考虑温度变化的碾压混凝土拱坝地震响应分析.pdf

研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 31 期考虑温度变化的碾压混凝土拱坝地震响应分析魏彦军（山东省水利勘测设计院有限公司，山东 临沂 276000）碾压混凝土筑坝技术在我国起步较晚，但发展很快，已广泛应用于混凝土重力坝的建设，并不断在混凝土拱坝中推广应用。碾压混凝土拱坝集合了建筑材料、施工工艺及结构受力等多方面的优势，具有独特之处。碾压混凝土配合比采用低水泥用量、高掺粉煤灰和复合外加剂，减少水化热但保证了混凝土的良好性能；施工上采用大仓面、薄层、连续浇筑的工艺，快速、短间歇，施工进度快；拱坝形体结构单薄但受力条件较好，大大减少工程投资等。虽如上所述，但碾压混凝土拱坝的应力状态与常态混凝土拱坝不同。碾压混凝土拱坝虽在施工时成拱，但这时坝体弹性模量还很低，尤其是掺夹了大量粉煤灰后，水化作用减缓，温升较慢，碾压混凝土强度增长缓慢；而在温升达到峰值及以后的一段降温过程中，碾压混凝土弹性模量还在发展，徐变也较大1。此外，碾压混凝土拱坝的应力分布与常态混凝土拱坝又有所不同。因此，要比较准确反映碾压混凝土拱坝的应力状态，除采用拱梁法计算外，需采用三维有限元法进行分析。1概况该碾压混凝土拱坝位于流域开发的第三梯级，坝址以上流域面积 4 680 km2，水库总库容 2.8伊108m3，工程以水力发电为主，兼顾下游工、农业供水，为综合利用的大（2）型水利枢纽工程。水库死水位为 1 415.00 m，死库容为 0.7伊108m3；正常蓄水位为 1 450.00 m，兴利库容2.7伊108m3；设计洪水位 1 450.72 m，校核洪水位1 451.95 m。工程等别为 II 等，主要建筑物级别为 2级。工程主要由挡水建筑物、泄水建筑物及引水发电建筑物等组成。1.1气象资料工程所在流域属于北亚热带云贵高原山地季风湿摘要：常态混凝土拱坝通常采用柱状分块方式浇筑，施工期通过坝内埋设冷却水管基本将混凝土水化热温升消除，对拱坝运行期的应力状态影响甚微；碾压混凝土拱坝的施工通常采用全断面通仓碾压法，施工期碾压混凝土水化热温升所产生的温度应力随坝体温度的回降持续影响拱坝运行期的应力状态。因此，碾压混凝土拱坝的应力状态与常态混凝土拱坝相比截然不同，且大体积混凝土受温度荷载的作用不容忽视，考虑温升、温降对碾压混凝土拱坝进行坝体应力分析是十分必要的。关键词：碾压混凝土；拱坝；温度变化；地震响应；反应谱中图分类号院TU37文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤31-00愿怨-0缘Abstract:The normal concrete arch dam is usually poured by column block method,and the hydration heat temperature riseof concrete is basically eliminated by embedding cooling water pipes in the dam during construction,which has little effect on thestress state of arch dam during operation.Full-section through-silo compaction method is usually used in the construction of rollercompacted concrete(RCC)arch dam,and the temperature stress caused by hydration heat rise of RCC during construction continuesto affect the stress state of arch dam during operation with the fall of dam body temperature.Therefore,the stress state of RCCarch dam is completely different from that of normal concrete arch dam,and the effect of mass concrete under temperature loadcan not be ignored.Considering temperature rise and temperature drop,it is essential to analyze the stress of RCC arch dam.Keywords:roller compacted concrete(RCC);arch dam;temperature change;seismic response;response spectrum作者简介：魏彦军（1984-），男，硕士，高级工程师。