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考虑封拱灌浆过程的高拱坝施工期仿真分析混凝土拱坝施工一般按收缩缝划分的坝段浇筑，同时分 阶段自下而上接缝灌浆形成整体。高拱坝的柱状浇筑、分期灌 浆和分期蓄水过程需要历时几年因此施工过程中由于分阶 段接缝灌浆引起的结构体系转变，以及混凝土自身材料性质 和外荷载的变化对拱坝应力和横缝状态的影响是值得研究的 问题。本文采用有限元法考虑横缝的接触非线性模拟了分 期封拱灌浆过程和提前蓄水过程，并对某高拱坝施工期温度 场、应力场和灌浆前的横缝开度变化作了较全面的计算预测 分析。以接触单元模拟拱坝横缝并考虑封拱灌浆过程的高拱 坝仿真分析，能够更合理地反映拱坝浇筑过程中结构体系的 转变和荷载的传递积累。
拱坝的温度场和应力场受很多因素的影响，为使计算成 果能够较准确地反映客观实际，分析中应尽可能全面地模拟 施工和运行过程中的各种条件和因素。本文在温度场分析中 考虑了外界环境的变化、施工过程、自身水化热和温控措施等
因素应力场分析除考虑施工过程外还考虑了材料力学特性 和外荷载的变化过程。 大坝的分层浇筑过程使用单元生死来实现。温度场分析 中混凝土浇筑块的初始温度采用浇筑温度新老混凝土结合 面处的初始温度采用上下层结点温度的平均值。基础部分边 界面、混凝土与水接触的边界混凝土与空气接触的边界分别 按绝热边界条件、第一类边界条件和第三类边界条件考虑。水 化热变化按双曲线函数考虑冷却水管采用等效热传导方程模 拟。应力分析中弹模变化和徐变度均按指数函数形式考虑。
混凝土高拱坝的施工过程是逐渐由上梁下拱"结构体系 转变为整体拱坝结构体系的未封拱灌浆的坝段并不是完全 分离的悬臂梁坝段间虽不能传递拉应力但可以通过键槽相 互咬合和摩擦作用传递压、剪应力，是典型的非线性接触问 题。因此对于施工过程中非整体拱坝的研究关键之处在于
接缝的模拟。本文中坝体的横缝采用接触单元模拟，即缝两 侧坝体单元表面，一侧定义为接触面单元，另一侧定义为目 标面单元，组成接触单元对。横缝法向不抗拉，切向应力满足 库仑摩擦定律
式中为缝面最大剪应力f为摩擦系数f=0.8o,为法向应 力r为粘聚力c=1.0MPa。灌浆前横缝用接触单元模拟灌浆 后按整体无缝计算。 本文用罚函数法计算接触力。罚函数法允许相互接触的 边界产生穿透并通过罚因子将接触力大小与边界穿透量大 小联系起来，这种穿透现象仅反映接触处于粘式状态，并不 反映实际结构在接触部位的位移场分布。
某拱坝为混凝土抛物线双曲拱坝最大坝高305m坝体 共设26条横缝间距约23m坝体由左至右分为27个坝段， 温度场和应力场计算采用相同的有限元模型坝体和岩体采 用8结点六面体等参单元，坝体横缝采用4结点接触单元模 拟。坝体网格剖分情况为竖向沿每一浇筑层分3层水平向 沿坝体厚度方向分4层沿拱向分为56层。坝体混凝土共分 为35952个单元，33338个结点坝体横缝共分22416个接 触单元，18940个结点岩体共分8996个单元，12152个结 点。单元总数为67364个结点总数为41652个。
1.3温控措施和灌浆区划分
