普定碾压混凝土拱坝反馈仿真研究
摘要
普定水电站位于贵州省乌江上游三岔河上，拦河大坝是中国第一座、也是当时世界最高的碾压混凝土拱坝，属等厚拱圈、变半径变中心角拱坝。
施工期间，坝体和坝基埋设了大量的观测仪器设备。大坝的原型观测项目有应力应变观测、温度观测、渗流观测、接缝观测和裂缝观测。根据贵阳院的施工记录，共有190个观测点，其中116个一直工作良好。
温度观测表明，设计阶段的温度计算结果与实测大体接近。但是，大坝运行6年后，1999年发现49条裂缝，其中两条裂缝上下游贯穿，导致轻微渗漏。
根据“七五”重点科技攻关成果，该拱坝不会出现裂缝。即使出现裂缝，也应首先在诱导缝开裂。显然，原研究成果与实际不符。所以，深入研究裂缝产生的原因进而对诱导缝进行合理布设是有意义的。
本论文的主要研究成果如下：
1)对ANSYS软件相关功能进行了整合，从而可以使之用于碾压混凝土拱坝施工和运行全过程的不稳定温度场和应力场仿真分析。
2)对影响坝体温度场的一些因素做了敏感性分析。
3)根据普定拱坝实际施工过程及运行情况，进行了全过程温度场全过程仿真计算，并与实际值作比较分析。
4)对普定拱坝进行了全过程非线性应力应变仿真分析，并与实测资料做了一定的比较，最终分析了坝体开裂可能原因。
5)总结了碾压混凝土坝的温控防裂特点及裂缝形成的原因，探讨了碾压混凝土坝温控防裂中的几个重要问题，并提出了一些可行的温控措施。
Puding Hydropower Station is located in Guizhou province of China on the upper reaches of Wujiang river. The dam is the first roller compacted concrete arch dam in China and was also the highest RCC arch dam in the world at that tune. It was designed as an arch dam with constant thickness but variable radius and central angles.
During the construction period, various observation devices have been arranged and embed in dam body and rock foundation. The prototype observation items of the Puding RCC arch dam include stress and strain observation, temperature monitoring, observation of joints, crack and seepage pressure. According to the construction record given by Guiyang Hydroelectric Investigation, Design and Research Institute of China, there are 190 observation instruments and 116 of those are still working very well.
The temperature variations at some locations of Puding arch dam were obtained and the observation data show that the result of temperature filed simulation computation is generally consistent with the real condition. However after 6 years of operating, this arch dam was observed to have 49 cracks in January 1999. Above all, two of them penetrated from upstream face to downstream face and caused minor leakage.
According to all the researches during the Seventh Five Year Plan period of China, crack would not occur in this arch dam during the construction and operation period. And even if cracking took place, it should be expected in induced joints instead of the other parts of the dam body. Obviously, this research conclusion is not consistent with the fact. Therefore, it is worth to do further research to find out the cause of crack in the dam body and the correct way of the induced joint deployment.
The main research results are listed as follows:
1) The functional parts of the software ANSYS has been re-organized, in this way the software can be used to simulate the transient temperature field and stress field of RCC arch dam during the construction and operation period.
2 ) The sensitive analysis for the influence factors of dam temperature has been made. 3) According to the construction and operation record of the Puding RCC arch dam, the temperature simulation has been conducted. The calculation results have been compared
with the monitored data.
4) According to the construction and operation record of the Puding RCC arch dam, the stress simulation has been conducted. The calculation results have been compared with the monitored data, and the cause of crack has been analyzed.
5) The temperature control requests and crack cause have been summarized. Based on these knowledge the feasible crack prevention measures have been proposed .
