極端天氣對于溢流壩段溫度與應力影響分析

鄭 崢

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，合肥 230088）

混凝土大壩中普遍存在著裂縫， 影響大壩的安全運行和效益的發(fā)揮，甚至導致失事。例如丹江口大壩［1］初期產(chǎn)生1050 條裂縫，后期發(fā)展到3327 條，19-24 壩段113 m 高程水平裂縫長期滲水， 對壩體穩(wěn)定構成威脅。美國的Dworshak［2］實體重力壩，上游面出現(xiàn)的劈頭裂縫深度達50 m，寬度2.5 mm，裂縫滲水量483 L/s。

裂紋的產(chǎn)生和拓展不僅破壞混凝土壩的完整性，而且影響結構穩(wěn)定性和安全性。在施工期由于水泥水化放熱， 當溫度控制控制不當， 熱量難以散發(fā)時， 將會形成較大的溫度梯度。 此時結構受到約束時，將導致較大的溫度應力，超過抗拉強度，形成溫度裂縫［3,4］。在運行期，尤其是季風氣候所在區(qū)域，由于氣溫年變幅較大， 在壩體內外將會形成較大的內外溫差，在受到結構約束時，也將形成較大的溫度應力［5,6］。在現(xiàn)階段的研究中，學者主要集中于分析在施工期溫度對于混凝土壩裂紋產(chǎn)生和拓展的影響［7,8］，運行期的溫度變化對結構的影響經(jīng)常被忽略。 同時由于全球氣候變化，導致極端天氣頻發(fā)，夏季高溫暴雨、冬季寒潮襲擊，這種劇烈的溫度變化將可能導致更大的溫度應力，形成溫度裂縫，危害結構安全。

本文將以某水電站為對象， 采用數(shù)值模擬的方式， 模擬了大壩在常規(guī)運行期和極端天氣下的溫度場和應力場分布。 通過比較常規(guī)運行期與極端天氣下的大壩溫度場和應力場， 得出極端天氣對于大壩應力場的影響。并與實際觀察結果相對比，驗證模擬結果，從而為大壩的設計和安全運行提供參考。

1 計算模型與參數(shù)

本文采用有限元的方式研究極端天氣對于重力壩溢流壩段溫度與應力的影響。 模擬時首先計算大壩在極端天氣下的溫度場分布， 再依據(jù)溫度場計算結果求解應力場。 具體的計算理論與數(shù)值計算方式參照朱伯芳等［9］研究。

1.1 計算模型

該溢流壩段高79.4 m，上下游長度為86.8 m， 壩段寬度為17.0 m。 按照溢流壩段剖分出的有限元模型如圖1， 總單元數(shù)量為67809，總節(jié)點數(shù)為76984。 為保證計算的準確性， 考慮地基對于計算結果的影響， 地基在大壩上下游擴展100 m， 在大壩左右兩側拓展54 m， 深度方向拓展150 m， 總的有限元計算模型如圖2。2005 年安全檢查時， 于溢流壩段反弧段的變電洞頂部出現(xiàn)深層裂紋， 溢流面反弧段處產(chǎn)生了水平連通性裂縫， 將該部分區(qū)域的網(wǎng)格細化，如圖3。

圖1 有限元計算模型（僅溢流壩段）

圖2 有限元計算模型（整體）

圖3 變電洞附近區(qū)域有限元模型

1.2 計算參數(shù)

根據(jù)大壩的設計資料并結合相關工程經(jīng)驗， 計算時大壩溢流壩段混凝土及地基的熱力學參數(shù)取值分別如表1 和表2。

表1 壩體混凝土基本參數(shù)

表2 基巖基本參數(shù)

壩址處的月平均氣溫的實測值與擬合值如圖4，其計算值如下：

圖4 實測多年平均氣溫及其擬合值

式中t 為月份。

變電洞內部由于在大壩內部， 并不與外界直接接觸，因此存在溫室效應，內部溫度變幅較小。依據(jù)工程經(jīng)驗給出變電洞內部溫度擬合公式：

式中t 為月份。

各月的水庫平均水位如表3。

表3 月平均水位 單位：m

計算溫度場時需考慮庫水溫度， 由于水庫無水溫監(jiān)測設備，庫水溫度的計算參考朱伯芳等［9］研究。 依據(jù)風速觀測記錄， 得到壩體與外界直接接觸的表面， 放熱系數(shù)為1095.6 kJ/(m2d ℃)。 變電洞內部處于相對封閉的空間，假定表面風速為0，放熱系數(shù)為400 kJ/(m2d ℃)。

計算準穩(wěn)定溫度場時，邊界條件為：上下游壩基和上下游壩面水面以下部分， 按照第一類邊界條件處理；壩體與外界大氣接觸面，變電洞內部表面，按照第三類邊界條件處理； 大壩內部空間包括廊道及寬縫等，由于完全封閉，按照絕熱邊界進行處理。

在進行應力場計算時， 假定地基四周及底面為連桿支撐，地基表面及上部混凝土結構均自由。荷載施加如下：上下游壩基和上下游壩面水面以下部分，受到垂直于面的水壓力作用， 水位與溫度邊界條件取值保持一致。結構自重按照體荷載進行施加，豎直向下。

