过水湾水库拱坝应力分析及施工温度控制措施研究

2020-03-11陈章淼

水利规划与设计 2020年3期

陈章淼

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳 550002)

1 概述

水库建设是解决水资源时空分布不均，解决洪涝灾害的有效工程措施。准确设计水库可促进当地经济发展的同时节约工程投入。大坝是水库的重要工程建筑物，准确分析大坝应力可为大坝结构设计提供参考[1-2]。目前较为常用的坝体应力分析方法包括：数值模拟[3-4]、Adaso程序分析[5]。进行大体积混凝土浇筑时，往往会出现内部温度较高的现象，导致混凝土浇筑质量较低，影响结构安全[6-7]。不合理的温度控制措施往往会形成负影响，导致混凝土出现裂缝或者难以控制温度，因此，合理设计降温方案是十分必要的。

本文以思南县过水湾水库大坝为研究对象，对混凝土拱坝在不同工况下的应力分布特征及不同降温方案下的应力场、温度场特征进行研究。

2 大坝基本特征

思南县过水湾水库位于思南县宽坪乡，位于乌江二级支流杨家河的上游河段属于乌江水系。坝址以上集水面积为133km2，主河道长21.6km，正常蓄水位以下库容1.039×107m3；灌区设计灌溉面积50750亩；坝后电站装机1200KW；水库正常蓄水位678.0m，死水位662.00m，坝顶高程681.0m。拱坝最大坝高50.0m，顶宽5.0m，最大坝底宽17.7m，坝顶长度183.804m。

3 基于Adaso不同工况下拱坝应力分布特征研究

根据大坝基本结构建立计算模型，计算5种类型工况下的拱坝应力分布特征。

计算5种工况应力：(①正常蓄水位678.0m+冰压力+设计正常温降；②正常蓄水位678.0m；③设计洪水位；④死水位662.0m；⑤校校核洪水位680.052m+设计正常温升。

各工况下游面右拱端最大主应力σ1计算结果如图1所示，由图1可知，工况四(死水位+设计正常温升)下，不同坝体高程σ1呈波浪状分布，与其他4种工况计算结果不同，其他4种工况整体表现为随着坝体高程提高，σ1整体呈减小趋势。这主要是因为死水位下，拱坝受温度影响较大。

图1 各工况下游面右拱端σ1计算结果

各工况下游面拱冠σ1计算结果见图2，由图2可知，各工况下随着坝体高程增加σ1呈下降的趋势，但在高程670m附近，各个工况σ1均出现极大值，工况五在655m附近σ1出现极小值。

图2 各工况下游面拱冠σ1计算结果

图3 各工况下游面左拱端σ1计算结果

各工况下游面左拱端σ1计算结果如图3所示，由图3可知，工况四(死水位+设计正常温升)下，不同坝体高程σ1呈波浪状分布，与其他4种工况计算结果不同，其他4种工况整体表现为随着坝体高程提高，σ1整体呈减小趋势。这主要是因为死水位下，拱坝受温度影响较大。

4 施工温度控制措施参数优化设计

4.1 模型建立

使用冷水管控制施工过程中混凝土的温度，设计3种布置方案：2m×2m，2m×1m，1m×1m。通过对比3种方案与不进行温度控制的温度场、应力场模拟结果，确定不同方案的温度控制效果。一般情况下采用冷水管进行温度控制时，往往需要在混凝土浇筑完成后继续通水10d，设计进水口冷水温度为10℃。布置方案如图4所示。

图4 冷水管布置方案

4.2 计算参数选取

利用ANSYS软件分析混凝土拱坝浇筑过程中的温度及应力变化特征。数值模拟基本参数见表1，混凝土徐变参数取值见表2。

表1 数值模拟计算参数取值

数值模拟分析时，混凝土徐变的计算公式如下：

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—混凝土的徐变程度；t-τ—持荷时间；k1、k2、k3、A1、A2、B1、B2、D、α1、α2表示徐变拟合的参数。取值见表2。

表2 混凝土徐变各参数取值

4.3 温度场变化特征

在坝体内部选取监测点JC1和外部监测点JC2，根据监测数据分析不同降温方案拱坝温度场及应力场的变化。JC1位于拱坝中心点，JC2位于拱坝水平方向中线左侧角点。当施工至监测点高程时开始进行监测，至施工完成后继续通水10天。JC1温度场监测结果如图5所示。从图5可知，不同降温方案，混凝土内部温度场均表现为先快速上升后较为缓慢的下降，最终趋于稳定的变化趋势。采用冷水管进行降温时，混凝土内部的最高温度与不进行降温处理时相比较低。冷水管间距越小，混凝土温度越低，表明降温效果越好，但当冷水管间距过小时，有可能造成混凝土温度低于环境温度，造成混凝土浇筑质量降低，形成裂缝。表面监测点JC2温度场变化趋势与环境温度变化趋势基本一致。

图5 JC1温度场监测结果

4.4 应力场变化特征

完成混凝土浇筑施工工作后，继续监测20天的应力变化情况，其中20～30d为完成浇筑后继续通水降温的过程，30～40d为结束通冷水降温的过程。监测平行水流方向的水平应力，分析坝体内部及表面的应力变化过程。

不同降温方案拱坝内部监测点JC1平行水流方向的水平应力监测结果如图6所示。从图6可知，监测时间段内，JC1均表现为压应力，这主要是内部温度差造成的。在20～25d时间段内，水平压应力呈现不断增大的现象，在25～30d时间段内，水平方向压应力呈现出快速下降的现象，这主要是因为停止浇筑混凝土后，继续通水，降低了混凝土内部的温度，减小了混凝土结构与外界环境之间的温差。在30d之后，水平方向应力有突然上升，这主要是由于下一阶段施工的开始，造成荷载增加，从而出现该现象。使用冷水管对混凝土拱坝温度进行控制后，有效降低了混凝土的温度，有利于缓解拱坝内部应力较大的现象，有利于提高混凝土浇筑质量。

图6 JC1水平方向应力变化特征

不同降温方案拱坝内部监测点JC2平行水流方向的水平应力监测结果如图7所示。从图7可知，监测时间段内，JC2均表现为拉应力，混凝土内部与外界环境之间的温度差是造成这种现象的主要原因。在新一层浇筑施工开始后，拱坝内部应力出现突变，从图中可知，冷水管布置间距越小，水平方向拉应力越大，主要是因为冷水管密度越大，混凝土温度控制效果越好，但也导致混凝土温度场变化较为剧烈，降低了混凝土的徐变作用，导致混凝土表面出现较大的拉应力集中现象。