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。通过对丹江口大坝加高的三维仿真分析，探索了通过温度控制解决加高问题的基本方法及可行性。结果表明，通过新混凝土的超冷、保温并选择适当的施工措施，可以改善坝踵应力状态，同时保证新老混凝土的结合面的大部分保持结合状态，从而保证新老混凝土的共同受力。
关键词：重力坝 有限元 温控 仿真分析
1 前言
水资源短缺将成为制约我国可持续发展的一个重要因素，随着水资源的不断开发，适合建坝的新坝址越来越少，由于需水量的增长和水库淤积的发展，已建的以供水、灌溉等为目的水库越来越不满足生产与生活用水对水资源的需求，因此己建大坝的加高，将成为未来大坝建设的一个重要任务。大坝加高在国外已有许多工程先例，如委内瑞拉的古里坝，日本的王泊坝、川上坝、新中野坝，美国的也尔奇坝，印度的科伊纳大坝，瑞士的大狄克桑斯坝等[1]。我国大坝加高的实例相对较少，位于大连市郊的英那河大坝加高己于2001年开工，南水北调中线方案的龙头工程——丹江口大坝的加高将于近期施工。
重力坝加高会带来三个主要问题，即老坝应力恶化、接合面开裂及新混凝土表面裂缝。传统上重力坝的加高主要关注老坝体应力恶化的问题，即由于新浇混凝土的温降收缩在老坝体内引起拉应力从而使坝体应力恶化。解决方法主要从减小新混凝土收缩的影响入手，如在新混凝土内预留竖直宽槽、新老混凝土结合面处设置滑动缝等[2，3]，这些方法施工复杂，且只能解决新混凝土沿坝坡方向的收缩带来的不利应力。加高带来的附加应力分析方法也以简化的算法为主，文献[4]早在上世纪60年代即推导了重力坝加高附加应力的材料力学和弹性力学算法，近期的加高计算开始采用仿真分析的方法，但仍限于平面问题，不能全面地把握加高后的应力问题。本文通过加高过程的三维仿真分析，研究通过温度控制措施解决加高问题的基本方法。
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）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。（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。
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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。 |
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图3 新混凝土浇筑时老坝面的温度对法向应力的影响 |
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。
加高带来的问题可从提高结合面强度、措施和温控措施3个方面入手解决。（1）提高结合面的强度，可通过凿毛、铺砂浆、插筋等措施解决。（2）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。（3）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。
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文献[1]曾提出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 |
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图4 局部降温对坝体应力的影响 |
3 丹江口大坝加高的温度应力仿真分析及温控措施
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丹江口水利枢纽后续工程是南水北调中线的龙头工程。该枢纽分两期施工，初期工程坝顶高程162.0m，设计蓄水位155m，已于1993年建成。后期续建工程混凝土坝坝顶高程176.0m，正常蓄水位170.0m。混凝土挡水坝坝顶加高14.6m，溢流坝段堰顶加高14m。图5为7#坝段加高前后剖面图。根据设计院提供的施工工期，7#坝段从2002年10月1日开始浇筑，月上升6.0m。现场可提供8℃的冷却水，拌合楼出机口的温度可降到8℃。每年5～9月高温季 |
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法向历史最大应力图。该应力是从所有应力中搜索出最大拉应力得到。由图可见，结合面法向都经历过拉应力，部分出现在施工期新混凝土温度由最高温度下降时，部分出现在运行期的冬季或夏季。拉应力超过1.OMPa的面积不到总结合面的10％，大于0.6MPa的面积小于结合面积的30％。由此可见部分接合面会被拉开，但大部分会处于结合状态。
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表1 混凝土计算参数
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指标名称 |
老混凝土 |
新混凝土 |
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导温系数a/(m2·h-1) |
0.00417 |
0.004225 |
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导热系数λ/kJ(m·h·℃)-1 |
9.84 |
9.97 |
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比热c/(kg·℃) |
0.9630 |
0.9630 |
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线膨胀系数a/(℃)-1 |
1.0×10-5 |
1.0×10-5 |
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容重ρ/(kg·m-3) |
2450 |
2450 |
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泊松比μ |
0.167 |
0.167 |
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绝热温升表达式Q(τ)/(℃) |
0.0 |
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弹性模量/GPa |
48.0 |
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4 结论
由如上分析及计算结果可以得到如下结论：(1）通过合适的温控措施，可以保证坝踵应力不致恶化。（2）周期性变化的气温使坝下游面伸缩，是引起结合面法向拉应力进而引起开裂的主要因素，该问题在普通重力坝中同样存在，只有通过保温和降低新混凝土最高温度的方法解决。（3）贴坡混凝土浇筑后老坝下游面的温度变化也是引起结合面开裂的原因之一。尽量减小新混凝土浇筑前后老坝面的温度变化可以部分解决该问题。（4）通过适当的温度控制，可以将结合面上的超标拉应力控制在一定范围内，从而保证足够面积的结合面保持粘接状态，使新老混凝土共同受力。新老混凝土结合面处出现开裂后，破坏了坝体的整体性。结合面的开裂对坝体整体受力和安全的影响，需要进一步研究。
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] Hollinggworth F. Druyts FHWM. The raising and strengthening of concrete grivity dams [J]. 13th Int. Congress on Lager Dams， 1979，1:298-310.
[3] Chavarri G， De Fries A， Shieh WY. Yeh CH. Rasing Guri gravity dam: stability and stress investigation [J]. 13th Int. Congress on Lager Dams， 1979， 1:45-56.
[4] 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).