基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的高拱壩運(yùn)行期溫度荷載與應(yīng)力分析研究

史波 唐朝

摘要：高拱壩在建設(shè)期往往會(huì)布置大量溫度計(jì)來監(jiān)測壩體溫度變化情況，拱壩溫度是高拱壩施工期及運(yùn)行期控制的一個(gè)重要項(xiàng)目。以某高拱壩為例，在分析運(yùn)行期溫度變化規(guī)律與分布的基礎(chǔ)上，計(jì)算拱壩運(yùn)行期實(shí)測溫度荷載，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行差異性分析，進(jìn)而分析對拱壩應(yīng)力的影響程度。研究成果可為同類工程提供參考并反饋工程設(shè)計(jì)和指導(dǎo)工程實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：高拱壩;溫度;監(jiān)測數(shù)據(jù);溫度荷載;溫度應(yīng)力

高拱壩在長期運(yùn)行過程中載荷變化對壩體安全有較大的影響，而壩體載荷變化主要的影響因素為長期運(yùn)行期間的溫度載荷。文章通過對某電站樞紐實(shí)際壩體數(shù)據(jù)的采集和仿真分析，說明了長期運(yùn)行工況下壩體溫度載荷對壩體載荷變化的影響。

1 工程概況

某電站樞紐位于亞熱帶地區(qū)，為Ⅱ等大（2）型工程，由碾壓混凝土雙曲拱壩、溢流表孔、排沙底孔、引水發(fā)電隧洞等主要建筑物組成。

壩體共布置溫度計(jì)99支，分別布置在高程700m、712m、730m、750m、770m、790m的拱冠和兩壩端，溫度計(jì)在上述高程按照5：5：5：4：4：3布置，上下游溫度計(jì)距離壩面0.10m，用于監(jiān)測庫水溫及氣溫，其余按等間距布置。

2 壩體實(shí)測溫度變化過程與分布分析

2.1 壩體實(shí)測溫度變化過程分析

通過分析壩體典型高程（760m）溫度測值變化過程可知：

（1）下游壩面：高高程下游壩面溫度計(jì)均受氣溫影響顯著，呈現(xiàn)明顯年周期變化規(guī)律，壩面多年平均值為18.58之間，多年平均變幅在1.10℃～17.48℃之間，均值為9.43℃，拱壩下游面溫度多年平均變幅小于氣溫變化量。

（2）上游壩面：上游壩面總體可反應(yīng)庫水溫變化情況，呈現(xiàn)年周期變化規(guī)律，多年平均值在15.15℃～20.08℃之間，表現(xiàn)為上部（深度55m以內(nèi)）水溫相對較高，溫度在20℃左右，下部水溫相對較低，溫度在15℃左右;上游壩面多年年變幅平均值在1.09℃～12.74℃之間，均值為5.34℃，小于下游壩面溫度變幅。

（3）壩體內(nèi)部：壩體內(nèi)部溫度總體處于穩(wěn)定狀態(tài)，溫度變幅總體小于上游壩面溫度變幅，受環(huán)境影響相對較小。

2.2 壩體實(shí)測溫度分布分析

選取壩體拱冠梁溫度監(jiān)測斷面，繪制該斷面2018年和2020年典型時(shí)間溫度分布見圖1。由溫度分布圖可見：

（1）拱冠梁溫度場總體沿水平梯度方向分布，在壩體底部附近由于受壩基邊界熱傳導(dǎo)作用的影響逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q直梯度方向分布。

（2）由高低溫季節(jié)對比可以看出，環(huán)境溫度對壩體影響主要發(fā)生在壩體頂部、壩體下游面和壩體上游面淺水部分，壩體內(nèi)部、壩體底部和壩體上游面水深55m以下溫度基本保持穩(wěn)定。

