混凝土雙曲拱壩封拱溫度場有限元分析研究

張曉旭

(齊齊哈爾市龍沙區(qū)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

1 工程概況

某混凝土拱壩采用C20堆石混凝土拱壩擋水，樞紐建筑物包括攔水壩、壩身泄洪底孔、電站廠房和壩前護(hù)坦組成。大壩壩高97.00m，壩頂高程1042.5m，壩頂寬度5.0m，壩頂弧長186.62m。大壩下游設(shè)置混凝土護(hù)坦，護(hù)坦長40m，寬48.0m，厚度4.0m。防滲體系采用固結(jié)加帷幕的組合防滲形式。碾壓混凝土拱壩有限元網(wǎng)格剖分圖，見圖1。

圖1 碾壓混凝土拱壩計算模型單元剖分圖

2 溫度應(yīng)力分析有限元原理[2]

按混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范，拱壩運(yùn)行期溫度荷載計算表達(dá)式為：

Tm=Tm1+Tm2-Tm0

(1)

Td=Td1+Td2-Td0

(2)

式中：Tm為平均溫度變化值,Td為等效線性溫度差。

Aa=(Ta7-Ta1)/2

(3)

式中：Aa為多年氣溫年變幅，考慮日照因素定義Aa=11.95℃。

庫水位作用時，平均溫度變化表達(dá)為：

Tm2=±ρ1Ae

(4)

Td2=0

(5)

當(dāng)L≥10m時

(6)

3 工程實(shí)例

3.1 壩體體型參數(shù)

雙曲拱壩體型參數(shù)，見表1。

表1 雙曲拱壩體型參數(shù)

3.2 應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)[3]

應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)值，見表2?；窘M合時允許最大主壓、拉應(yīng)力為5.7Mpa和1.2MPa。特殊荷載組合時允許最大主壓、拉應(yīng)力為6.7Mpa和1.5MPa。

表2 應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)值

3.3 壩體混凝土

壩體混凝土容重24kN/m3，彈性模量25500MPa，泊松比0.16，溫度線脹系數(shù)0.00001。

計算采用氣象資料有：多年平均氣溫17.9℃，1、7月多年月平均氣溫為7℃和27℃。

3.4 計算工況[4]

1)工況1：自重+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+靜水壓力+浪壓力+正常溫降。

2)工況2：自重+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+靜水壓力+浪壓力+正常溫升。

3)工況3：自重+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+靜水壓力+浪壓力+動水壓力+正常溫升。

4)工況4：動水壓力+正常溫升。

5)工況5：自重+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+靜水壓力(校核水位)+動水壓力+浪壓力+正常溫升。

4 拱壩拱梁分載法計算分析

4.1 封拱溫度17℃

壩體應(yīng)力采用4向變位調(diào)整的拱梁分載法[5]進(jìn)行計算，分別取不同封拱溫度進(jìn)行計算，以確定最佳封拱溫度。假設(shè)完建后一次封拱，封拱溫度為17℃。溫度荷載計算結(jié)果，見表3；壩體應(yīng)變值結(jié)果見，表4。

表3 溫度荷載計算結(jié)果

1)工況1的拱壩上游面最大拉、壓應(yīng)力為0.88MPa和1.40MPa，分別<1.2 MPa和 5.7 MPa；下游面最大拉、壓應(yīng)力為1.24MPa和1.43MPa，不滿足設(shè)計規(guī)范要求，最大徑向位移14.23mm。

2)工況2的拱壩上游面最大拉、壓應(yīng)力為0.56MPa和3.06MPa，下游面最大拉、壓應(yīng)力為0.60MPa和2.56MPa，上下游應(yīng)力均滿足規(guī)范和設(shè)計要求，最大徑向位移6.88mm。

表4 封拱溫度為17℃拱壩壩體最大應(yīng)力表

3)工況3的拱壩上游面最大拉、壓應(yīng)力為0.64MPa和3.32MPa，下游面最大拉、壓應(yīng)力為0.76MPa和2.44MPa，上下游應(yīng)力均滿足規(guī)范和設(shè)計要求小，最大徑向位移10.14mm。

4)工況4的拱壩上游面最大拉、壓應(yīng)力為0.67MPa和1.75MPa，下游面最大拉、壓應(yīng)力為0.63MPa和2.05MPa，上下游應(yīng)力均滿足規(guī)范和設(shè)計要求，最大徑向位移1.98mm。

5)工況5時上游面最大拉、壓應(yīng)力為0.67MPa和3.50MPa，滿足規(guī)范和設(shè)計要求；下游面最大拉、壓應(yīng)力為0.76Pa和6.7 MPa，上下游應(yīng)力均滿足規(guī)范和設(shè)計要求，最大徑向位移11.47mm。

由上述分析結(jié)果可見，原設(shè)計方案工況1上游面最大拉應(yīng)力為1.24 MPa，超出設(shè)計應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)1.2 MPa，其它部位均滿足設(shè)計應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 封拱溫度14℃

由以上分析可知只有頂拱的拉應(yīng)力超過應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，因此降低頂拱的封拱溫度，改為14℃，其他各層封拱溫度不變，仍為17℃，溫度荷載計算結(jié)果見表5，拱壩應(yīng)力變化結(jié)果見表6。

表6 封拱溫度頂拱14℃，其他17℃拱壩壩體最大應(yīng)力表

由此可見，推薦方案各工況都滿足滿足設(shè)計應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié) 論

文章基于混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范及拱梁分載法基本方法，對雙曲拱壩工程的不同荷載組合工況進(jìn)行應(yīng)力計算，分析不同工況下的壩基應(yīng)力分布情況及壩基變形對拱壩應(yīng)力及穩(wěn)定的影響，對不同封拱溫度、封拱順序?qū)皦螒?yīng)力及穩(wěn)定的影響進(jìn)行分析，通過計算結(jié)果表明各工況都滿足設(shè)計應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，該拱壩是安全穩(wěn)定的。