新疆山口碾压混凝土重力坝温度应力的计算分析

赵慧琴

（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆乌鲁木齐，830000）

新疆山口碾压混凝土重力坝温度应力的计算分析

赵慧琴

（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆乌鲁木齐，830000）

为了解寒冷地区碾压混凝土坝体的温度变化和应力状态，根据热传导原理，仿照实际边界条件和影响因素，采用三维有限元法对坝体混凝土的温度分布和应力应变进行了分析，掌握了坝体温度和应力的分布特点和变化规律，为验证设计和分析混凝土坝的实际运行状况提供了可靠的依据。

混凝土；温度；应力应变；计算分析

山口碾压混凝土坝中水泥用量较低且掺入了大量的粉煤灰，施工过程中采取了薄层铺筑、自然散热等措施减小了内外部温差。但由于铺筑块尺寸大，加之短间歇连续施工等方法使部分水化热仍残留在混凝土中，造成坝体局部温差较大，产生较大的温度应力。为研究运行期间坝体应力应变的实际状态，采用三维有限元法对坝体的应力应变进行分析计算，把实际监测结果和计算结果进行对比分析，以获取真实的温度场和应力场，为分析坝体内部裂缝和渗流变化提供可靠的依据。

1 工程概况

特克斯河山口水电站工程位于新疆巩留县境内，由拦河坝、泄水建筑物和发电引水系统及电站厂房等主要建筑物组成，装机容量140 MW，工程属大（2）型II等工程。水电站挡水建筑物是由碾压混凝土坝和粘土心墙堆石坝组成的混合型坝。混凝土坝顶高程916.0 m，最大坝高51 m，坝顶宽度8.0 m，坝长496 m，坝体分为28个坝段，均采用永久横缝，最大间距20 m。坝体上游面为垂直面，下游906.0 m高程以下坡度为1∶0.75，上下游面均喷5 cm厚聚氨酯进行永久保温。

坝址区域呈大陆性温带气候，表现为温和湿润、雨量充沛、昼夜温差大等特征。多年平均气温8.8℃，极端最高气温39℃，极端最低气温-32℃，多年平均降水量334.02 mm，多年平均蒸发量1 961.04 mm，最大冻土深度80 cm。

2 仪器布置

山口混凝土坝段选取0+105.0断面、0+158.0断面、0+322.0断面为主要温度和应力观测断面。根据大坝结构计算及30 cm分层碾压特点，在监测断面874 m、886 m、898 m高程及其截面左、中、右以网格状布置仪器。为测得坝体的温度场和应力分布状态，在上游侧坝内和水位变化频繁的部位适当加密。坝体内温度计按8 m间距布置，其他应变计的位置不再另设温度计，利用内部仪器兼测温度，从而了解坝体及基础部位由水化热、气温、水温所形成的温度及应力分布和变化。三个主要监测断面共埋设温度计77支，应变计72支。大坝0+158.0挡

水坝段仪器布置见图1。

图1 混凝土挡水坝段计算剖面图Fig.1 Section of the water retaining block in calculation

3 计算过程

3.1 计算参数

大体积混凝土中，温度应力对坝体的影响很大。分析计算时，需先对坝体进行热传导分析，得到坝体内部的温度分布，然后再进行混凝土结构分析，得出温度产生的内部应力。

在混凝土热传导中，热流量与温度梯度成正比。假定单位时间、单位体积内水泥水化作用发出的热量为Q，则单元体积内发出的热量为Qdxdy⁃dz。根据热量平衡原理，温度升高所吸收的热量必须等于从外面流入的净热量与内部水化热之和，得出固体介质的热传导方程为：

其中，c为介质的比热，kj/（kg·℃）；T为温度，℃；τ为时间，h；λ为导热系数，kj/（m·h·℃）；ρ为介质密度，kg/m3；α为导温系数，m2/h；θ为混凝土的绝热温升，℃。

