河湾电站MgO混凝土拱坝温度应力仿真分析.pdf

第 5 O卷第 5期 2 0 1 4年 5月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 GA NS U WAT E R R I O UR CE S AN D II Y 1 ) ROP OWE R T E CI t NOL OGY Vo 1 ． 5 0． No ． 5 Ma y， 2 01 4 设计与研究 河湾电站 Mg O混凝土拱坝温度应力仿真分析 王云飞， 李怀斌 ( 贵州新中水工程有限公司， 贵州 贵阳5 5 0 0 0 1 ) 摘要： 利用外掺 M 混凝土的膨胀特性 ， 可z A有效补偿拱坝施工期温度应力， 可以取消或减少施工中的分缝， 在加 快筑坝速度的 同时确保大坝不出现 裂缝 。通过对河湾水电站 外掺 Mg O混凝 土拱 坝温度应 力进 行 S A P T I S仿真 分析 ， 结果表明： 分缝措施可以大大改善坝体应力状况。6 2 5 I l l 高程以下拉应力大于大坝允许拉应力， 坝体极有可能开裂， 不满足设计要求。仿真结果为混凝土拱坝温控措施的优化设计提供 了重要参考数据， 确保了大坝施工建设安全可靠 的进 行 。 关键词 ： 河湾水电站 ； 拱坝 ； 温度应力 ； 仿真分析 中图分类号 ： 1 V3 1 5 ；T V 6 4 2 ． 4 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 2 0 9 5 — 0 1 4 4 ( 2 0 1 4 ) 0 5 — 0 0 4 6 — 0 4 1 前言 河湾水电站拦河大坝为外掺 Mg O常态混凝土 拱 坝 ， 拱 坝拱 圈线 形 为抛 物线 。鉴 于 拱 坝 以及 Mg O 混凝土拱坝温度应力 的复杂性 ， 采用仿真计算方法 对拱坝浇筑全过程应力进行仿真计算分析就显得非 常必要 ⋯。根据河湾水 电站外掺 Mg O混凝土拱坝 浇 筑连 续 上升 的 特 点 ， 借 助 S A P T I S多 场仿 真 软件 ， 对 河 湾 水 电站 外 掺 Mg O混 凝 土 拱 坝 结 构 温 度 场 、 应力场线性及非线性进行了仿真分析 。 揭示 了河湾 拱坝大坝无缝无温控措施 、 有缝有温控措施等工况 下 ， 大坝整体的温度及 温度应力状态 ． 推荐 了合理 的分缝方案和可行的温控措施 ， 提 出了相应 的温控 标准[ 引 。 2工程 概况 河湾水电站位于曹渡河 中上游 ， 坝址布置于平 塘县掌布乡河湾寨子河段 ．距掌布河河 口约 l 2 0 0 m， 河 床高 程 6 4 3 ． 3 1 13 ， 引水发 电系统设 于 右岸 。河湾 电站 为季调 节 电站 ，坝 址 以上流 域面积 为 7 8 0 k m z ， 河 长 6 8 ． 3 k m， 平 均 坡 降 0 ． 6 1 2 ％。拦 河大 坝 为 外 掺 Mg O常态 混凝 土 拱 坝 ．拱 坝拱 圈线 形 为抛 物 线 ， 坝 顶 高程 7 1 7 ． 0 m， 坝 底高程 6 3 8 ． 0 m， 设 计坝 高 7 9 ．0 m。 坝顶厚 5 ． 0 r fi ． 坝底厚 1 6 ． 0 in ， 拱坝厚高 比0 ． 2 0 3 。总 库容 3 0 7 3万 m 。 ， 电站装机 2 x l 0 MW。 依据 S L2 5 2 — 2 0 0 0 ( 水利水电工程等级划分及洪水标准》 的规定 ， 河湾电站水库工程规模属中型 ． 工程等别为 Ⅲ等 ； 电 站工程规模属小( 1 ) 型 ， 工程等别为Ⅳ等 。水库枢纽 工 程 的主要 建筑物 级别 为 3级 ．次要 建筑 物级别 为 4级 ； 电站工程的主要建筑物级别为 4级 ， 次要建筑 物级别 为 5级 3三维 有限 元数值 分析 模型 3 。 1 坝址岩体物理力学指标 拱坝坝址处岩性为灰岩。根据坝址 区各 区岩体 结构 、 节理裂隙发育密度、 结构 面充填及胶结物质 、 切割深度、 连通情况 ， 结合室内物理力学试验资料综 合分析 ， 类 比同性质 的其他工程经验[ 3 ] ， 提 出坝址 区 有关岩体物理力学指标建议值如下表 1 所列。 表 1 坝址岩体物理力学指标建议值 根据温控时基岩变模尽量取高值的原则 ． 基岩 变模采用 1 0 G P a 。具体参数见下表 2所列 。 3 ． 