行通水冷卻，可將壩體最高溫度降低4～5℃，降低冷卻水水溫可將壩體最高溫度降低0.5～0.7℃左右。

(3)在拱壩運(yùn)行過程中壩體混凝土與外界環(huán)境不斷地進(jìn)行熱交換，隨著時(shí)間的推移，壩體混凝土最高溫度逐漸降低并趨于穩(wěn)定溫度18.5℃。

4.5.2 應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算成果分析 由上述溫度場(chǎng)分析可知，工況3的最高溫度滿足溫度控制標(biāo)準(zhǔn)要求，因此根據(jù)工況3的溫度場(chǎng)仿真計(jì)算成果，對(duì)其應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，檢驗(yàn)是否滿足碾壓混凝土拱壩應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。圖8為工況3拱冠梁剖面不同高程典型點(diǎn)第一主應(yīng)力S1歷時(shí)曲線，壩體不同部位混凝土最大溫度應(yīng)力見表5。應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果表明：

(1)壩體應(yīng)力分布基本上與溫度分布相吻合，高溫季節(jié)(4-10月)澆筑的部位，溫度應(yīng)力相對(duì)較大；低溫季節(jié)(11-次年3月)澆筑的部位，溫度應(yīng)力相對(duì)較小,壩體表面應(yīng)力隨外界氣溫和水溫呈周期性簡(jiǎn)諧變化。

表5 壩體不同部位混凝土最大溫度應(yīng)力

(2)墊層常態(tài)混凝土最大溫度應(yīng)力為2.13 MPa，出現(xiàn)在低溫季節(jié)上游壩踵；迎水面二級(jí)配碾壓混凝土最大溫度應(yīng)力為1.86 MPa，壩體內(nèi)部三級(jí)配碾壓混凝土最大溫度應(yīng)力為1.63MPa，均出現(xiàn)在低溫季節(jié)壩體表面，主要原因是壩體該部位混凝土在高溫季節(jié)澆筑，較高的水化熱溫升和澆筑溫度導(dǎo)致混凝土溫度較高，入冬后壩體內(nèi)外溫差梯度較大，從而產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力；溢流面常態(tài)混凝土最大溫度應(yīng)力為2.27 MPa，出現(xiàn)在高溫季節(jié)常態(tài)混凝土內(nèi)部。壩體各部位最大溫度應(yīng)力均小于允許抗拉強(qiáng)度，滿足溫度應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。

4.5.3 誘導(dǎo)縫開裂分析 為簡(jiǎn)單起見，本文不進(jìn)行誘導(dǎo)縫裂縫開裂擴(kuò)展過程中的斷裂力學(xué)分析，而假定局部開裂的誘導(dǎo)縫縫端應(yīng)力能誘使混凝土進(jìn)一步開裂。基于應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算成果，根據(jù)誘導(dǎo)縫開裂判別式，對(duì)誘導(dǎo)縫開裂情況進(jìn)行定性分析，得到誘導(dǎo)縫的開裂情況見表6～8。誘導(dǎo)縫開裂分析表明：

(1)2#誘導(dǎo)縫在施工初期初始終未開裂，主要原因是壩體混凝土在高溫季節(jié)(4月份)開澆，溫升期(5-8月)使壩體混凝土儲(chǔ)存了較大的預(yù)壓應(yīng)力。在第1個(gè)低溫季節(jié)(2018年12月1日-2019年2月28日)，外界氣溫較低，壩體混凝土溫降較大，誘導(dǎo)縫在433.3～443.3 m高程拱端和拱冠應(yīng)力均小于縫面應(yīng)力，誘導(dǎo)縫上下游面均開裂，說明誘導(dǎo)縫布設(shè)位置合理且有效地釋放了溫度回降在壩體產(chǎn)生的較大溫度應(yīng)力；在第2個(gè)低溫季節(jié)(2019年12月1日-2020年2月29日)，誘導(dǎo)縫在433.3～443.3 m高程縫面應(yīng)力均大于拱端和拱冠應(yīng)力，誘導(dǎo)縫上下游面均開裂；在第3個(gè)低溫季節(jié)(2020年12月1日-2021年2月28日)，誘導(dǎo)縫在433.3～443.3 m高程上游面閉合、下游面開裂，其原因是上游受水庫(kù)蓄水水壓的影響，溫降應(yīng)力有所緩解。

表6 2#和3#誘導(dǎo)縫縫面應(yīng)力及誘導(dǎo)縫狀態(tài) MPa

(2)3#誘導(dǎo)縫在第1個(gè)低溫季節(jié)(2018年12月1日-2019年2月28日)、第2個(gè)低溫季節(jié)(2019年12月1日-2020年2月29日)及第3個(gè)低溫季節(jié)(2020年12月1日-2021年2月28日)，443.3～469.3 m高程拱端和拱冠應(yīng)力均小于縫面應(yīng)力，誘導(dǎo)縫上下游面均開裂，這在拱壩的施工和溫控防裂工作中是個(gè)有利因素，說明誘導(dǎo)縫設(shè)置較為合理。