坝体混凝土的热学性能参数见表1，力学性能指标见表2。

3.2 计算方法

山口碾压混凝土坝上游防渗层和下游表面为二级配碾压混凝土加变态混凝土，分布厚度分别为3.0 m和2.5 m，坝体迎水面变态混凝土厚0.5 m，变态混凝土与二级配碾压混凝土同步浇筑，每层浇筑厚度为0.3 m，总浇筑层数为170层。为保证计算精度，采用“浮动网格法”进行计算，即当分层浇筑的碾压混凝土达到一定龄期后，由于各层混凝土的物理力学性质变化已很小，于是将浇筑薄层划分的小单元合并为大单元，实现坝体施工过程薄层浇筑和运行期间温度传递的完全模拟。

根据山口碾压混凝土浇筑时的初始条件和运

行期间的边界条件，利用三维有限单元法，通过变分原理得出坝体的温度及应力分布，混凝土的徐变度拟合公式为：

表1 坝体混凝土热学性能参数Table 1 Parameters of thermal properties of the concrete

表2 坝体混凝土力学性能指标Table 2 Indexes of mechanical properties of the concrete

式中，τ为混凝土加荷龄期，d；（t-τ）为混凝土持荷时间，d。

混凝土的徐变度采用复合形法计算，得出各单元结点的位移后即可计算出单元应力。根据坝体混凝土的试验材料，拟合计算出的参数见表3。

4 成果分析

4.1 边界条件

以0+158断面所在的挡水坝段为计算坝段，计算长度为20 m，坝高51 m，坝顶宽度8 m，底宽为40.5 m，基础范围深度取100 m，上下游方向各取100 m。对称面取x方向位移为零，基岩底面及4个侧面和坝段侧面均为绝热边界。上游面按水边界或气边界处理，由上游水位决定，下游坝面按气边界处理。

在上游面正常蓄水位以下，坝面温度受不同水深的温度影响；在正常蓄水位以上、坝顶和下游坝坡与气温接触表面，坝面温度等于年平均气温加太阳辐射的影响，坝面温度为Tb=8.8+2=10.8℃；在下游面尾水水位以下，根据气温和河水温度的情况，水温为8℃，水库库底温度取6℃。水库不同水深的温度变化按下式计算：

式中，Tw为平均水温，℃；τ为月份；y为水深，m；Ash为表层水温年变幅，经验算，寒冷地区取12℃。

由于山口坝址气温变化较大，若日平均气温在τ0期间急剧降低T0度，然后回升，气温骤降在混凝土表面产生的最大温度徐变应力按下式计算：

其中，T0为气温降低幅度，℃；D是与混凝土导热系数λ和放热系数β有关的应力松弛参数；Eh为弹性模量，GPa；μ为泊松比；α为线性膨胀系数，1/℃。

4.2 温度场分析

坝体混凝土温度是热状态的表征，通过三维有限元计算，显示大坝建成后混凝土经历了水化热升温、散热降温和随环境周期变化的三个阶段。其中前两个阶段时间较短，基本在施工期混凝土浇筑后50 d左右就结束了，而第三阶段表明坝体温度场已逐渐稳定，主要受外界气温影响，变化规律与外界气温基本一致，但坝体底部温度受深层水温影响较大。坝体夏季最高温度分布在混凝土坝的表层，冬季最高温度分布在坝体内部中心，坝体中部全年最高温度为12℃，最大年变幅为2℃，内部与表面的最大温差约为13℃。坝体混凝土温度变化滞后于气温和水温，每年库区最高水温和气温均出现在7月，最高日均温度分别为19℃和26℃，而除坝体混凝土表面外，水下越深及越接近坝体内部，温度越滞后，挡水坝段坝基混凝土最高温度出现在3月，年温度变幅仅为0.3℃，坝体886 m高程混凝土最高温度出现在9月，年温度变幅为1.1℃。计算出的混凝土温度和实际测值基本一致，分布状态也基本相同。运行期坝体混凝土的实际变化过程见图2，模拟计算出的稳定温度场见图3，在气温最高和最低时的计算坝体温度分布见图4、图5。

