考虑温度场的混凝土面板坝应力变形分析

姬雪竹，吴明洋（.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；.重庆水利水电职业技术学院，重庆 4060）

考虑温度场的混凝土面板坝应力变形分析

姬雪竹1，吴明洋2
（1.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；2.重庆水利水电职业技术学院，重庆 402160）

以某混凝土面板堆石坝为例，进行应力场和温度场的耦合计算，分析坝体和面板的应力变形，以及坝体变形对面板的影响.结果显示：坝体的最大水平位移和最大沉降发生在坝体上游面中部；坝体最大主应力发生在坝体底部，且随季节温度升高而增大，坝体最小主应力发生在坝顶防浪墙，坝体内部无拉应力；面板最大拉应力发生在距坝底1/2处，位于正常运行期的库水位以下，混凝土性能易弱化导致面板损毁，所以面板开裂在此处发生的可能性最大.

混凝土面板堆石坝；温度场；耦合；应力变形

混凝土面板堆石坝是一种以堆石为坝体主体、混凝土面板为上游防渗层的坝型[1-2]，控制坝体变形是混凝土面板堆石坝设计的关键[3].坝体变形与面板趾板的应力变形有着密切的关系.当坝体的应力变形导致面板开裂、坝体渗漏时，不仅严重威胁坝体稳定性[4]，而且严重制约混凝土面板堆石坝的推广应用.因此，讨论坝体变形对面板的应力影响对面板坝的安全性有着极其重要的作用.

一般对混凝土面板堆石坝的应力计算只考虑坝体自重和面板自重，或只考虑温度场的变化引起的坝体应力变化[5].但是，混凝土面板为坝体重要的防渗结构，其安全性具有十分重要的意义，所以，要综合考虑多种荷载因素对坝体应力变形的影响才能更准确地分析工程的安全性与可行性[6].本文以西南地区某混凝土面板堆石坝为例，计算应力场与温度场的耦合，分析坝体和面板运行期的应力变形.

1 模型与参数

1.1 典型断面选取

该工程的坝体材料从面板以下依次分为垫层区、过渡区、主堆石区、次堆石区、特殊垫层区和下游堆石棱体，在面板上游408.0 m高程以下设有粘土铺盖和土石渣盖重区.为反映坝体各部位的稳定状态和力学性质，本文选取距离左岸119.4 m、岸138.6 m的最大断面为计算断面，见图1.

图1 最大典型断面简图

1.2 计算网格

网格划分对计算精度和计算规模有显著影响，综合考虑后采取全局的种子密度为4，网格尺寸约为4 m.采用ABAQUS中最为灵活的自由网格划分技术，网格类型选取CPE4平面4节点应变单元.最终，生成网格节点总数889个，单元总数835个（其中3节点单元CPE3有30个）.

1.3 计算参数

根据该工程的坝址工程地质与水文地质资料，考虑防洪、供水、灌溉、电站动能指标等多种因素，选取水库正常蓄水位448.00 m、汛期运用水位438.00 m、死水位422.00 m.该工程流域的主要气候特征是春季气温回升快、夏热多伏旱、秋凉绵雨多、冬季干冷.由于该大坝已运行多年，所以只需考虑季节温度变化引起的坝体温度场变化，而不考虑混凝土水化热作用.因此，以月为单位进行计算，采用表1的多年平均气温，探讨在年周期性温度变化下，该面板堆石坝的温度应力分布的变化.

表1 各月份的多年平均气温

根据工程资料和相关参考文献，可确定坝体材料的相关热学性能（见表2）.

表2 坝体热学性能参数

2 计算结果与分析

对该混凝土面板堆石坝进行静力计算分析，采用Mohr-Coulomb模型，考虑运行期正常蓄水位产生的水压力与坝体自重，综合大气温度、库水温和地温的影响，对面板堆石坝进行温度场仿真分析，得到考虑温度影响的坝体应力变形.为方便分析，在坝体上选取了位移监测点A、B、C、D，应力监测点E、F、G、H，具体位置如图2所示.2.1 坝体变形

图2 坝体监测点选取示意图

坝体水平位移符合一般规律，A、B、C、D 4个参考点都朝向下游，原因是坝体水平位移主要是由蓄水运行而产生，最大值出现在上游坝体表面中部（点B处）.考虑温度应力作用下，全年坝体水平位移分布趋势保持一致（图3-a），温度作用明显.

坝体竖向位移也主要因蓄水运行而产生，考虑温度应力作用下，点B出现坝体沉降，A、C、D 3点处没有沉降发生.全年坝体竖向位移分布趋势保持一致（图3-b），温度作用明显.

图3 一月份坝体水平位移（U1）和竖直位移（U2）分布图

图4-a体现了在不同月份温度影响下，坝体典型监控点的水平位移变化.坝体水平位移最显著在点B，位移达到4 cm左右，A、C、D的位移变化相近，位移为2 cm左右.

纵观各监测点全年的位移变化，可以看出，随着1～8月气温回升，坝体位移有向上和向两侧膨胀的趋势，监控点A和C位于坝顶两侧，因此水平位移相差不大；监测点B水平位移主要受到静水压力作用影响，气温回升产生的坝体应力和静水压力产生的坝体应力方向相反，因此监测点 A、B、C水平位移都减小，在8月附近达到最小值；而监测点D位于下游坝坡中部，气温回升产生的坝体应力和静水压力产生的坝体应力方向相同，因此水平位移增大，在8月达到最大值，为2.04 cm.随着8～12月气温降低，坝体位移有收缩的趋势，因此水平位移呈现相反趋势.

