過水灣水庫拱壩應力分析及施工溫度控制措施研究

陳章淼

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

1 概述

水庫建設是解決水資源時空分布不均，解決洪澇災害的有效工程措施。準確設計水庫可促進當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展的同時節(jié)約工程投入。大壩是水庫的重要工程建筑物，準確分析大壩應力可為大壩結構設計提供參考[1-2]。目前較為常用的壩體應力分析方法包括：數(shù)值模擬[3-4]、Adaso程序分析[5]。進行大體積混凝土澆筑時，往往會出現(xiàn)內(nèi)部溫度較高的現(xiàn)象，導致混凝土澆筑質(zhì)量較低，影響結構安全[6-7]。不合理的溫度控制措施往往會形成負影響，導致混凝土出現(xiàn)裂縫或者難以控制溫度，因此，合理設計降溫方案是十分必要的。

本文以思南縣過水灣水庫大壩為研究對象，對混凝土拱壩在不同工況下的應力分布特征及不同降溫方案下的應力場、溫度場特征進行研究。

2 大壩基本特征

思南縣過水灣水庫位于思南縣寬坪鄉(xiāng)，位于烏江二級支流楊家河的上游河段屬于烏江水系。壩址以上集水面積為133km2，主河道長21.6km，正常蓄水位以下庫容1.039×107m3；灌區(qū)設計灌溉面積50750畝；壩后電站裝機1200KW；水庫正常蓄水位678.0m，死水位662.00m，壩頂高程681.0m。拱壩最大壩高50.0m，頂寬5.0m，最大壩底寬17.7m，壩頂長度183.804m。

3 基于Adaso不同工況下拱壩應力分布特征研究

根據(jù)大壩基本結構建立計算模型，計算5種類型工況下的拱壩應力分布特征。

計算5種工況應力：(①正常蓄水位678.0m+冰壓力+設計正常溫降；②正常蓄水位678.0m；③設計洪水位；④死水位662.0m；⑤校校核洪水位680.052m+設計正常溫升。

各工況下游面右拱端最大主應力σ1計算結果如圖1所示，由圖1可知，工況四(死水位+設計正常溫升)下，不同壩體高程σ1呈波浪狀分布，與其他4種工況計算結果不同，其他4種工況整體表現(xiàn)為隨著壩體高程提高，σ1整體呈減小趨勢。這主要是因為死水位下，拱壩受溫度影響較大。

圖1 各工況下游面右拱端σ1計算結果

各工況下游面拱冠σ1計算結果見圖2，由圖2可知，各工況下隨著壩體高程增加σ1呈下降的趨勢，但在高程670m附近，各個工況σ1均出現(xiàn)極大值，工況五在655m附近σ1出現(xiàn)極小值。

圖2 各工況下游面拱冠σ1計算結果

圖3 各工況下游面左拱端σ1計算結果

各工況下游面左拱端σ1計算結果如圖3所示，由圖3可知，工況四(死水位+設計正常溫升)下，不同壩體高程σ1呈波浪狀分布，與其他4種工況計算結果不同，其他4種工況整體表現(xiàn)為隨著壩體高程提高，σ1整體呈減小趨勢。這主要是因為死水位下，拱壩受溫度影響較大。

4 施工溫度控制措施參數(shù)優(yōu)化設計

4.1 模型建立

使用冷水管控制施工過程中混凝土的溫度，設計3種布置方案：2m×2m，2m×1m，1m×1m。通過對比3種方案與不進行溫度控制的溫度場、應力場模擬結果，確定不同方案的溫度控制效果。一般情況下采用冷水管進行溫度控制時，往往需要在混凝土澆筑完成后繼續(xù)通水10d，設計進水口冷水溫度為10℃。布置方案如圖4所示。

圖4 冷水管布置方案

4.2 計算參數(shù)選取

利用ANSYS軟件分析混凝土拱壩澆筑過程中的溫度及應力變化特征。數(shù)值模擬基本參數(shù)見表1，混凝土徐變參數(shù)取值見表2。

表1 數(shù)值模擬計算參數(shù)取值

數(shù)值模擬分析時，混凝土徐變的計算公式如下：

C(t，τ)=(A1+A2/τα1)[1-e-k1(t-τ)]+(B1+B2/τα2)[1-e-k2(t-τ)]+De-k3τ[1-e-k3(t-τ)]

(1)