4.3 应力场分析

坝体温度场的变化会使混凝土产生温度应力和温度变形。由于山口水库水位年变幅较小而气温变幅较大，所以库水位对坝体的应力应变影响较小。运行期间，受温度影响，坝体内部应力应变与温度呈负相关，温度上升时压应力增大，温度下降时拉应力增大，应力应变随温度呈年周期变化。通过计算，大坝0+158断面混凝土内部水平应力和垂直应力均处于受压状态，仅坝体表面局部混凝土出现较小拉应力，其中最大水平拉应力为1.17 MPa，上游面最大垂直拉应力为1.35 MPa，与实测最大水平拉应力1.26 MPa和最大垂直拉应力1.44 MPa基本一致，且均小于允许拉应力1.60 MPa。坝体内部水平方向和垂直方向的应变变化规律也基本相同且变化不大，水平左右岸方向应变在-12～（-18）范围内变化，水平上下游方向应变在-31～（-38）范围内变化，垂直方向应变在-22～（-26）范围内变化。计算结果与实测结果基本一致且变化规律基本相同，表明坝体混凝土抗拉性能良好，防渗体状态正常，内部出现裂缝的可能性不大。坝体混凝土应力应变的计算值与实测值的变化过程见图6、图7。

图2 坝体0+158混凝土温度变化过程图Fig.2 Process of concrete temperature change at the dam sec⁃tion 0+158

表3 混凝土徐变度拟合公式材料特性参数Table 3 Parameters of the concrete properties in creep fitting formula

图3 混凝土挡水坝段稳定温度场分布Fig.3 Distribution of steady temperature field of the water re⁃taining block

图4 混凝土挡水坝段7月温度等值线Fig.4 Isolines of the temperature in July of the water retaining block

图5 混凝土挡水坝段1月温度等值线Fig.5 Isolines of the temperature in January of the water retain⁃ing block

图7 坝体表层混凝土应变计算值与实测值过程图Fig.7 Calculated strain and measured strain of the concrete on dam surface

5结语

在山口碾压混凝土坝施工过程中采取了较好的温控措施，将混凝土内部的温度应力控制在了允许范围内。运行期间坝体温度逐渐平稳，受外界气温、水温以及水泥水化热的影响，坝体混凝土温度呈年周期变化，其中表层混凝土温度变幅较大，内部温度变幅较小，夏季坝体上部温度较高，底部温度较低，冬季则相反，与模拟计算出的温度场基本一致，说明坝体实际温度及温度应力变化不大，内部混凝土状态较好。通过对山口碾压混凝土坝的温度及应力分析，为验证设计、检验施工和防止温度裂缝以及掌握寒冷地区大体积混凝土内的温度场、应力场的分布规律提供了参考和借鉴。 ■

[1]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国电力出版社,1999.

[2]彭诗明.大体积混凝土结构有限单元法应用研究[D].武汉:武汉大学,2005.

[3]王润富,陈国荣.温度场和温度应力[M].北京:科学出版社,2005.

[4]黄达海.高碾压混凝土拱坝施工过程仿真分析[D].大连:大连理工大学,1999.

To understand the temperature change and the stress state of roller compacted concrete dam in cold area,based on the principle of heat conduction and simulation of actual boundary conditions and influence factors,3D finite element method was used to analyze the temperature distribution in the dam concrete as well as the stress and strain.The resulting characteristics and change laws of the tempera⁃ture and stress distribution was of great importance for design verification and analysis of the operation performance of the concrete dam.

concrete;temperature;stress and strain;calculation and analysis

TV698.1

B

1671-1092（2014）04-0049-04

2014-03-03

赵慧琴（1984-），女，工程师，从事水库大坝建设与运行管理工作。

Title:Calculation and analysis on temperature stress of Shankou roller compacted concrete gravity dam// by ZHAO Hui-qin//Xinjiang Yili River Development and Construction Administration Bureau