图4-b体现了在不同月份温度影响下，坝体典型监控点的竖向位移变化.随1～8月气温回升，坝体位移有向上和向两侧膨胀的趋势，坝体沉降相应减小，在8月附近达到最小；随着8～12月气温下降，坝体位移有收缩的趋势，因此竖向位移呈现相反趋势.

图4 坝体代表点的水平位移和竖向位移

考虑蓄水对坝体变形的影响，库水对水面以下的坝体部分有保温作用，点D位于水下部分，不易受到气温影响.所以，水面以下部分随气温变化并不显著.

2.2 坝体应力

由图5可知，E、F、G、H点一年中变化较小，随高程降低而大主应力升高.从整体分布上看，坝体基本上都是压应力，坝体下侧的压应力最大.坝体大主应力在主堆石区和次堆石区内都分布均匀，极值分布在底部基础的中间.坝体出现了应力集中，但是没有出现拉应力区域.受到环境温度影响，坝体应力场也随着温度改变而变化，大主应力极值在1月最小，达到1.57 MPa；8月最大，达到1.98 MPa.随着从1月到8月的气温回升，坝体材料热胀冷缩，压力也相应增大.

坝体内部4个参考点没有出现拉应力，拉应力集中在坝顶防浪墙处，防浪墙为混凝土构件，与大气直接接触，易受气温变化的影响，坝体应力场也随着温度改变而变化，小主应力大小在9月最大，达到- 0.244 MPa ；1月最小，达到- 0.112 MPa.全年拉应力极值变化都在安全范围内，均能满足抗拉强度要求（图6）.2.3 坝体面板

图5 坝体代表点大主应力

图6 坝体全年最小主应力变化

面板是浇注在上游坝坡的堆石体之上的混凝土板，其具有长度较长，厚度较薄，结构面暴露等特点.以上特点决定了其对环境温度和湿度的变化影响更为敏感，易于产生温度裂缝.根据月平均气温进行分析计算，得出1～12月面板最大主应力和最小主应力的大小与位置分布.计算结果如图7所示.

图7 坝体全年应力极值变化

最大主应力分布较为规律，7～10月集中分布在趾板处，其余月份分布在距坝底1/3～1/2处.最小主应力分布类似于大主应力分布，7～8月集中分布在面板顶部，其余月份分布在距坝底1/3～1/2处.

面板为混凝土材质，抗压性能好而抗拉性能较差.1月面板最大拉应力在面板中下部，值为-0.234 MPa.由于1月环境温度最低，在低温下会产生收缩变形，而面板又受到面板边界约束，因而在面板中就会产生拉应力分布，当超过面板抗拉强度时，就会产生面板温度裂缝.从拉应力极值分布来看，裂缝可能开展于气候较寒冷的1月和12月，位置可能分布在面板的中偏下部分.

3 结论

坝体在运行期的变形与温度有着密切的关系，坝体不同位置随着温度变化会产生不同的应力变形差异.由于热胀冷缩效应，当气温上升时，坝体水平位移有减小的趋势，坝体竖直位移有增大的趋势，当气温下降时，趋势反之.由于库水的保温效应，在库水位以下的坝体变形受温度影响较小.坝体最大主应力随温度升高而升高，最小主应力一般发生在坝顶易受温度影响的位置.面板最小主应力主要分布在距坝底1/3～1/2面板处，水流气温容易降低混凝土性能导致面板损毁，损毁位置可能在最大拉应力处，应重点对此位置进行处理.

本文仅对正常蓄水位工况进行计算，没有考虑水位变化对坝体变形应力的影响.综合考虑温度变化和水位变化，对坝体应力变形的影响仍可继续讨论.

[1]蒋国澄.中国混凝土面板堆石坝20年[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[2]水布娅面板堆石坝前期关键技术问题研究编写委员会.水布埂面板堆石坝前期关键技术问题研究[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[3]王瑞骏，王党在，陈尧龙.混凝土面板堆石坝施工期面板温度应力仿真分析[J].西北农林科技大学学报(自然科学版)，2004，32(10):123-126.

[4]王瑞骏，王党在，陈尧龙.寒潮冷击作用下堆石坝混凝土面板温度应力研究[J].水力发电学报，2004,23(6): 46-49.

[5]陈开道.混凝土面板堆石坝面板分期施工的结构计算[J].人民长江，1995,26(8):7-11.

[6]于森，王瑞骏.公伯峡面板堆石坝施工期面板温度应力研究[J].水利水电技术，2004,35(8):54-58.

[责任编辑：韦 韬]

An Analysis of Stress and Deformation of Concrete Face Rockfill Dams with Temperature Fields Taken into Consideration

JI Xue-zhu,WU Ming-yang
(1.Hehai College,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China; 2.Department of Hydraulic Engineering,Chongaing Water Resources and Electric Engineering College, Chongqing 402160,China)

Taking a concrete dam as an example,the coupling of the stress field and temperature field are calculated,the stress of the dam body and surface and the effect of dam deformation on the dam face are analyzed.The results show that the maximum horizontal displacement and the maximum settlement occurs in the middle of the upper reaches of the dam;the dam body maximum principal stress occurs at the bottom of the dam,and increased with the rise of season temperatures;the dam minimum principal stress occurs on the wave wall on the dam crest,and inside the dam there is no tensile stress;the maximum face tensile stress occurs at the position half-way between the top and bottom of the dam,which is under water during the normal operation period of the reservoir,and at which concrete performance tends to weaken resulting in damage to the face of the dam and cracking in the most likely.

concrete face rock fill dam;temperature fields;coupling;stress deformation

TV641.4

A

1006-7302（2016）03-0025-05

2016-03-11

姬雪竹（1990—），男，河南新乡人，在读硕士生，研究方向为水利工程、结构工程.