极端天气对于溢流坝段温度与应力影响分析

郑 峥

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，合肥 230088）

混凝土大坝中普遍存在着裂缝， 影响大坝的安全运行和效益的发挥，甚至导致失事。例如丹江口大坝［1］初期产生1050 条裂缝，后期发展到3327 条，19-24 坝段113 m 高程水平裂缝长期渗水， 对坝体稳定构成威胁。美国的Dworshak［2］实体重力坝，上游面出现的劈头裂缝深度达50 m，宽度2.5 mm，裂缝渗水量483 L/s。

裂纹的产生和拓展不仅破坏混凝土坝的完整性，而且影响结构稳定性和安全性。在施工期由于水泥水化放热， 当温度控制控制不当， 热量难以散发时， 将会形成较大的温度梯度。 此时结构受到约束时，将导致较大的温度应力，超过抗拉强度，形成温度裂缝［3,4］。在运行期，尤其是季风气候所在区域，由于气温年变幅较大， 在坝体内外将会形成较大的内外温差，在受到结构约束时，也将形成较大的温度应力［5,6］。在现阶段的研究中，学者主要集中于分析在施工期温度对于混凝土坝裂纹产生和拓展的影响［7,8］，运行期的温度变化对结构的影响经常被忽略。 同时由于全球气候变化，导致极端天气频发，夏季高温暴雨、冬季寒潮袭击，这种剧烈的温度变化将可能导致更大的温度应力，形成温度裂缝，危害结构安全。

本文将以某水电站为对象， 采用数值模拟的方式， 模拟了大坝在常规运行期和极端天气下的温度场和应力场分布。 通过比较常规运行期与极端天气下的大坝温度场和应力场， 得出极端天气对于大坝应力场的影响。并与实际观察结果相对比，验证模拟结果，从而为大坝的设计和安全运行提供参考。

1 计算模型与参数

本文采用有限元的方式研究极端天气对于重力坝溢流坝段温度与应力的影响。 模拟时首先计算大坝在极端天气下的温度场分布， 再依据温度场计算结果求解应力场。 具体的计算理论与数值计算方式参照朱伯芳等［9］研究。

1.1 计算模型

该溢流坝段高79.4 m，上下游长度为86.8 m， 坝段宽度为17.0 m。 按照溢流坝段剖分出的有限元模型如图1， 总单元数量为67809，总节点数为76984。 为保证计算的准确性， 考虑地基对于计算结果的影响， 地基在大坝上下游扩展100 m， 在大坝左右两侧拓展54 m， 深度方向拓展150 m， 总的有限元计算模型如图2。2005 年安全检查时， 于溢流坝段反弧段的变电洞顶部出现深层裂纹， 溢流面反弧段处产生了水平连通性裂缝， 将该部分区域的网格细化，如图3。

图1 有限元计算模型（仅溢流坝段）

图2 有限元计算模型（整体）

图3 变电洞附近区域有限元模型

1.2 计算参数

根据大坝的设计资料并结合相关工程经验， 计算时大坝溢流坝段混凝土及地基的热力学参数取值分别如表1 和表2。

表1 坝体混凝土基本参数

表2 基岩基本参数

坝址处的月平均气温的实测值与拟合值如图4，其计算值如下：

图4 实测多年平均气温及其拟合值

式中t 为月份。

变电洞内部由于在大坝内部， 并不与外界直接接触，因此存在温室效应，内部温度变幅较小。依据工程经验给出变电洞内部温度拟合公式：

式中t 为月份。

各月的水库平均水位如表3。

表3 月平均水位 单位：m

计算温度场时需考虑库水温度， 由于水库无水温监测设备，库水温度的计算参考朱伯芳等［9］研究。 依据风速观测记录， 得到坝体与外界直接接触的表面， 放热系数为1095.6 kJ/(m2d ℃)。 变电洞内部处于相对封闭的空间，假定表面风速为0，放热系数为400 kJ/(m2d ℃)。

计算准稳定温度场时，边界条件为：上下游坝基和上下游坝面水面以下部分， 按照第一类边界条件处理；坝体与外界大气接触面，变电洞内部表面，按照第三类边界条件处理； 大坝内部空间包括廊道及宽缝等，由于完全封闭，按照绝热边界进行处理。

在进行应力场计算时， 假定地基四周及底面为连杆支撑，地基表面及上部混凝土结构均自由。荷载施加如下：上下游坝基和上下游坝面水面以下部分，受到垂直于面的水压力作用， 水位与温度边界条件取值保持一致。结构自重按照体荷载进行施加，竖直向下。