1.3 計算工況

仿真計算主要包含3 個工況， 分別為多年平均氣溫下（工況1）和極端天氣下（工況2 和工況3）的大壩溫度場和應力場。

工況1 為計算溢流壩段在常規(guī)運行期內，在多年平均日氣溫影響下的準穩(wěn)定溫度場及相應的應力場。

工況2 為在工況1 的基礎上， 考慮到夏季高溫暴雨下，水庫的泄洪工況。選取大壩經(jīng)歷的典型泄流過程：7 月1—10 日，水庫水位維持月平均水位；7 月11—20 日，水庫水位上升至汛限水位，不泄流；7 月21—31 日，水庫水位按165.53 m 計，大壩處在泄流狀態(tài)，下游水位按水庫觀測資料計。

工況3 為在工況1 的基礎上，考慮到冬季受到寒潮襲擊：在一年中氣溫最低時，寒潮來臨，1 d 之內溫度驟降10℃，持續(xù)5 d，之后1 d 內恢復到正常溫度。

2 模擬結果

2.1 常規(guī)運行期

計算溢流壩段在常規(guī)運行期內， 在多年平均日氣溫影響下的準穩(wěn)定溫度場和相應的應力場。圖5～圖8 分別為4、7、10 和1 月份大壩中心剖面溫度場和應力場的云圖。需要說明的是，本文中的應力云圖均為第一主應力。

圖5 常規(guī)運行期4 月份

圖6 常規(guī)運行期7 月份

圖7 常規(guī)運行期10 月份

圖8 常規(guī)運行期1 月份

從溫度云圖可看出， 溢流壩段上游尤其在水位以下區(qū)域的混凝土主要受到庫水溫度的影響， 溫度較低且溫度變化小，不易受到外界氣溫變化的影響。溢流壩面及變電洞附近區(qū)域的混凝土， 易受氣溫變化的影響，夏季表面溫度高，冬季溫度低，溫度年變幅較大。從應力云圖可看出，在4 月份時溢流壩段整體應力較小，均低于0.6 MPa，結構安全。然而處于夏季7 月份時，變電洞頂部偏左側的內部區(qū)域，拉應力較大達2.4 MPa。 秋季10 月份時， 觀察到變電洞頂部、右側薄墻和右下方墻角及溢流壩反弧段附近區(qū)域，拉應力較大，達1.4 MPa，但未超過抗拉強度。處于冬季1 月份時，溢流壩反弧段拉應力較大，達1.6 MPa，結構比較危險，易產(chǎn)生裂縫。

從圖中可看出位于變電洞頂部的區(qū)域， 由于位于變電洞內， 因此其溫度變幅較小， 但應力變幅較大， 拉應力峰值甚至達2.64 MPa，超過抗拉強度。圖9 為實際拍攝的溢流壩段變電洞頂部出現(xiàn)的裂紋， 可以發(fā)現(xiàn)模擬與觀測得到的裂紋所在位置相同。

圖9 變電洞頂部實測裂縫

2.2 極端天氣

圖10 為工況2 下溢流壩中心剖面泄水時的溫度場和應力場的云圖。從圖10（a）的溫度云圖可看出，泄水時溢流壩表面溫度將會降低。變電洞頂部偏左側區(qū)域混凝土拉應力仍較大。峰值應力將會進一步增加約0.28 MPa，達2.93 MPa。這是由于在水壓力的作用下，變電洞頂部相當于梁結構，下方區(qū)域的混凝土將會受拉，因此拉應力增加，更易產(chǎn)生裂縫。

圖10 夏季高溫泄水工況

圖11 為工況1～工況3 下溢流壩中心剖面遭遇寒潮時的溫度場和應力場的云圖。從圖11（a）可看出，寒潮來臨時，溢流壩表面溫度將會降低至3℃左右。從圖11（b）可看出，此時溢流面反弧段的拉應力將會急劇增大，達4.0 MPa 左右（紅色虛線區(qū)域）。寒潮來臨時， 溢流面區(qū)域的混凝土溫度將會驟降約10℃，應力將會急劇增加約2.4 MPa，達4.0 MPa，超過抗拉強度。 圖12 為檢測到的反弧段裂縫分布圖，可發(fā)現(xiàn)該區(qū)域出現(xiàn)了連通性裂縫， 裂縫出現(xiàn)的位置與計算結果吻合。

圖11 冬季寒潮襲擊工況

圖12 反弧段裂縫分布簡圖（下游立視圖）

綜上所述，在夏季高溫暴雨導致的泄洪工況，將會導致溢流壩變電洞頂部的拉應力增大， 從而更易導致裂紋產(chǎn)生。而冬季寒潮的襲擊，直接導致溢流壩反弧段表面混凝土的拉應力急劇增加， 超過抗拉強度，導致裂紋產(chǎn)生。因此極端天氣的產(chǎn)生，加劇了溫度變化對于大壩的影響， 改變了大壩表面溫度場的分布，從而造成了更大的溫度應力，危害了結構的安全，需要得到足夠重視。

3 結語

本文以某水電站為對象，采用數(shù)值模擬方式，模擬了大壩在常規(guī)運行期和極端天氣下的溫度場和應力場分布。 計算參數(shù)依據(jù)設計資料和工程經(jīng)驗進行選取。 模擬結果與實際觀測到的裂縫出現(xiàn)位置相對應，驗證了計算結果的正確性。同時在工程設計和施工階段，需考慮到極端天氣對于結構安全的影響，采用合理的結構設計和科學的施工管理， 避免產(chǎn)生危害結構安全的裂縫。