混凝土双曲拱坝封拱温度场有限元分析研究

张晓旭

(齐齐哈尔市龙沙区农业综合服务中心，黑龙江 齐齐哈尔 161000)

1 工程概况

某混凝土拱坝采用C20堆石混凝土拱坝挡水，枢纽建筑物包括拦水坝、坝身泄洪底孔、电站厂房和坝前护坦组成。大坝坝高97.00m，坝顶高程1042.5m，坝顶宽度5.0m，坝顶弧长186.62m。大坝下游设置混凝土护坦，护坦长40m，宽48.0m，厚度4.0m。防渗体系采用固结加帷幕的组合防渗形式。碾压混凝土拱坝有限元网格剖分图，见图1。

图1 碾压混凝土拱坝计算模型单元剖分图

2 温度应力分析有限元原理[2]

按混凝土拱坝设计规范，拱坝运行期温度荷载计算表达式为：

Tm=Tm1+Tm2-Tm0

(1)

Td=Td1+Td2-Td0

(2)

式中：Tm为平均温度变化值,Td为等效线性温度差。

Aa=(Ta7-Ta1)/2

(3)

式中：Aa为多年气温年变幅，考虑日照因素定义Aa=11.95℃。

库水位作用时，平均温度变化表达为：

Tm2=±ρ1Ae

(4)

Td2=0

(5)

当L≥10m时

(6)

3 工程实例

3.1 坝体体型参数

双曲拱坝体型参数，见表1。

表1 双曲拱坝体型参数

3.2 应力控制标准[3]

应力控制标准系数值，见表2。基本组合时允许最大主压、拉应力为5.7Mpa和1.2MPa。特殊荷载组合时允许最大主压、拉应力为6.7Mpa和1.5MPa。

表2 应力控制标准系数值

3.3 坝体混凝土

坝体混凝土容重24kN/m3，弹性模量25500MPa，泊松比0.16，温度线胀系数0.00001。

计算采用气象资料有：多年平均气温17.9℃，1、7月多年月平均气温为7℃和27℃。

3.4 计算工况[4]

1)工况1：自重+扬压力+泥沙压力+静水压力+浪压力+正常温降。

2)工况2：自重+扬压力+泥沙压力+静水压力+浪压力+正常温升。

3)工况3：自重+扬压力+泥沙压力+静水压力+浪压力+动水压力+正常温升。

4)工况4：动水压力+正常温升。

5)工况5：自重+扬压力+泥沙压力+静水压力(校核水位)+动水压力+浪压力+正常温升。

4 拱坝拱梁分载法计算分析

4.1 封拱温度17℃

坝体应力采用4向变位调整的拱梁分载法[5]进行计算，分别取不同封拱温度进行计算，以确定最佳封拱温度。假设完建后一次封拱，封拱温度为17℃。温度荷载计算结果，见表3；坝体应变值结果见，表4。

表3 温度荷载计算结果

1)工况1的拱坝上游面最大拉、压应力为0.88MPa和1.40MPa，分别<1.2 MPa和 5.7 MPa；下游面最大拉、压应力为1.24MPa和1.43MPa，不满足设计规范要求，最大径向位移14.23mm。

2)工况2的拱坝上游面最大拉、压应力为0.56MPa和3.06MPa，下游面最大拉、压应力为0.60MPa和2.56MPa，上下游应力均满足规范和设计要求，最大径向位移6.88mm。

表4 封拱温度为17℃拱坝坝体最大应力表

3)工况3的拱坝上游面最大拉、压应力为0.64MPa和3.32MPa，下游面最大拉、压应力为0.76MPa和2.44MPa，上下游应力均满足规范和设计要求小，最大径向位移10.14mm。

4)工况4的拱坝上游面最大拉、压应力为0.67MPa和1.75MPa，下游面最大拉、压应力为0.63MPa和2.05MPa，上下游应力均满足规范和设计要求，最大径向位移1.98mm。

5)工况5时上游面最大拉、压应力为0.67MPa和3.50MPa，满足规范和设计要求；下游面最大拉、压应力为0.76Pa和6.7 MPa，上下游应力均满足规范和设计要求，最大径向位移11.47mm。

由上述分析结果可见，原设计方案工况1上游面最大拉应力为1.24 MPa，超出设计应力控制标准1.2 MPa，其它部位均满足设计应力控制标准。

4.2 封拱温度14℃

由以上分析可知只有顶拱的拉应力超过应力控制标准，因此降低顶拱的封拱温度，改为14℃，其他各层封拱温度不变，仍为17℃，温度荷载计算结果见表5，拱坝应力变化结果见表6。

表6 封拱温度顶拱14℃，其他17℃拱坝坝体最大应力表

由此可见，推荐方案各工况都满足满足设计应力控制标准。

5 结 论

文章基于混凝土拱坝设计规范及拱梁分载法基本方法，对双曲拱坝工程的不同荷载组合工况进行应力计算，分析不同工况下的坝基应力分布情况及坝基变形对拱坝应力及稳定的影响，对不同封拱温度、封拱顺序对拱坝应力及稳定的影响进行分析，通过计算结果表明各工况都满足设计应力控制标准，该拱坝是安全稳定的。