1.3 计算工况

仿真计算主要包含3 个工况， 分别为多年平均气温下（工况1）和极端天气下（工况2 和工况3）的大坝温度场和应力场。

工况1 为计算溢流坝段在常规运行期内，在多年平均日气温影响下的准稳定温度场及相应的应力场。

工况2 为在工况1 的基础上， 考虑到夏季高温暴雨下，水库的泄洪工况。选取大坝经历的典型泄流过程：7 月1—10 日，水库水位维持月平均水位；7 月11—20 日，水库水位上升至汛限水位，不泄流；7 月21—31 日，水库水位按165.53 m 计，大坝处在泄流状态，下游水位按水库观测资料计。

工况3 为在工况1 的基础上，考虑到冬季受到寒潮袭击：在一年中气温最低时，寒潮来临，1 d 之内温度骤降10℃，持续5 d，之后1 d 内恢复到正常温度。

2 模拟结果

2.1 常规运行期

计算溢流坝段在常规运行期内， 在多年平均日气温影响下的准稳定温度场和相应的应力场。图5～图8 分别为4、7、10 和1 月份大坝中心剖面温度场和应力场的云图。需要说明的是，本文中的应力云图均为第一主应力。

图5 常规运行期4 月份

图6 常规运行期7 月份

图7 常规运行期10 月份

图8 常规运行期1 月份

从温度云图可看出， 溢流坝段上游尤其在水位以下区域的混凝土主要受到库水温度的影响， 温度较低且温度变化小，不易受到外界气温变化的影响。溢流坝面及变电洞附近区域的混凝土， 易受气温变化的影响，夏季表面温度高，冬季温度低，温度年变幅较大。从应力云图可看出，在4 月份时溢流坝段整体应力较小，均低于0.6 MPa，结构安全。然而处于夏季7 月份时，变电洞顶部偏左侧的内部区域，拉应力较大达2.4 MPa。 秋季10 月份时， 观察到变电洞顶部、右侧薄墙和右下方墙角及溢流坝反弧段附近区域，拉应力较大，达1.4 MPa，但未超过抗拉强度。处于冬季1 月份时，溢流坝反弧段拉应力较大，达1.6 MPa，结构比较危险，易产生裂缝。

从图中可看出位于变电洞顶部的区域， 由于位于变电洞内， 因此其温度变幅较小， 但应力变幅较大， 拉应力峰值甚至达2.64 MPa，超过抗拉强度。图9 为实际拍摄的溢流坝段变电洞顶部出现的裂纹， 可以发现模拟与观测得到的裂纹所在位置相同。

图9 变电洞顶部实测裂缝

2.2 极端天气

图10 为工况2 下溢流坝中心剖面泄水时的温度场和应力场的云图。从图10（a）的温度云图可看出，泄水时溢流坝表面温度将会降低。变电洞顶部偏左侧区域混凝土拉应力仍较大。峰值应力将会进一步增加约0.28 MPa，达2.93 MPa。这是由于在水压力的作用下，变电洞顶部相当于梁结构，下方区域的混凝土将会受拉，因此拉应力增加，更易产生裂缝。

图10 夏季高温泄水工况

图11 为工况1～工况3 下溢流坝中心剖面遭遇寒潮时的温度场和应力场的云图。从图11（a）可看出，寒潮来临时，溢流坝表面温度将会降低至3℃左右。从图11（b）可看出，此时溢流面反弧段的拉应力将会急剧增大，达4.0 MPa 左右（红色虚线区域）。寒潮来临时， 溢流面区域的混凝土温度将会骤降约10℃，应力将会急剧增加约2.4 MPa，达4.0 MPa，超过抗拉强度。 图12 为检测到的反弧段裂缝分布图，可发现该区域出现了连通性裂缝， 裂缝出现的位置与计算结果吻合。

图11 冬季寒潮袭击工况

图12 反弧段裂缝分布简图（下游立视图）

综上所述，在夏季高温暴雨导致的泄洪工况，将会导致溢流坝变电洞顶部的拉应力增大， 从而更易导致裂纹产生。而冬季寒潮的袭击，直接导致溢流坝反弧段表面混凝土的拉应力急剧增加， 超过抗拉强度，导致裂纹产生。因此极端天气的产生，加剧了温度变化对于大坝的影响， 改变了大坝表面温度场的分布，从而造成了更大的温度应力，危害了结构的安全，需要得到足够重视。

3 结语

本文以某水电站为对象，采用数值模拟方式，模拟了大坝在常规运行期和极端天气下的温度场和应力场分布。 计算参数依据设计资料和工程经验进行选取。 模拟结果与实际观测到的裂缝出现位置相对应，验证了计算结果的正确性。同时在工程设计和施工阶段，需考虑到极端天气对于结构安全的影响，采用合理的结构设计和科学的施工管理， 避免产生危害结构安全的裂缝。