基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的高拱壩運行期溫度荷載與應力分析研究

史波 唐朝

摘要：高拱壩在建設期往往會布置大量溫度計來監(jiān)測壩體溫度變化情況，拱壩溫度是高拱壩施工期及運行期控制的一個重要項目。以某高拱壩為例，在分析運行期溫度變化規(guī)律與分布的基礎上，計算拱壩運行期實測溫度荷載，并與設計值進行差異性分析，進而分析對拱壩應力的影響程度。研究成果可為同類工程提供參考并反饋工程設計和指導工程實踐。

關鍵詞：高拱壩;溫度;監(jiān)測數(shù)據(jù);溫度荷載;溫度應力

高拱壩在長期運行過程中載荷變化對壩體安全有較大的影響，而壩體載荷變化主要的影響因素為長期運行期間的溫度載荷。文章通過對某電站樞紐實際壩體數(shù)據(jù)的采集和仿真分析，說明了長期運行工況下壩體溫度載荷對壩體載荷變化的影響。

1 工程概況

某電站樞紐位于亞熱帶地區(qū)，為Ⅱ等大（2）型工程，由碾壓混凝土雙曲拱壩、溢流表孔、排沙底孔、引水發(fā)電隧洞等主要建筑物組成。

壩體共布置溫度計99支，分別布置在高程700m、712m、730m、750m、770m、790m的拱冠和兩壩端，溫度計在上述高程按照5：5：5：4：4：3布置，上下游溫度計距離壩面0.10m，用于監(jiān)測庫水溫及氣溫，其余按等間距布置。

2 壩體實測溫度變化過程與分布分析

2.1 壩體實測溫度變化過程分析

通過分析壩體典型高程（760m）溫度測值變化過程可知：

（1）下游壩面：高高程下游壩面溫度計均受氣溫影響顯著，呈現(xiàn)明顯年周期變化規(guī)律，壩面多年平均值為18.58之間，多年平均變幅在1.10℃～17.48℃之間，均值為9.43℃，拱壩下游面溫度多年平均變幅小于氣溫變化量。

（2）上游壩面：上游壩面總體可反應庫水溫變化情況，呈現(xiàn)年周期變化規(guī)律，多年平均值在15.15℃～20.08℃之間，表現(xiàn)為上部（深度55m以內(nèi)）水溫相對較高，溫度在20℃左右，下部水溫相對較低，溫度在15℃左右;上游壩面多年年變幅平均值在1.09℃～12.74℃之間，均值為5.34℃，小于下游壩面溫度變幅。

（3）壩體內(nèi)部：壩體內(nèi)部溫度總體處于穩(wěn)定狀態(tài)，溫度變幅總體小于上游壩面溫度變幅，受環(huán)境影響相對較小。

2.2 壩體實測溫度分布分析

選取壩體拱冠梁溫度監(jiān)測斷面，繪制該斷面2018年和2020年典型時間溫度分布見圖1。由溫度分布圖可見：

（1）拱冠梁溫度場總體沿水平梯度方向分布，在壩體底部附近由于受壩基邊界熱傳導作用的影響逐漸轉變?yōu)樨Q直梯度方向分布。

（2）由高低溫季節(jié)對比可以看出，環(huán)境溫度對壩體影響主要發(fā)生在壩體頂部、壩體下游面和壩體上游面淺水部分，壩體內(nèi)部、壩體底部和壩體上游面水深55m以下溫度基本保持穩(wěn)定。

（3）由2018年和2020年溫度縱向對比圖和過程線可以看出，2018年和2020年同季節(jié)溫度分布基本一致，壩體內(nèi)部溫度變化基本已穩(wěn)定;壩體內(nèi)部最高溫度約為21℃（壩體中上部），最低溫度約為15℃（靠近基巖部分）。

3 拱壩實測溫度荷載分析

本工程拱壩為碾壓混凝土拱壩，為發(fā)揮碾壓混凝土快速施工的特點，壩內(nèi)未埋深冷卻水管，盡管拱壩施工過程中經(jīng)歷過多次停工，封拱灌漿時由于壩內(nèi)溫度較高而導致橫縫未完全張開，拱壩實際封拱溫度高于設計封拱溫度。故有必要計算實際溫度荷載和應力與設計的差異引起的對拱壩應力的影響。

根據(jù)以上公式，結合本工程封拱灌漿溫度等監(jiān)測資料，計算溫升和溫降工況溫度荷載情況，并與設計溫度荷載進行對比，圖2繪制了設計溫度荷載和實際溫度荷載對比圖，可見：

（1）溫升工況下，設計溫度荷載主要表現(xiàn)為上下游方向的梯度變化，即下游壩面（中上部，設計溫升最大值約為12.05℃）至上游壩面（中下部）溫度逐漸降低，實際封拱時由于壩體中上部溫度較高，實際溫度荷載變化主要表現(xiàn)在壩體中上部，實際溫升最大值約為5.96℃;實際溫升荷載相對于設計值有一定減小。