施工期间，坝体和坝基埋设了大量的观测仪器设备。大坝的原型观测项目有应力应变观测、温度观测、渗流观测、接缝观测和裂缝观测。根据贵阳院的施工记录，共有190个观测点，其中116个一直工作良好。
温度观测表明，设计阶段的温度计算结果与实测大体接近。但是，大坝运行6年后，1999年发现49条裂缝，其中两条裂缝上下游贯穿，导致轻微渗漏。
根据“七五”重点科技攻关成果，该拱坝不会出现裂缝。即使出现裂缝，也应首先在诱导缝开裂。显然，原研究成果与实际不符。所以，深入研究裂缝产生的原因进而对诱导缝进行合理布设是有意义的。
本论文的主要研究成果如下：
1)对ANSYS软件相关功能进行了整合，从而可以使之用于碾压混凝土拱坝施工和运行全过程的不稳定温度场和应力场仿真分析。
2)对影响坝体温度场的一些因素做了敏感性分析。
3)根据普定拱坝实际施工过程及运行情况，进行了全过程温度场全过程仿真计算，并与实际值作比较分析。
4)对普定拱坝进行了全过程非线性应力应变仿真分析，并与实测资料做了一定的比较，最终分析了坝体开裂可能原因。
5)总结了碾压混凝土坝的温控防裂特点及裂缝形成的原因，探讨了碾压混凝土坝温控防裂中的几个重要问题，并提出了一些可行的温控措施。
Puding Hydropower Station is located in Guizhou province of China on the upper reaches of Wujiang river. The dam is the first roller compacted concrete arch dam in China and was also the highest RCC arch dam in the world at that tune. It was designed as an arch dam with constant thickness but variable radius and central angles.
During the construction period, various observation devices have been arranged and embed in dam body and rock foundation. The prototype observation items of the Puding RCC arch dam include stress and strain observation, temperature monitoring, observation of joints, crack and seepage pressure. According to the construction record given by Guiyang Hydroelectric Investigation, Design and Research Institute of China, there are 190 observation instruments and 116 of those are still working very well.
The temperature variations at some locations of Puding arch dam were obtained and the observation data show that the result of temperature filed simulation computation is generally consistent with the real condition. However after 6 years of operating, this arch dam was observed to have 49 cracks in January 1999. Above all, two of them penetrated from upstream face to downstream face and caused minor leakage.
According to all the researches during the Seventh Five Year Plan period of China, crack would not occur in this arch dam during the construction and operation period. And even if cracking took place, it should be expected in induced joints instead of the other parts of the dam body. Obviously, this research conclusion is not consistent with the fact. Therefore, it is worth to do further research to find out the cause of crack in the dam body and the correct way of the induced joint deployment.
The main research results are listed as follows:
1) The functional parts of the software ANSYS has been re-organized, in this way the software can be used to simulate the transient temperature field and stress field of RCC arch dam during the construction and operation period.
2 ) The sensitive analysis for the influence factors of dam temperature has been made. 3) According to the construction and operation record of the Puding RCC arch dam, the temperature simulation has been conducted. The calculation results have been compared