坝体混凝土分块浇筑浇筑温度14℃，月平均上升6m 约4年浇完。冷却水管采用直径为32mm的聚乙烯塑料管 冷却水流量为0.90m/h，水管按1.5mx3.0m（水平x竖直）布 置一、二期冷却水温分别为14℃和7℃冷却延续时间通过 典型浇筑块试算获得。坝体自下而上共分为22个灌浆区1号 灌浆区高度为11m2~8号灌浆区高度为12m，其余均为15 m。灌浆区内最上一个浇筑层浇筑3个月后开始进行灌浆死 水位（1800.0m高程以下坝体封拱灌浆完成后开始蓄水
施工期温度场仿真计算的主要目的是预测坝体在施工过 程中的温度变化过程和确定温度荷载。为了描述在不同季节 浇筑和灌浆的坝体混凝土温度变化过程于拱冠处选取在1、 3、5月和7月浇筑的分别属于1、8、15号和22号灌浆区的部 位这些部位上下游面和中心的温度过程线如图1所示。经 分析认为： （1）施工期坝体温度变化总的规律是由于水化热和一期 水管冷却的联合作用温度达到第一个峰值，而后在一期冷 却和二期冷却过程中温度逐渐降低，停止冷却后上下游面 混凝土温度受气温和水温影响变化较大，而中心温度变化 很小。 （2）施工期温度场中最重要的是混凝土由于水化热作用 上升的最高温度和二期冷却后降低到的温度。1月浇筑的部位 坝体中心温度的第一个峰值达到21.6℃经一期冷却后降至 18.1℃二期冷却后降至14.3℃而在3、5月和7月浇筑的部
位由于气温较高温度第一个峰值分别达到23.6、24.7℃和 28.0℃经一期冷却后分别降至17.218.7和20.6℃，二期冷 却后分别降至13.4、12.1和13.2℃。说明按照计算采用的温控 措施（浇筑温度、水管冷却和坝面保温）二期冷却后混凝土温 度能降至13~15℃。 （3）为防止二期冷却过程中的冷量损失，保证坝面混凝土 温度也能降至规定的温度，在高温季节二期冷却时坝面需加 厚保温板，计算时按10cm厚泡沫塑料保温板等效放热系数 取值计算出二期冷却结束时上下游面和中心的温差仍较大 最高超过8℃不利于横缝在上下游表面的张开度要求。 （4）二期冷却后，上下游面温度随气温周期变化夏季最 高在26℃以上冬季最低在13℃左右蓄水后上游面温度突 变降至河水温度温降值为6~8℃。
2.2施工期应力场分析
把温度场计算中相邻时间步的温差作为应力计算相应时 间步的温度荷载并考虑自重荷载的累加过程和蓄水过程，仿 真计算施工过程中坝体的应力。在拱冠处选取1、3、5月和7 月浇筑的分别属于1、8、15号和22号灌区的部位，这些部位 上下游面和中心的主拉应力过程线见图2。分析认为： （1混凝土温度从初温上升到第一个峰值经历了较长时 间的温升过程由于这个阶段混凝土的弹模小而徐变大，因此 产生的应力不大。但在一、二期冷却过程中混凝土温度又从
图2 主应力历程曲线
最高温度降至稳定温度，这个过程混凝土的弹模较大而徐变 较小在坝体内会产生很大的拉应力。1月浇筑的部位在水 管冷却阶段坝体中心主拉应力最大值为0.61MPa，而在3、5 月和7月浇筑的部位，主拉应力最大值分别达到1.01、1.60 MPa和1.65MPa在坝体表面也出现了约1.2MPa的拉应力。 因此水管冷却在坝体内部产生的拉应力是值得关心的。 （2）油于坝面受气温影响表面温度变幅较大冬季坝体 表面出现较大的拉应力，应力值在0.60~0.75MPa之间，可以 预测突然降临的寒潮也将在坝体产生较大的拉应力，说明冬 李坝面保温对防止表面裂缝很重要。 （3）冬季上游蓄水表面由第三类边界条件变为第一类边 界条件坝面温度骤降，产生较大的拉应力如初蓄水时①号 灌浆区坝体混凝土由于水温的影响拉应力达到1.51MPa② 号灌区达到0.62MPa。所以大坝初蓄水时温降产生的拉应力 是不容忽视的。