研究方向为水利规划设计。DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.31.02189-2023 年 31 期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application润气候区，年降雨量变化也较大，降雨量主要集中在每年的 5耀10 月份，占年降水量的 80%以上。多年平均降水量为 982 mm，蒸发量 2 216.6 mm，多年平均日照时数为 1 999.2 h。坝址区气象资料见表 1。1.2工程地质1.2.1区域地质枢纽区位于宝山东西向构造带与新华夏系杨家村背斜 2 种构造体系交织地带，在构造单元上以摩戛断层为界。摩嘎断层以南为宝山东西向构造带，呈单斜构造表现形式；摩嘎断层以北为杨家村背斜南西侧倾伏端，基本和清水河流向一致，局部形成次一级的小褶皱。本区基本地震动峰值加速度为 0.05 g，地震基本烈度为遇度，地震动反应谱特征周期为 0.45 S2。1.2.2建筑物区工程地质坝基处河床宽 35耀40 m，最低高程 1 295.86 m，两侧岸坡较陡，部分为陡崖，强风化厚度 4.0耀12.0 m，河床中无强风化层，弱风化岩体厚 4.0耀10.0 m，微风化岩体完整性较好。左坝肩地形坡度 35耀53毅，局部为陡崖，山坡上除零星分布有厚 0.5耀2.0 m 的坡残积混碎石黏土外，大部分基岩裸露，左坝肩强风化带岩体厚度 8.0耀14.0 m，弱风化岩体厚 8.0耀18.0 m。微风化岩体完整性较好，强度较高，工程地质条件良好。右坝肩地形坡度 34耀55毅，部分地段陡崖连续分布，基岩裸露，无断层通过，强风化带岩体厚度 8.0耀18.0 m，弱风化岩体厚 6.0耀13.0 m。微风化岩体完整性较好，强度较高，工程地质条件良好。大坝建基面位于弱风化耀微风化岩体之上，建基面1285.0耀1 375.0 m 高程岩体变形模量为 14 GPa，1375.0耀1 450 m 高程岩体变形模量为 11 GPa，微风化基岩泊松比取为 0.25，弱风化基岩泊松比取为 0.27。坝址基岩和土层地质物理力学指标见表 2。表 2坝基岩土体物理力学指标1.3地震作用参数本工程为 II 等大（2）型水利枢纽工程，碾压混凝土拱坝为 1 级建筑物，抗震设防类别为甲类，应取基准期 100 a 超越概率 2%的地震动参数作为设计地震，基准期 100 a 年超越概率 1%的地震动参数作为校核地震。水平向地震加速度代表值见表 3。表 3水平向地震加速度代表值 ah竖向设计地震加速度的代表值应取水平向设计地震加速度代表值的 2/3。竖向设计地震加速度的代表值见表 4。表 4竖向地震加速度代表值 av2分析方法及基本参数2.1地震响应分析方法对碾压混凝土拱坝抗震性能计算分析可以采用拱梁分载法、反应谱分析法及时程分析法。表 1坝址区气象资料项目 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 年 多年平均气温/oC 5.5 7.4 11.9 15.6 17.6 18.6 19.4 18.8 16.7 12.8 9.7 7.3 13.3 历年极端最高气温/oC 25.4 28.2 30.2 32.5 33.7 33.9 30.7 30.9 30.4 26.7 25.9 25.2 33.9 历年极端最低气温/oC-10.6-14.9-6.6-4.7 2.4 2.8 6.5 4.5 2.2-2.5-6.9-11.6-14.9 多年平均风速/(m s-1)3.7 4.4 4.6 4.2 3.8 3.1 2.8 2.1 3.1 2.8 3.2 3.2 3.4 历年最大风速/(m s-1)16.7 19.0 24.3 16.7 17 17 14.0 13 11 12 12 17.3 24.3 相应风向 SW SSW SSW S SSW SW SSW SW SSW SSW SSW SW SSW 多年平均日照时数/h 167.1 200.1 228.4 222.4 184.2 131.1 154.3 159.9 127 120.9 144.5 159.3 1 999.2 