（3）由2018年和2020年溫度縱向?qū)Ρ葓D和過程線可以看出，2018年和2020年同季節(jié)溫度分布基本一致，壩體內(nèi)部溫度變化基本已穩(wěn)定;壩體內(nèi)部最高溫度約為21℃（壩體中上部），最低溫度約為15℃（靠近基巖部分）。

3 拱壩實(shí)測溫度荷載分析

本工程拱壩為碾壓混凝土拱壩，為發(fā)揮碾壓混凝土快速施工的特點(diǎn)，壩內(nèi)未埋深冷卻水管，盡管拱壩施工過程中經(jīng)歷過多次停工，封拱灌漿時(shí)由于壩內(nèi)溫度較高而導(dǎo)致橫縫未完全張開，拱壩實(shí)際封拱溫度高于設(shè)計(jì)封拱溫度。故有必要計(jì)算實(shí)際溫度荷載和應(yīng)力與設(shè)計(jì)的差異引起的對拱壩應(yīng)力的影響。

根據(jù)以上公式，結(jié)合本工程封拱灌漿溫度等監(jiān)測資料，計(jì)算溫升和溫降工況溫度荷載情況，并與設(shè)計(jì)溫度荷載進(jìn)行對比，圖2繪制了設(shè)計(jì)溫度荷載和實(shí)際溫度荷載對比圖，可見：

（1）溫升工況下，設(shè)計(jì)溫度荷載主要表現(xiàn)為上下游方向的梯度變化，即下游壩面（中上部，設(shè)計(jì)溫升最大值約為12.05℃）至上游壩面（中下部）溫度逐漸降低，實(shí)際封拱時(shí)由于壩體中上部溫度較高，實(shí)際溫度荷載變化主要表現(xiàn)在壩體中上部，實(shí)際溫升最大值約為5.96℃;實(shí)際溫升荷載相對于設(shè)計(jì)值有一定減小。

2）溫降工況下，設(shè)計(jì)溫降荷載在壩體中上部表現(xiàn)為沿高程方向的梯度變化，壩頂溫降相對較大（5.98℃），壩體中下部表現(xiàn)為上下游方向的梯度變化;實(shí)際溫降荷載分布主要在壩體中上部，實(shí)際最大溫降8.85℃;實(shí)際溫降荷載相對于設(shè)計(jì)值有一定增大，壩體中上部溫降荷載增大約3℃～5℃，中下部溫降荷載增大約1℃～3℃。

4 溫度應(yīng)力差異性分析

4.1 有限元計(jì)算模型

建立本工程三維有限元計(jì)算模型，拱壩左右岸、上下游及底部壩基模擬范圍均大于2倍壩高，模型全部采用八結(jié)點(diǎn)六面體等參單元剖分，壩厚方向剖分6層網(wǎng)格。模型共剖分單元45408個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)51105。

4.2 溫升工況應(yīng)力差異分析

拱冠梁斷面設(shè)計(jì)與實(shí)際溫度荷載情況下壩面應(yīng)力的對比后可見：

（1）上游面：上游面整體大主應(yīng)力相對于設(shè)計(jì)水平有所減小，實(shí)際溫度荷載相對于設(shè)計(jì)值的差異使得壩體上游面拉應(yīng)力有所減小。實(shí)際溫度荷載計(jì)算所得壩體上游面小主應(yīng)力除高高程近壩基區(qū)域有所增大外，整體小主應(yīng)力相對于設(shè)計(jì)荷載有所降低，壓應(yīng)力最大值約-3.8MPa，出現(xiàn)在拱冠梁高程774m附近。因此，整體而言實(shí)際溫度荷載相對于設(shè)計(jì)值的差異使得壩體上游面壓應(yīng)力有所增大，但未超過混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