拱坝施工过程中横缝开度是一个比较重要的问题现行 规范国规定灌浆前接缝的张开度不宜小于0.5mm，否则必须 采用超细水泥灌浆或提高灌浆压力。说明二期冷却后横缝的 开度是保证灌浆能否正常进行的关键。 为观察横缝在拱圈方向的分布规律列出了13个灌浆区 各横缝在二期冷却结束时上、下游面和中心的缝宽(见表1） 其中缝号1表示1号坝段和2号坝段间横缝以此类推。拱冠
附近15号横缝的几个灌浆区从浇筑开始至二期冷却结束 缝宽变化过程见图3
图3横缝开度历程曲综
（1）从表1可以看出对于13个灌浆区各横缝在二期冷 却结束时，除右拱端22号横缝缝宽（0.26~0.47mm）小于0.5 mm不满足灌浆要求外其余部位横缝开度均在0.7~2.0mm 之间均满足灌浆要求。缝宽在拱圈方向的分布规律为从拱端 向拱冠由窄变宽在上下游方向拱端附近横缝上游窄而下游 宽而拱冠附近横缝上游宽而下游窄。 （2）从图3看出浇筑开始时缝宽初始值为零在升温过 程中坝体混凝土膨胀，拱轴线方向的膨胀效应使得各坝段间 在横缝位置产生预压应力此时缝面是闭合的随着层面散热 和冷却水管的降温作用，坝体混凝土温度从最高温度逐渐下 降温降作用抵消了早期升温过程中横缝位置的预压应力db3502z 029.4-2015 厦门市城市道路交通管理设施设置规范 第4部分 路内停车泊位，使 横缝逐渐张开在二期冷却结束时温度接近最低值横缝开度
达到最大值。当横缝开度为负值时说明相邻坝段的对应接触 面有穿透现象表征该处横缝是闭合的。 （3）为了说明坝体蓄水对横缝开度的影响计算了坝体不 蓄水的情况作为对比。提前蓄水后拱坝上部灌区由于水压使 横缝产生预压应力横缝张开前温降作用除了抵消温升产生 的预压应力外还要抵消水压产生的预压应力，因此，蓄水影 响下横缝最大宽度比不蓄水情况小横缝从受压状态过渡到 开始张开所需的时间也比不蓄水情况长。 （4）同一横缝在相同高程上下游和中心的开度不同这与 霍浆的季节密切相关。例如在2月低温季节灌浆的6号灌浆区 的横缝上、下游最大横缝开度分别为1.42mm和1.29mm，大 于中心开度（1.03mm）而在6月气温较高时灌浆的8号灌浆 区，上、下游最大横缝开度分别为0.96mm和0.52mm小于中 心开度（1.84mm）如前所述高温季节灌浆的混凝土在二期冷 却过程中坝体表面按照覆盖10cm厚泡沫塑料板保冷考虑冷 却结束时上下游面和中心的温差仍较大使得表面缝宽远小于 中心缝宽甚至达不到灌浆要求。因此在高温季节灌浆时要通 过计算确定能够保证表面缝宽达到灌浆要求的保温板厚度。
图3不同高度的大坝、加速度组合结果
阶、7阶和9阶。因此，可以看出，与低坝相比高坝在坝体地 震反应中高阶振型的参入量相对增大。 （2随着坝高的增加高坝的高阶周期与地震卓越周期迁 合的几率增大。从图2可以看出随着坝高的增加考虑的振 型阶数有所增加与低坝相比高坝具有更多高阶振型的周期 与地震卓越周期相迁合，从而使得高阶周期的放大效应显著 增加从某种程度上影响了大坝的地震加速度分布。 （3随着坝高的增加沿坝高的加速度分布高坝与低坝会