with the monitored data.
4) According to the construction and operation record of the Puding RCC arch dam, the stress simulation has been conducted. The calculation results have been compared with the monitored data, and the cause of crack has been analyzed.
5) The temperature control requests and crack cause have been summarized. Based on these knowledge the feasible crack prevention measures have been proposed .
引文
[1] 能源部、水利部碾压混凝土筑坝推广领导小组·碾压混凝土筑坝—设计与施工·北京：电子工业出版社·1990
[2] 吴中如等·碾压混凝土坝安全监控理论及其应用·北京：科学出版社·2001
[3] 沈崇刚·中国碾压混凝土坝技术的进展与运行经验·水力发电,1999·第10期：41
[4] 杨康宁·碾压混凝土坝施工·北京：中国水利水电出版社·1996
[5] 沈崇刚·中国碾压混凝土坝的发展成就与前景(上)·贵州水力发电·2002年第6期·16卷
[6] 吴冥高·当前世界上已建及在建的碾压混凝土拱坝·河海大学学报·2002年7月：70
[7] 李春敏等·析我国碾压混凝土拱坝技术·水利水电技术·2001年第11期·32卷：7～8
[8] 陈东平·微拱重力坝设计问题的探讨·水利水电技术·1990(1)：36～41
[9] 丁汉涛·碾压混凝土坝横缝的新型结构—间断缝初探·水利水电技术·1990(2)：47～50
[10] Hollingworth E, Hooper D.J. · Roller compacted concrete arched dams. Water Power and Dam Construction · 1989(11):51～55
[11] 汪志福，王传志·普定水电站碾压混凝土拱坝性态研究·水力发电·1995(10)：20～25
[12] 黄淑萍·普定碾压混凝土拱坝整体碾压温度控制技术研究·水力发电·1995(10)：15
[13] 黄达海·水利水电科技进展·2000年6月(3)：21～24
[14] 柴军瑞·水利水电科技进展·2001年12月(6)：1～4
[15] 沈崇刚·中国碾压混凝土坝的发展成就与前景·贵州水力发电·2002年第3期
[16] 鲍庆芳等·碾压混凝土拱坝的发展方向及其问题的探讨·黑龙江水利科技·2002年第3期：50～51
[17] Zhu Bofang, Xu Ping and Wang Shuhe · Thermal Stresses and Temperature Control of RCC Gravity Dams · Proceedings of International Symposium on Roller Compacted Concrete Dams · April 21-25,1999,Chengdu, China,65～77
[18] 朱伯芳等·水工混凝土结构的温度应力与温度控制·北京：水利电力出版社·1976
[19] 朱伯芳·大体积混凝土温度应力与温度控制·北京：中国电力出版社·1999
[20] 王建江，陆述远·碾压混凝土浇筑层的温度计算·武汉水利电力大学学报·1996年第1期
[21] 王建江，陆述远等·RCCD温度应力分析的非均匀单元方法·力学与实践·1995年第3期
[22] 朱伯芳·多层混凝土结构仿真应力分析的并层算法·水力发电学报，1994(3)：21～30．
[23] 朱伯芳·不稳定温度场数值分析的时间域分区异步长算法·水利学报，1995(8)：40～52．]
[24] 陈尧隆，何劲·用三维有限元浮动网格法进行碾压混凝土重力坝施工期温度场和温度应力分析·水利学报·1998年7月(增刊)
[25] 李守义，陈尧隆等·高碾压混凝土坝温度应力研究·西安理工大学学报·1997年第3期
[26] 朱伯芳·考虑水管冷却效果的混凝土等效热传导方程·水利学报，1991(3)：13～19．]．
[27] Zhu Bofang, Xu Ping ·Thermal Stresses and Temperature Control of Roller Compacted Gravity Dams ·Dam Engineering, 1995,6(3):199～220
[28] 朱伯芳．碾压混凝土拱坝的温度控制与接缝设计。水力发电·1992(9)：11～17
[29] 蔡为武·碾压混凝土坝温控防裂探讨·广西水利水电·1999年第1期
[30] 朱伯芳·拱坝应力控制标准研究·水力发电·2000(12)：39～44
[31] 周维垣，杨若琼，剡公瑞·高拱坝的有限元分析方法和判据研究·水利学报·1997(9)：1～6．
[32] [S D 145 85，混凝土拱坝设计规范[S]．]
[33] 陈莉静，陈尧隆等·碾压混凝土坝温度场和温度应力仿真计算可视化系统研究·红水河·2001年第2期
[34] ANSYS公司北京办事处·ANSYS热分析培训手册·2000．5
[35] ANSYS公司北京办事处·ANSYS热分析指南·2000．1
[36] ANSYS公司北京办事处·ANSYS结构场分析指南·2000．1
[37] ANSYS公司成都办事处·ANSYS APDL使用指南·2001．8
[38] ANSYS公司北京办事处·ANSYS建模与分网指南·2000．1
[39] ANSYS公司北京办事处·ANSYS高级技术分析指南·2000．1
[40] 潘家铮·水工建筑物的温度控制·北京：水利电力出版社·1990
[41] 电力工业部贵阳勘测设计院·普定碾压混凝土拱坝筑坝新技术研究专题总报告·1995年8月。
[42] 能源部水利部贵阳勘测设计院·碾压混凝土拱坝结构图·1990年8月