（2）下游面：實(shí)際溫度荷載計(jì)算所得下游壩面大主應(yīng)力相對于設(shè)計(jì)值在高程774m以上有所減小，但變化幅度不大，在高程774m以下大主應(yīng)力有所增大，除局部應(yīng)力集中外未出現(xiàn)拉應(yīng)力。實(shí)際溫度荷載計(jì)算所得下游壩面小主應(yīng)力除近壩基區(qū)域有所降低（局部應(yīng)力集中）外，整體而言小主應(yīng)力較設(shè)計(jì)情況有所增大，即實(shí)際溫度荷載相對于設(shè)計(jì)值的差異使得下游壩面整體壓應(yīng)力水平有所降低。

總體來看，溫升工況下，實(shí)際溫度荷載小于設(shè)計(jì)溫度荷載，使得上游壩面壓應(yīng)力有所增大而下游壩面壓應(yīng)力有所減小。

4.3 溫降工況應(yīng)力差異分析

拱冠梁斷面設(shè)計(jì)與實(shí)際溫度荷載情況下壩面應(yīng)力的對比后可見：

（1）上游面：實(shí)際溫降荷載計(jì)算所得上游壩面近壩基位置附近的拉應(yīng)力普遍較設(shè)計(jì)荷載計(jì)算值增大約0.5～1.0MPa，但該區(qū)域?yàn)榫植繎?yīng)力集中;整體而言高程774m以上區(qū)域大主應(yīng)力有所減小，而高程774m以下區(qū)域大主應(yīng)力有所增大，除近壩基應(yīng)力集中區(qū)域外未出現(xiàn)拉應(yīng)力。實(shí)際溫度荷載計(jì)算所得上游壩面靠近拱冠梁區(qū)域及高高程區(qū)域小主應(yīng)力較設(shè)計(jì)荷載計(jì)算值有所減小，即壩面壓應(yīng)力有所增大，且高程越高區(qū)域增加幅度越大，但未超過混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

（2）下游面：實(shí)際溫度荷載計(jì)算所得下游壩面大主應(yīng)力較設(shè)計(jì)荷載計(jì)算值在高程：74m以下區(qū)域均有所增大，即拉應(yīng)力有所增加，其中最大值達(dá)到0.99MPa，為局部應(yīng)力集中，除應(yīng)力集中區(qū)域外壩面最大拉應(yīng)力約0.8MPa，未超過強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，實(shí)際溫度荷載相對于設(shè)計(jì)值的差異使得下游面整體主拉應(yīng)力水平有所提高。實(shí)際溫度荷載計(jì)算所得下游壩面小主應(yīng)力較設(shè)計(jì)荷載計(jì)算值在高程774m以上有所減小但變化幅度不大;在高程774m以下區(qū)域小主應(yīng)力有所增大，除近壩基應(yīng)力集中區(qū)域外壩面壓應(yīng)力未超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

總體來看，溫降工況下，實(shí)際溫度荷載相對于設(shè)計(jì)值的差異對壩體應(yīng)力影響最不利之處表現(xiàn)為壩體下游面整體拉應(yīng)力水平有所加大。

5 結(jié)語

本文基于溫度實(shí)測數(shù)據(jù)對高拱壩溫度荷載與應(yīng)力進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明：

（1）環(huán)境溫度對壩體影響主要發(fā)生在壩體頂部、壩體下游面和壩體上游面淺水部分;

（2）溫升工況下，實(shí)際溫度荷載小于設(shè)計(jì)溫度荷載，使得上游壩面壓應(yīng)力有所增大而下游壩面壓應(yīng)力有所減小。溫降工況下，實(shí)際溫度荷載相對于設(shè)計(jì)值的差異對壩體應(yīng)力影響最不利之處表現(xiàn)為壩體下游面整體拉應(yīng)力水平有所加大;

（3）拱壩實(shí)際封拱溫度往往高于設(shè)計(jì)封拱溫度，導(dǎo)致壩體應(yīng)力水平與設(shè)計(jì)值有所差異，主要不利位置發(fā)在下游壩面（溫降）。故高拱壩在施工過程中需重視混凝土溫度控制，同時(shí)運(yùn)行期注意寒潮等極端天氣影響。

參考文獻(xiàn)：

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