混凝土拱坝是受多向约束的超静定结构,坝体应力受温度影响较大,过大温差变化通常会产生超过混凝土强度的温度应力,进而导致坝体产生裂缝,故对混凝土拱坝进行温度分析与控制是大坝防裂的关键之所在。传统的温控措施诸如降低入仓温度、减小绝热温升、冷却水管降温等均能有效控制大坝混凝土最大温升,降低温度梯度,减小温度应力,从而防止拱坝产生裂缝。但上述温控防裂方法通常具有经济性差,施工干扰较大等缺点,近年来通过混凝土外掺氧化镁进行坝体防裂的方法越来越引起人们的重视。该方法充分利用了氧化镁的延迟微膨胀特性来降低或抵消混凝土的收缩变形,减小坝体混凝土拉应力,进而可有效降低大坝开裂的可能。本文围绕外掺氧化镁混凝土拱坝进行温控仿真分析与防裂研究,主要研究工作如下:首先介绍了外掺氧化镁混凝土在坝体温控防裂方面的研究现状;然后开展了外掺氧化镁混凝土变形特性试验研究,建立了考虑温度、龄期、氧化镁掺量等因素的混凝土体积变形模型;接着开展了不同粗糙度条件下混凝土表面热交换测试研究,推导发展了多因素影响的混凝土表面换热系数模型;以某工程为背景,建立了拱坝温控仿真计算模型,模拟了坝体施工过程,研究了氧化镁掺量对坝体温度场及应力场的影响;最后综合考虑氧化镁掺量、施工间隔以及混凝土入仓温度,对混凝土拱坝的施工过程进行了优化研究。取得了以下成果:1)开展了外掺氧化镁混凝土变形特性试验研究,发展了氧化镁混凝土自生体积变形数学模型。该模型考虑了温度、龄期、氧化镁掺量等多因素对混凝土体积变形的影响,与试验测试数据比较表明,模型能较准确地预测不同氧化镁掺量混凝土体积变形随温度、龄期的演化情况,可为外掺氧化镁混凝土拱坝温控仿真分析施工方案优化提供较好的参数模型支撑。2)开展了不同粗糙度条件下混凝土表面热交换测试研究,推导发展了多因素影响的混凝土表面换热系数模型。模型包含混凝土表面粗糙度、风速、空气湿度及其导热性等对表面热交换性能的综合影响,能较好反映复杂边界条件下混凝土拱坝表面热交换情况,为较准确进行大坝温度场仿真分析提供支撑,进而为较好计算混凝土温度应力、控制温度裂缝提供可能。3)以淋溪河工程为背景,建立了考虑不同氧化镁掺量下混凝土温度应力补偿效果的三维有限元数值模拟模型。该模型考虑了自生体积变形和热交换系数,并结合了环境、施工方案和材料力学参数等其他参数的影响。该模型克服了当前商业软件的不足,能够模拟外掺氧化镁混凝土自生体积变形对大坝温度应力的影响。4)结合现有文献在分析了传统温控措施的特点基础上,对氧化镁混凝土的工作机理进行了分析,并在温控仿真计算原理中引入氧化镁的作用。计算结果表明,氧化镁对改善坝体应力效果较好,对坝体最大温升的影响不显著。氧化镁掺量越高,控制坝的热应力就越好,具体而言,在所采用的氧化镁掺量下(3-5%),当掺入5%氧化镁时,混凝土的拉应力最低。大坝的最大拉应力均满足许可拉应力,证明了外掺氧化镁可以起到补偿收缩和控制温度应力的作用,为控制混凝土裂缝提供了一种有效的方法。5)混凝土坝的温度和温度应力分布及其随时间的发展,除了取决于混凝土的力学参数和周围环境因素外,还取决于混凝土层的初始浇筑温度和施工时间等因素。这两个数值是根据数值模拟的结果确定的。计算结果表明,不同施工方案的最大温度应力和温度值不同,出现的时间和位置也不同。分析了不同施工方案的温度场和应力场的变化。计算结果再次证实了混凝土坝在不同的材料条件和控制方法下的温度和温度应力将得出不同的计算结果。6)分析了拱坝施工过程中的多目标组合优化问题,综合考虑氧化镁掺量、施工层间间隔、混凝土入仓温度等因素作用下的坝体施工仿真优化作为优化问题的因变量。此外,将温度和应力作为目标函数且因变量必须满足。计算结果为混凝土坝的温控防裂措施和更加精准有效的施工方案提供了支持。优化结果表明,即为了达到总体上的最佳效果,应保证混凝土中的氧化镁掺量为5%,每层混凝土的施工时间不少于八个昼夜,同时混凝土拌合物的初始温度不高于11~oC。优化结果有助于寻找混凝土坝温控防裂的解决方案,为采取更加准确有效的混凝土坝施工措施提供支持。