混凝土雙曲拱壩封拱溫度場有限元分析研究

張曉旭

(齊齊哈爾市龍沙區農業綜合服務中心，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

1 工程概況

某混凝土拱壩采用C20堆石混凝土拱壩擋水，樞紐建筑物包括攔水壩、壩身泄洪底孔、電站廠房和壩前護坦組成。大壩壩高97.00m，壩頂高程1042.5m，壩頂寬度5.0m，壩頂弧長186.62m。大壩下游設置混凝土護坦，護坦長40m，寬48.0m，厚度4.0m。防滲體系采用固結加帷幕的組合防滲形式。碾壓混凝土拱壩有限元網格剖分圖，見圖1。

圖1 碾壓混凝土拱壩計算模型單元剖分圖

2 溫度應力分析有限元原理[2]

按混凝土拱壩設計規范，拱壩運行期溫度荷載計算表達式為：

Tm=Tm1+Tm2-Tm0

(1)

Td=Td1+Td2-Td0

(2)

式中：Tm為平均溫度變化值,Td為等效線性溫度差。

Aa=(Ta7-Ta1)/2

(3)

式中：Aa為多年氣溫年變幅，考慮日照因素定義Aa=11.95℃。

庫水位作用時，平均溫度變化表達為：

Tm2=±ρ1Ae

(4)

Td2=0

(5)

當L≥10m時

(6)

3 工程實例

3.1 壩體體型參數

雙曲拱壩體型參數，見表1。

表1 雙曲拱壩體型參數

3.2 應力控制標準[3]

應力控制標準系數值，見表2。基本組合時允許最大主壓、拉應力為5.7Mpa和1.2MPa。特殊荷載組合時允許最大主壓、拉應力為6.7Mpa和1.5MPa。

表2 應力控制標準系數值

3.3 壩體混凝土

壩體混凝土容重24kN/m3，彈性模量25500MPa，泊松比0.16，溫度線脹系數0.00001。

計算采用氣象資料有：多年平均氣溫17.9℃，1、7月多年月平均氣溫為7℃和27℃。

3.4 計算工況[4]

1)工況1：自重+揚壓力+泥沙壓力+靜水壓力+浪壓力+正常溫降。

2)工況2：自重+揚壓力+泥沙壓力+靜水壓力+浪壓力+正常溫升。

3)工況3：自重+揚壓力+泥沙壓力+靜水壓力+浪壓力+動水壓力+正常溫升。

4)工況4：動水壓力+正常溫升。

5)工況5：自重+揚壓力+泥沙壓力+靜水壓力(校核水位)+動水壓力+浪壓力+正常溫升。

4 拱壩拱梁分載法計算分析

4.1 封拱溫度17℃

壩體應力采用4向變位調整的拱梁分載法[5]進行計算，分別取不同封拱溫度進行計算，以確定最佳封拱溫度。假設完建后一次封拱，封拱溫度為17℃。溫度荷載計算結果，見表3；壩體應變值結果見，表4。

表3 溫度荷載計算結果

1)工況1的拱壩上游面最大拉、壓應力為0.88MPa和1.40MPa，分別<1.2 MPa和 5.7 MPa；下游面最大拉、壓應力為1.24MPa和1.43MPa，不滿足設計規范要求，最大徑向位移14.23mm。

2)工況2的拱壩上游面最大拉、壓應力為0.56MPa和3.06MPa，下游面最大拉、壓應力為0.60MPa和2.56MPa，上下游應力均滿足規范和設計要求，最大徑向位移6.88mm。

表4 封拱溫度為17℃拱壩壩體最大應力表

3)工況3的拱壩上游面最大拉、壓應力為0.64MPa和3.32MPa，下游面最大拉、壓應力為0.76MPa和2.44MPa，上下游應力均滿足規范和設計要求小，最大徑向位移10.14mm。

4)工況4的拱壩上游面最大拉、壓應力為0.67MPa和1.75MPa，下游面最大拉、壓應力為0.63MPa和2.05MPa，上下游應力均滿足規范和設計要求，最大徑向位移1.98mm。

5)工況5時上游面最大拉、壓應力為0.67MPa和3.50MPa，滿足規范和設計要求；下游面最大拉、壓應力為0.76Pa和6.7 MPa，上下游應力均滿足規范和設計要求，最大徑向位移11.47mm。

由上述分析結果可見，原設計方案工況1上游面最大拉應力為1.24 MPa，超出設計應力控制標準1.2 MPa，其它部位均滿足設計應力控制標準。

4.2 封拱溫度14℃

由以上分析可知只有頂拱的拉應力超過應力控制標準，因此降低頂拱的封拱溫度，改為14℃，其他各層封拱溫度不變，仍為17℃，溫度荷載計算結果見表5，拱壩應力變化結果見表6。

表6 封拱溫度頂拱14℃，其他17℃拱壩壩體最大應力表

由此可見，推薦方案各工況都滿足滿足設計應力控制標準。

5 結 論

文章基于混凝土拱壩設計規范及拱梁分載法基本方法，對雙曲拱壩工程的不同荷載組合工況進行應力計算，分析不同工況下的壩基應力分布情況及壩基變形對拱壩應力及穩定的影響，對不同封拱溫度、封拱順序對拱壩應力及穩定的影響進行分析，通過計算結果表明各工況都滿足設計應力控制標準，該拱壩是安全穩定的。