石漫灘碾壓混凝土重力壩溫度效應(yīng)研究

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1、石漫灘碾壓混凝土重力壩溫度效應(yīng)研究摘要：溫度是混凝土壩的主要荷載之一，不利的溫度荷載導(dǎo)致壩體產(chǎn)生裂縫，特別在運(yùn)行期，不利水壓荷載與溫度荷載的組合使得裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，嚴(yán)重危害大壩安全運(yùn)行。石漫灘碾壓混凝土重力壩裂縫嚴(yán)重，尤其是部分壩段存在有規(guī)律的橫向裂縫?，F(xiàn)采用大型通用有限元軟件ANSYS,依據(jù)石漫灘水庫(kù)的水溫和氣溫等監(jiān)測(cè)資料，分析了大壩運(yùn)行期的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力場(chǎng)，從溫度效應(yīng)角度揭示了該壩橫向裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的主要原因及其危害，為大壩加固處理提供技術(shù)支撐。關(guān)鍵詞：碾壓混凝土重力壩；裂縫成因；溫度場(chǎng)；溫

2、度應(yīng)力場(chǎng)中圖分類(lèi)號(hào)：TV642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào):16721683(2013)05006104溫度是混凝土壩的主要荷載之一，當(dāng)庫(kù)水位變化幅度很小時(shí)，溫差對(duì)混凝土壩應(yīng)力影響較水壓力的大。運(yùn)行期間不利溫度荷載不僅易導(dǎo)致壩體產(chǎn)生裂縫，還可能促使施工期出現(xiàn)的裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，比如低溫會(huì)造成混凝土表面的凍融破損和深層的凍脹破壞，不僅影響大壩的使用壽命，還嚴(yán)重威脅著大壩的安全［1］。朱伯芳院士通過(guò)分析溫度對(duì)壩體應(yīng)力場(chǎng)的效應(yīng)，認(rèn)為非線(xiàn)性溫差和寒潮是引起運(yùn)行期裂縫的主要原因，表面永久保溫是防止運(yùn)行期出現(xiàn)裂縫的有

3、效辦法[23]。本文以石漫灘碾壓混凝土壩為研究對(duì)象，采用有限元數(shù)值計(jì)算方法，依據(jù)氣溫和水溫等監(jiān)測(cè)資料，分析該壩在運(yùn)行期的溫度場(chǎng)和溫度效應(yīng)，從力學(xué)的角度分析和研究該壩裂縫產(chǎn)生的原因，為大壩運(yùn)行管理和除險(xiǎn)加固處理提供技術(shù)支撐。1工程概況石漫灘水庫(kù)位于河南省舞鋼市境內(nèi)的淮河上游洪河支流滾河上，原水庫(kù)因遭遇"75?8"特大洪水漫壩潰決失事。水庫(kù)復(fù)建于1993年9月，1997年12月主體工程完工，水庫(kù)樞紐工程由攔河壩、溢洪道、取水底孔、發(fā)電站等建筑物組成，水庫(kù)總庫(kù)容1.2億m3,是一座以工業(yè)供水、防洪為主，

4、結(jié)合灌溉、旅游、養(yǎng)殖等綜合利用的大（2）型水利工程。攔河壩為全斷面碾壓混凝土重力壩，最大壩髙40.5m,壩頂高程112.50m,壩頂長(zhǎng)645m,共分22個(gè)壩段，壩段長(zhǎng)度16.0?42.0m不等；1號(hào)-9號(hào)壩段為右岸非溢流壩段，長(zhǎng)320.0m,10號(hào)-16號(hào)壩段為溢流壩段，長(zhǎng)132.0m,17號(hào)-22號(hào)壩段為左岸非溢流壩段，長(zhǎng)193.0m,其中19號(hào)壩段為底孔壩段，長(zhǎng)18.0mo石漫灘水庫(kù)復(fù)建投入運(yùn)行以來(lái)，大壩壩體出現(xiàn)較多裂縫，尤其是壩體上部可觀察到多條垂直壩軸線(xiàn)分布的貫通裂縫，且具有較好的規(guī)律性：