多年平均相对湿度（%）70 65 57 58 67 77 80 80 80 80 77 73 72 岩体名称EdRbfcfR/（gcm-3）/GPa/MPa/MPa/MPa卵石2.001.0强风化灰岩2.6630.3350.640.350.502.5白云岩2.6930.3350.650.350.552.5弱风化灰岩2.70110.27410.910.700.614.5白云岩2.71110.27420.920.710.624.5微风化灰岩2.73140.25471.00.900.696.0白云岩2.75140.25451.00.910.706.0超越概率 峰值加速度/gal 地震加速度/g 100 年 2%127 0.131 100 年 1%153 0.156 超越概率 峰值加速度/gal 地震加速度/g 100 年 2%127 0.087 100 年 1%153 0.104 90-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 31 期采用拱梁分载法计算时将碾压混凝土拱坝分为不同段的拱、梁，考虑拱梁及径、切、扭三向调整；大坝应力计算采用有限元法，施工过程及运行期采用三维非线性有限元法进行仿真计算。有限元模型X 方向为垂直水流方向，向右岸为正；Y 方向为顺水流方向，向下为正；Z方向为铅直方向，向上为正。2.2基本参数坝体碾压混凝土特性参数见表 5。表 5坝体碾压混凝土特性参数水库水位参数见表 6。表 6水库水位参数水库计算淤沙高程为 1 380.00 m，淤沙浮容重为0.858 t/m3，内摩擦角为 15毅。地震工况碾压混凝土坝体允许拉应力及允许压应力值见表 7。表 7体允许拉应力尧允许压应力MPa3地震响应分析地震反应谱采用标准设计反应谱，拱坝的反应谱代表值为 茁max=2.5，场地类别为 I0类，修正后特征周期Tg=0.3 S，表达式为3茁（T）=1+10伊（茁max-1），0T臆0.1；（1）茁（T）=茁max，0.1T臆Tg；（2）茁（T）=茁max伊（Tg/T）0.6，TgT臆3。（3）本次模态分析简化为 10 阶振型叠加，即能满足计算精度要求。死水位和正常蓄水位情形下坝体第 1 阶至第 10 阶振型的自振频率，计算结果见表 8。3.1坝体位移3.1.1正常蓄水位工况正常蓄水位下，坝体地震动位移计算结果如图1图 3 所示。表 8碾压混凝土坝自振频率Hz图 1X 向位移等值线图渊max=0.590 mm冤图 2Y 向位移等值线图渊max=2.204 mm冤图 3Z向位移等值线图渊max=0.421 mm冤由图 1图 3 可见，设计地震动位移发生在孔口附近，X 向最大位移为 0.590 mm，Y 向最大位移为2.204 mm，Z 向最大位移为 0.421 mm。3.1.2死水位工况死水位下，坝体地震动位移计算结果如图 4图 6所示。由图 4图 6 可见，死水位工况下，X 向最大位移发生在坝顶附近，为 0.841 mm；Y 向和 Z向最大位移发生在孔口附近，分别为 2.023 mm、0.649 mm。在设计地震工况，静力、动力综合作用下的位移计项目 单位 数值 容重 kNm-3 24 弹性模量 MPa 25 500 变形模量 MPa 18 000 泊松比/0.167 线膨胀系数（1-1）0.000 005 7 水位频率P（%）数值/m上游正常蓄水位-1 450.00上游设计水位0.11 450.72上游校核洪水位0.021 451.95水库死水位-1 415.00下游设计水位0.11 312.59下游校核水位0.021 313.12下游最低尾水位-1 300.40部位 强度等级 拉 压 坝体 C18020 3.35 18.10 建基面垫层 C18025 4.15 22.10 振型 死水位 正常蓄水位 1 2.414 1.609 2 2.754 1.782 3 3.456 2.513 4 4.466 3.408 5 5.198 3.437 6 5.375 4.080 7 5.893 4.450 8 6.146 4.751 9 6.473 5.249 10 7.142 5.530 91-2023 年 31 期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application算结果详见表 9。图 4X 向位移等值线图渊max=0.841 mm冤图 5Y 向位移等值线图渊max=2.023 mm冤图 6Z向位移等值线图渊max=0.649 mm冤表 9设计地震工况下综合位移mm在校核地震工况，静力、动力综合作用下的位移计算结果详见表 10。