2）溫降工況下，設計溫降荷載在壩體中上部表現(xiàn)為沿高程方向的梯度變化，壩頂溫降相對較大（5.98℃），壩體中下部表現(xiàn)為上下游方向的梯度變化;實際溫降荷載分布主要在壩體中上部，實際最大溫降8.85℃;實際溫降荷載相對于設計值有一定增大，壩體中上部溫降荷載增大約3℃～5℃，中下部溫降荷載增大約1℃～3℃。

4 溫度應力差異性分析

4.1 有限元計算模型

建立本工程三維有限元計算模型，拱壩左右岸、上下游及底部壩基模擬范圍均大于2倍壩高，模型全部采用八結點六面體等參單元剖分，壩厚方向剖分6層網(wǎng)格。模型共剖分單元45408個，節(jié)點總數(shù)51105。

4.2 溫升工況應力差異分析

拱冠梁斷面設計與實際溫度荷載情況下壩面應力的對比后可見：

（1）上游面：上游面整體大主應力相對于設計水平有所減小，實際溫度荷載相對于設計值的差異使得壩體上游面拉應力有所減小。實際溫度荷載計算所得壩體上游面小主應力除高高程近壩基區(qū)域有所增大外，整體小主應力相對于設計荷載有所降低，壓應力最大值約-3.8MPa，出現(xiàn)在拱冠梁高程774m附近。因此，整體而言實際溫度荷載相對于設計值的差異使得壩體上游面壓應力有所增大，但未超過混凝土設計強度。

（2）下游面：實際溫度荷載計算所得下游壩面大主應力相對于設計值在高程774m以上有所減小，但變化幅度不大，在高程774m以下大主應力有所增大，除局部應力集中外未出現(xiàn)拉應力。實際溫度荷載計算所得下游壩面小主應力除近壩基區(qū)域有所降低（局部應力集中）外，整體而言小主應力較設計情況有所增大，即實際溫度荷載相對于設計值的差異使得下游壩面整體壓應力水平有所降低。

總體來看，溫升工況下，實際溫度荷載小于設計溫度荷載，使得上游壩面壓應力有所增大而下游壩面壓應力有所減小。

4.3 溫降工況應力差異分析

拱冠梁斷面設計與實際溫度荷載情況下壩面應力的對比后可見：

（1）上游面：實際溫降荷載計算所得上游壩面近壩基位置附近的拉應力普遍較設計荷載計算值增大約0.5～1.0MPa，但該區(qū)域為局部應力集中;整體而言高程774m以上區(qū)域大主應力有所減小，而高程774m以下區(qū)域大主應力有所增大，除近壩基應力集中區(qū)域外未出現(xiàn)拉應力。實際溫度荷載計算所得上游壩面靠近拱冠梁區(qū)域及高高程區(qū)域小主應力較設計荷載計算值有所減小，即壩面壓應力有所增大，且高程越高區(qū)域增加幅度越大，但未超過混凝土設計強度。

（2）下游面：實際溫度荷載計算所得下游壩面大主應力較設計荷載計算值在高程：74m以下區(qū)域均有所增大，即拉應力有所增加，其中最大值達到0.99MPa，為局部應力集中，除應力集中區(qū)域外壩面最大拉應力約0.8MPa，未超過強度設計值，實際溫度荷載相對于設計值的差異使得下游面整體主拉應力水平有所提高。實際溫度荷載計算所得下游壩面小主應力較設計荷載計算值在高程774m以上有所減小但變化幅度不大;在高程774m以下區(qū)域小主應力有所增大，除近壩基應力集中區(qū)域外壩面壓應力未超過設計強度。

總體來看，溫降工況下，實際溫度荷載相對于設計值的差異對壩體應力影響最不利之處表現(xiàn)為壩體下游面整體拉應力水平有所加大。

5 結語

本文基于溫度實測數(shù)據(jù)對高拱壩溫度荷載與應力進行了分析研究，結果表明：

（1）環(huán)境溫度對壩體影響主要發(fā)生在壩體頂部、壩體下游面和壩體上游面淺水部分;

（2）溫升工況下，實際溫度荷載小于設計溫度荷載，使得上游壩面壓應力有所增大而下游壩面壓應力有所減小。溫降工況下，實際溫度荷載相對于設計值的差異對壩體應力影響最不利之處表現(xiàn)為壩體下游面整體拉應力水平有所加大;

（3）拱壩實際封拱溫度往往高于設計封拱溫度，導致壩體應力水平與設計值有所差異，主要不利位置發(fā)在下游壩面（溫降）。故高拱壩在施工過程中需重視混凝土溫度控制，同時運行期注意寒潮等極端天氣影響。

參考文獻：

[1] SL 744-2016，水工建筑物荷載規(guī)范[S].

[2]宋健. 考慮溫度荷載的高拱壩靜動力分析與影響因素[D]. 大連：大連理工大學， 2016.