式中，C—混凝土的徐變程度；t-τ—持荷時間；k1、k2、k3、A1、A2、B1、B2、D、α1、α2表示徐變擬合的參數(shù)。取值見表2。

表2 混凝土徐變各參數(shù)取值

4.3 溫度場變化特征

在壩體內(nèi)部選取監(jiān)測點JC1和外部監(jiān)測點JC2，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析不同降溫方案拱壩溫度場及應力場的變化。JC1位于拱壩中心點，JC2位于拱壩水平方向中線左側(cè)角點。當施工至監(jiān)測點高程時開始進行監(jiān)測，至施工完成后繼續(xù)通水10天。JC1溫度場監(jiān)測結果如圖5所示。從圖5可知，不同降溫方案，混凝土內(nèi)部溫度場均表現(xiàn)為先快速上升后較為緩慢的下降，最終趨于穩(wěn)定的變化趨勢。采用冷水管進行降溫時，混凝土內(nèi)部的最高溫度與不進行降溫處理時相比較低。冷水管間距越小，混凝土溫度越低，表明降溫效果越好，但當冷水管間距過小時，有可能造成混凝土溫度低于環(huán)境溫度，造成混凝土澆筑質(zhì)量降低，形成裂縫。表面監(jiān)測點JC2溫度場變化趨勢與環(huán)境溫度變化趨勢基本一致。

圖5 JC1溫度場監(jiān)測結果

4.4 應力場變化特征

完成混凝土澆筑施工工作后，繼續(xù)監(jiān)測20天的應力變化情況，其中20～30d為完成澆筑后繼續(xù)通水降溫的過程，30～40d為結束通冷水降溫的過程。監(jiān)測平行水流方向的水平應力，分析壩體內(nèi)部及表面的應力變化過程。

不同降溫方案拱壩內(nèi)部監(jiān)測點JC1平行水流方向的水平應力監(jiān)測結果如圖6所示。從圖6可知，監(jiān)測時間段內(nèi)，JC1均表現(xiàn)為壓應力，這主要是內(nèi)部溫度差造成的。在20～25d時間段內(nèi)，水平壓應力呈現(xiàn)不斷增大的現(xiàn)象，在25～30d時間段內(nèi)，水平方向壓應力呈現(xiàn)出快速下降的現(xiàn)象，這主要是因為停止?jié)仓炷梁螅^續(xù)通水，降低了混凝土內(nèi)部的溫度，減小了混凝土結構與外界環(huán)境之間的溫差。在30d之后，水平方向應力有突然上升，這主要是由于下一階段施工的開始，造成荷載增加，從而出現(xiàn)該現(xiàn)象。使用冷水管對混凝土拱壩溫度進行控制后，有效降低了混凝土的溫度，有利于緩解拱壩內(nèi)部應力較大的現(xiàn)象，有利于提高混凝土澆筑質(zhì)量。

圖6 JC1水平方向應力變化特征

不同降溫方案拱壩內(nèi)部監(jiān)測點JC2平行水流方向的水平應力監(jiān)測結果如圖7所示。從圖7可知，監(jiān)測時間段內(nèi)，JC2均表現(xiàn)為拉應力，混凝土內(nèi)部與外界環(huán)境之間的溫度差是造成這種現(xiàn)象的主要原因。在新一層澆筑施工開始后，拱壩內(nèi)部應力出現(xiàn)突變，從圖中可知，冷水管布置間距越小，水平方向拉應力越大，主要是因為冷水管密度越大，混凝土溫度控制效果越好，但也導致混凝土溫度場變化較為劇烈，降低了混凝土的徐變作用，導致混凝土表面出現(xiàn)較大的拉應力集中現(xiàn)象。

圖7 JC2水平方向應力變化特征

不同降溫方案拱壩內(nèi)部監(jiān)測點JC2最大拉應力監(jiān)測結果如圖8所示。從圖8可知，監(jiān)測時間段內(nèi)，拱壩表面拉應力隨著時間逐漸增大，使用1m×1m布置冷水管時，剛把表面最大拉應力值最大，為2.15MPa，這將大于澆筑混凝土的抗拉強度，混凝土會出現(xiàn)破壞，出現(xiàn)拉張裂隙，影響混凝土澆筑質(zhì)量和美觀度。

5 結論

(1)使用Adaso程序分析，5種工況下拱壩上、下游側(cè)(右拱端、拱冠、左拱端)應力分布情況，左、右拱端除工況四外σ1整體呈減小趨勢，這是由于工況四水位低，溫度影響較大造成的，拱冠σ1隨著壩體高程增加σ1呈下降的趨勢。上、下游側(cè)各部位σ1變化趨勢幾乎一致，僅存在量值上的不同。

圖8 JC2最大拉應力變化特征

(2)冷水管布置間距越小混凝土溫度控制效果越好，但間距過小時將會造成拱壩表面形成拉張裂縫，影響混凝土澆筑質(zhì)量；通過對比選取2m×1m間距作為混凝土施工溫度控制措施。