表 10校核地震工况下综合位移mm3.2坝体应力设计地震工况下坝体静力、动力综合等效应力详见表 11。正常蓄水位下温升、温降时典型应力分布图如图7、图 8 所示。死水位下温升、温降时典型应力分布如图 9、图 10所示。表 11设计地震工况下等效应力MPa图 7正常蓄水位温升时第一主应力分布图图 8正常蓄水位温降时第一主应力分布图图 9死水位温升时第一主应力分布图图 10死水位温降时第一主应力分布图校核地震工况下坝体静力、动力综合等效应力详见表 12。正常蓄水位下温升、温降时典型应力分布如图11、图 12 所示。死水位下温升、温降时典型应力分布如图 13、图14 所示。4成果分析4.1坝体位移由坝体位移等值线图可以看出，大坝地震动位移组合 X向 Y向 Z向-+正常温升 15.938 18.013 50.428 11.164 正常温降 17.464 19.641 58.253 10.028 空库温升 11.673 10.687-38.224 20.402 空库温降 8.116 7.812-33.103 20.025 组合 X向 Y向 Z向-+正常温升 17.869 20.021 65.518 10.958 正常温降 18.964 21.903 73.825 9.982 空库温升 12.926 11.756-51.871 20.901 空库温降 10.016 10.328-52.924 21.345 组合 最大拉应力 最大压应力 正常温升 2.867 6.689 3.244 6.065 正常温降 2.942 7.654 3.312 5.882 空库温升 2.463 4.751 2.535 4.584 空库温降 2.602 2.983 2.305 4.592 92-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 31 期组合 最大拉应力 最大压应力 正常温升 3.203 7.215 3.922 6.156 正常温降 3.167 7.433 3.889 5.891 空库温升 3.256 3.767 2.878 4.903 空库温降 3.022 3.689 2.667 4.921 分布规律符合拱坝动力变形的一般规律，在蓄水工况下位移反应主要以平行水流方向为主，垂直水流方向位移为辅。大坝地震动最大位移基本发生在溢流孔口附近和坝顶部位，并逐渐向坝底和左右两侧衰减。在温升、温降作用下，坝体顺河向位移沿上下游方向波动性变化，但不论是设计或校核工况，均在正常蓄水位下最为不利；竖向位移在死水位下最为不利。表 12校核地震工况下等效应力MPa图 11正常蓄水位温升时第一主应力分布图图 12正常蓄水位温降时第一主应力分布图图 13死水位温升时第一主应力分布图图 14死水位温降时第一主应力分布图4.2坝体应力在温度变化及地震荷载作用下，水库正常蓄水时坝体最大拉应力出现在上游坝基、两侧坝肩及溢流孔口等部位；在死水位时，坝体最大拉应力出现在距离坝顶 1/3 坝基、两侧坝肩及溢流孔口等部位。在温度变化及地震荷载作用下，水库不论是正常蓄水或处于死水位，坝体最大压应力均出现在下游坝基及拱坝中部距离坝基 1/3 坝高区域内，并逐步向两侧坝肩及坝顶传递。正常蓄水是大坝运行的最不利工况，最大应力较死水位时增大 1.52 倍。5结束语本文建立了坝体库水地基的多远系统模型，利用振型分解反应谱法基于气温变化对碾压混凝土拱坝进行了地震响应分析，其位移、应力分布规律合理。坝体等效应力最大值小于允许值，在非地震工况下大坝强度安全满足要求。除正常蓄水校核地震工况下建基面附近的等效拉应力略大于坝体 C18020 混凝土容许拉应力外，其他工况的等效拉应力均满足强度设计要求。建议将坝体二级配防渗层混泥土在靠近建基面3 m 范围内的碾压混凝土由 C18020 提高至 C18025 局部予以替换，即可满足校核地震工况的强度设计要求。此外，大坝溢流孔口附近局部拉应力较大，应力集中效应明显，在施工阶段通过配置抗拉钢筋来满足强度设计要求。拱坝坝体单薄，结构受力得到充分应用，然而混凝土裂缝对坝体安全影响至关重要，温度应力又是导致坝体裂缝的直接原因。因此，应基于热固耦合进一步分析坝体应力，为碾压混凝土拱坝设计、施工提供更充分的计算依据。参考文献院1 碾压混凝土拱坝设计规范：SL 3142018S.北京：中国水利水电出版社，2018.2 中国地震动参数区划图：GB 183062015S.北京：中国标准出版社，2015.3 水工建筑物抗震设计标准：GB 512472018S.北京：中国计划出版社，2018.4 混凝土拱坝设计规范：SL 2822018S.北京：中国水利水电出版社，2018.93-