(3)1#誘導(dǎo)縫和4#誘導(dǎo)縫第2個(gè)低溫季節(jié)(2019年12月1日-2020年2月29日)，508.5～530.8 m高程拱端和拱冠應(yīng)力均小于縫面應(yīng)力，誘導(dǎo)縫上下游面均開裂；在第3個(gè)低溫季節(jié)(2020年12月1日-2021年2月28日)，508.5～530.8 m高程誘導(dǎo)縫上下游面均開裂。說明誘導(dǎo)縫的設(shè)置削弱了壩體溫度應(yīng)力，有效防止了壩肩產(chǎn)生隨機(jī)無序裂縫，充分發(fā)揮了預(yù)期效果。

(4)5#誘導(dǎo)縫在第3個(gè)低溫季節(jié)(2020年12月1日-2021年2月28日)，551～562 m高程上下游縫面均開裂，有效釋放了壩體溫度應(yīng)力，說明誘導(dǎo)縫的布設(shè)位置是合理的。

4.5.4 誘導(dǎo)縫對(duì)壩體應(yīng)力的影響 在碾壓混凝土拱壩非整體性溫控仿真分析中，誘導(dǎo)縫的開裂情況直接影響著壩體應(yīng)力分布狀態(tài)，圖9為壩體上游面第一主應(yīng)力S1包絡(luò)圖。由圖9可以看出，忽略誘導(dǎo)縫縫端與基巖接觸部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象，壩體應(yīng)力分布均勻且出現(xiàn)明顯分區(qū)，壩體上游面最大主拉應(yīng)力為1.86MPa，小于迎水面二級(jí)配碾壓混凝土的允許抗拉強(qiáng)度。壩體在誘導(dǎo)縫處的溫度應(yīng)力明顯降低，隨著與誘導(dǎo)縫之間距離的增大，溫度應(yīng)力降低幅度逐漸減小，可見誘導(dǎo)縫對(duì)壩體不同部位應(yīng)力的削弱程度不同。誘導(dǎo)縫對(duì)壩體應(yīng)力的影響分析表明誘導(dǎo)縫的開裂在一定程度上削減了因基礎(chǔ)溫降引起的壩體溫度應(yīng)力，能夠保證壩體的抗裂安全性。

表7 1#和4#誘導(dǎo)縫縫面應(yīng)力及誘導(dǎo)縫狀態(tài) MPa

表8 5#誘導(dǎo)縫縫面應(yīng)力及誘導(dǎo)縫狀態(tài) MPa

圖7 工況3基礎(chǔ)約束區(qū)碾壓混凝土最高溫度云圖

圖8 拱冠梁剖面不同高程典型點(diǎn)第一主應(yīng)力S1歷時(shí)曲線

圖9 壩體上游面第一主應(yīng)力S1包絡(luò)圖

5 結(jié) 論

采用有限元軟件ANSYS對(duì)設(shè)誘導(dǎo)縫非整體性碾壓混凝土拱壩進(jìn)行了全過程溫控仿真分析，計(jì)算結(jié)果表明：

(1)在全壩段控制澆筑溫度(基礎(chǔ)約束區(qū)溫度≤17℃，非約束區(qū)溫度≤21℃)和采取通水冷卻(冷

卻時(shí)間15 d，冷卻水溫18℃)的雙重溫控措施下，壩體墊層常態(tài)混凝土的最大溫度應(yīng)力為2.13 MPa，迎水面二級(jí)配碾壓的混凝土最大溫度應(yīng)力為1.86 MPa，內(nèi)部三級(jí)配碾壓混凝土的最大溫度應(yīng)力為1.63 MPa，溢流面常態(tài)混凝土的最大溫度應(yīng)力為2.27 MPa，各部位混凝土的最大溫度應(yīng)力均小于其允許抗拉強(qiáng)度，因而可保證壩體在溫度荷載下的運(yùn)行安全。

(2)基于溫度應(yīng)力仿真的誘導(dǎo)縫開裂情況預(yù)測(cè)分析和誘導(dǎo)縫對(duì)壩體應(yīng)力影響分析表明，在忽略誘導(dǎo)縫縫端與基巖接觸部位應(yīng)力集中現(xiàn)象的條件下，壩體上游面最大主拉應(yīng)力為1.86 MPa，小于其允許抗拉強(qiáng)度。說明誘導(dǎo)縫的開裂能夠有效釋放因基礎(chǔ)溫降引起的拱向溫度應(yīng)力，減小壩體開裂風(fēng)險(xiǎn)。

(3)誘導(dǎo)縫的合理布置與溫度應(yīng)力仿真分析密切相關(guān)，真實(shí)可靠的溫度應(yīng)力仿真分析可保證誘導(dǎo)縫布置的合理性，合理的誘導(dǎo)縫布置可保證壩體在溫度荷載下的開裂安全。