5、上游面（水位108.20m以上）發(fā)現(xiàn)豎向裂縫45條，壩頂面順?biāo)飨蛄芽p39條，壩下游面豎向裂縫77條，且壩頂裂縫大多與上、下游豎向裂縫位置對(duì)應(yīng)。相關(guān)資料表明，這些壩體裂縫多產(chǎn)生于蓄水后的運(yùn)行期［45］。大壩的9號(hào)非溢流壩段在上游面、壩頂和下游面存在2條貫通性裂縫，本文選取該壩段為典型壩段，計(jì)算運(yùn)行期溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力場(chǎng)，分析壩體裂縫成因。2三維有限元模型2.1計(jì)算模型本文采用ANSYS軟件對(duì)9號(hào)非溢流壩段進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。對(duì)于三維有限元模型，規(guī)定計(jì)算坐標(biāo)系為：X軸為順河流向（垂直壩軸線(xiàn)），指向

6、下游為正；Y軸為垂直向，指向上方為正；Z軸為平行壩軸線(xiàn)，指向右岸為正。確定的計(jì)算模型范圍為：X方向，以壩軸線(xiàn)為零點(diǎn)，上下游各取約1.5倍壩高（壩高為39.5m）［6］；Y方向從壩基面（壩基高程為73.00in）向下取1.5倍壩高；Z方向，取一個(gè)壩段長(zhǎng)為42mo進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析時(shí)，熱單元類(lèi)型選用S0LID70,結(jié)構(gòu)單元選用S0LID45,兩種類(lèi)型單元聯(lián)合使用。完成熱分析后，將S0LID70單元轉(zhuǎn)換為S0LID45單元，進(jìn)行溫度應(yīng)力分析［6］。9號(hào)非溢流壩段三維有限元模型見(jiàn)圖1,模型總單元數(shù)為58

7、520個(gè)、總節(jié)點(diǎn)數(shù)為674302個(gè)。2.2邊界條件石漫灘大壩已經(jīng)運(yùn)行10多年，從溫度監(jiān)測(cè)資料看，混凝土水化過(guò)程基本完成，壩體溫度場(chǎng)已趨于穩(wěn)定，主要受水溫、氣溫、地溫等邊界溫度條件影響，呈周期性波動(dòng)變化［5］o根據(jù)大壩、基巖和庫(kù)水溫度監(jiān)測(cè)資料［5］,對(duì)溫度場(chǎng)計(jì)算邊界條件做以下假定：上游壩面溫度取相應(yīng)高程的庫(kù)水溫度；下游壩面的溫度取氣溫加上太陽(yáng)輻射溫升；橫縫內(nèi)溫度根據(jù)觀測(cè)資料給定；建基面15m以下基礎(chǔ)溫度不隨水溫、氣溫變化而變化，取恒定值（觀測(cè)均值）。進(jìn)行溫度應(yīng)力場(chǎng)分析時(shí)，基巖上下游邊界面上結(jié)點(diǎn)的6個(gè)

8、位移分量中，只約束上下游方向（X方向）位移分量，其余5個(gè)分量自由；基巖壩軸向邊界面上結(jié)點(diǎn)的6個(gè)位移分量中，只約束軸向（Z方向）位移分量，其余5個(gè)分量自由；在模型底部邊界面結(jié)點(diǎn)6個(gè)位移分量中，只約束3個(gè)線(xiàn)位移分量，其余分量為自由；由于橫縫作用，壩體軸向邊界面上的節(jié)點(diǎn)無(wú)約束［7］。3計(jì)算參數(shù)和計(jì)算工況2.1計(jì)算參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)和施工資料選取混凝土及基巖的計(jì)算參數(shù)，見(jiàn)表1O2.2計(jì)算工況石漫灘大壩壩塊間設(shè)橫縫。一般地，運(yùn)行期產(chǎn)生的壩體裂縫與不利氣溫和荷載變化相關(guān)。從現(xiàn)場(chǎng)安全檢查成果和監(jiān)測(cè)資料