[43] 能源部水利部贵阳勘测设计院·大坝基础开挖图·1990年10月
[44] 许勇·普定电站大坝裂缝工程总结·红枫发电总厂水工分厂·1999年2月
[45] 杨志雄等·我国建成的首座碾压混凝土拱坝—普定拱坝·水力发电·2001年·第9
[46] 朱伯芳·有限单元法原理与应用·中国水利水电出版社·1998
[47] 陈德祥，许勇·普定水电站碾压混凝土拱坝裂缝成因探讨·贵州水力发电·2000年(1)：34～39
[48] 王传杰，汪志福·普定碾压混凝土拱坝原型观测及分析反馈·贵州水力发电·1995年第3期：28～35
[49] 朱伯芳·朱伯芳院士文选·北京：中国电力出版社·1997
[50] 冯民权，樊灏等·对碾压混凝土筑坝技术若干问题的认识·山西水利技术·1994年第3期
[51] 姜福田·碾压混凝土·北京：中国铁道出版社·1991
[53] 徐跃之·RCC施工期温度应力分析及施工安排·人民长江·1998年第9期
[54] Bofang Zhu and Ping Xu · Thermal Stresses and Temperature Control of Concrete Gravity Dams without Longitudinal jiont , in:Innovation in Concrete Structures : Design and Construction · Proceedings of International Conference held at University of Dundee, Scotland, UK, 8～10, September 1999, pp.127～134
[55] 黄其愚·铜街子工程碾压混凝土溢流坝段的温度控制研究·四川水力发电·1994年第4期
[56] 冯立生，周宜红·太阳辐射热对碾压混凝土施工的影响·红水河·2001年第1期
[57] 李维孟·京南水利枢纽高温季节混凝土施工的温控措施及效果·广西水利水电·1998年第3期
[58] 周献文·普定水电站碾压混凝土拱坝及防渗研究·水力发电·1998年第2期：10～20
[59] 汪志福，王传杰·普定水电站碾压混凝土拱坝性态研究·水力发电·1995年第10期：20～25
[60] 曾昭扬，马黔·高碾压混凝土拱坝中的构造缝问题研究·水利发电·1998年第2期：30～34
[61] 王勖成，邵敏编著·有限单元法基本原理和数值方法·北京：清华大学出版社，1997
[2] 吴中如等·碾压混凝土坝安全监控理论及其应用·北京：科学出版社·2001
[3] 沈崇刚·中国碾压混凝土坝技术的进展与运行经验·水力发电,1999·第10期：41
[4] 杨康宁·碾压混凝土坝施工·北京：中国水利水电出版社·1996
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[26] 朱伯芳·考虑水管冷却效果的混凝土等效热传导方程·水利学报，1991(3)：13～19．]．
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[36] ANSYS公司北京办事处·ANSYS结构场分析指南·2000．1
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[38] ANSYS公司北京办事处·ANSYS建模与分网指南·2000．1
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[40] 潘家铮·水工建筑物的温度控制·北京：水利电力出版社·1990
[41] 电力工业部贵阳勘测设计院·普定碾压混凝土拱坝筑坝新技术研究专题总报告·1995年8月。
[42] 能源部水利部贵阳勘测设计院·碾压混凝土拱坝结构图·1990年8月
[43] 能源部水利部贵阳勘测设计院·大坝基础开挖图·1990年10月
[44] 许勇·普定电站大坝裂缝工程总结·红枫发电总厂水工分厂·1999年2月
[45] 杨志雄等·我国建成的首座碾压混凝土拱坝—普定拱坝·水力发电·2001年·第9
[46] 朱伯芳·有限单元法原理与应用·中国水利水电出版社·1998
[47] 陈德祥，许勇·普定水电站碾压混凝土拱坝裂缝成因探讨·贵州水力发电·2000年(1)：34～39
[48] 王传杰，汪志福·普定碾压混凝土拱坝原型观测及分析反馈·贵州水力发电·1995年第3期：28～35
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[50] 冯民权，樊灏等·对碾压混凝土筑坝技术若干问题的认识·山西水利技术·1994年第3期
[51] 姜福田·碾压混凝土·北京：中国铁道出版社·1991
[53] 徐跃之·RCC施工期温度应力分析及施工安排·人民长江·1998年第9期
[54] Bofang Zhu and Ping Xu · Thermal Stresses and Temperature Control of Concrete Gravity Dams without Longitudinal jiont , in:Innovation in Concrete Structures : Design and Construction · Proceedings of International Conference held at University of Dundee, Scotland, UK, 8～10, September 1999, pp.127～134
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[56] 冯立生，周宜红·太阳辐射热对碾压混凝土施工的影响·红水河·2001年第1期
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[59] 汪志福，王传杰·普定水电站碾压混凝土拱坝性态研究·水力发电·1995年第10期：20～25
[60] 曾昭扬，马黔·高碾压混凝土拱坝中的构造缝问题研究·水利发电·1998年第2期：30～34
[61] 王勖成，邵敏编著·有限单元法基本原理和数值方法·北京：清华大学出版社，1997
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