2 S A P T I S计算原理及中心计算流程 用 F O R T R A N程序编制的计算大体积混凝土结 收稿 日期 ： 2 0 1 4 — 0 5 — 0 5 作者简介 ： 王云飞( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 山西柳林人， 工程师， 主要从事水利水电工程水工设计。 4 6 2 0 1 4年第 5期 甘肃水利水 电技术 第 5 0卷 2 0 1 1 年 5月 2 9日。至 2 0 1 2年 1月 2 6日浇筑至坝 顶 7 1 7 ． 0 m高程。由于组织得当， 基本实现施工计划 所列 时 间。 4河湾水电站外掺 Mg O混凝土拱坝仿真计算结果 4 ． 1 计 算 条件 按照 《 河湾施工控制性工期表》 ，河湾拱坝于 2 0 1 1年 5月 2 9日开始浇筑 ， 坝体基本均匀上升 ， 计 划 于 2 0 1 2年 3月初 蓄 水 。从 无 缝无 温控 措 施 的基 本方案做起 ， 根据仿真计算结果 ， 逐步辅以各种分缝 方案及温控措施 ( 首先确定坝体的分缝方案 ， 根据分 缝方案再确定相应的温控措施) ， 以期最终达到设计 要求， 并推荐合理的施工方案。 河湾拱坝坝体混凝土 Mg O掺量为 5 ％．根据对 坝体混凝土的室内试验结果 ， 模拟坝体混凝土施工 过程、 坝址处气温水 温的变化过程及混凝土材料参 数随龄期的变化规律 ，特别模拟外掺 5 ％Mg O混凝 土的膨胀量。应力计算中考虑了混凝土材性随龄期 的变化 、 徐变 、 自生体积变形 以及 自重、 水压等 因素 影响。仿真模拟计算拱坝的温度应力 ， 特征应力摘 要取点位置( 特征点的序号 自下而上排列) 如图 2所 不 平 距 『 m 图 3 特征点位置示意 4 ． 2仿 真计算 采用实际坝体混凝土材料参数进行三维仿真模 拟计算 ， 本次计算了两个方案 ， 即无缝方案和分缝方 案。仿真模拟从大坝开工直到大坝建成运行后 ， 坝 体温度降到稳定温度为止。 ( 1 ) 无缝方案 无缝方案中坝体混凝土 自然入仓 ， 不采取任何 温控措施 ， 根据施工进度 ， 模拟施工条件和环境条 件 ，对拱坝进行温度及温度应力整体仿真计算。计 算结果可以看出， 由于水化热温升高， 坝体最高温度 为 4 5 c C， 坝体中面最大主应力为 3 ． 5 4 MP a ． 下游面 最大应力为 2 ． 8 6 MP a 。坝体较大范围内温度应力大 于 1 ． 8 0 MP a ， 超过允许拉应力 ， 必须采取分缝措施 才能避免坝体出现危害性裂缝。 ( 2 ) 分 缝方 案 由无缝方案 的结果可以看出，坝体 中部的应力 较大 ，应采取措施减小坝体应力。在 6 7 3 ． 0 m高程 ( 左右 岸 ) 、 6 4 9 ． 0 m高程 ( 左 右岸 ) 、 6 4 9 ． 0 0 H I 高 程 ( 表 孔两侧 ) 处共分 6条缝进行分缝模拟计算 ， 坝体中面 分缝位置示意见图 3所示。仿真模拟计算分六条缝 方案时， 坝体混凝土按 自然入仓 ， 不采取任何温控措 施 ，坝体于浇筑完之后的第 2年 3月蓄水。按照施 工进度表进行坝体混凝土浇筑。 按工 程常 规 ，表 孔两侧 的诱 导缝应 该一 直分 至 坝底高程 ， 但现场已浇筑到 6 4 9 ． 0 I n高程 ， 在仿真时 致使拱坝 6 4 9 ． 0 m高程以下是一整体 ，无法再进行 分缝工作 。 一7 2 — 6 o 一 4 8 — 3 6 — 2 4 — 1 2 0 l 2 2 4 3 6 4 8 6 0 7 2 平 距， m 图 4 分缝位置 示意 计算结果可以看出． 分缝后坝体应力有 了改善。 但由于 6 4 9 ． 0 m高程以下无法进行分缝施工 ， 因此 ， 约在 6 5 2 m高程 以下 ，坝 体最大 拉应力 由 3 ． 5 4 MP a 减小为 3 ． 0 6 MP a ， 仍 大于坝体允许拉应力 ， 坝体极 有 可能 开裂 ； 约在 6 5 2 m 高程 以上 ， 坝 面应 力均 不超 过 1 ． 8 O MP a ． 比不分缝 时最 大应力 降低较多 ， 小于 允许 拉应 力 。 4 ． 3仿 真结 果分 析 比较无缝方案 和分缝方案的模拟仿真计算 ， 按 照图 3所示特征点位置选取一些特征点进行 比较 ， 应力结果摘要如表 4所列 。 从表 4可 以看 出 ．分缝 可 以有 效地 改善 坝体 应 力 ， 但 由于 6 4 9 ． 0 m高程以下无法进行分缝施工 ． 因 此 ． 约在 6 4 9 m高程以下 ． 坝体最大拉应力仍较大。 5结论 通过 S A P T I S仿真软件 ，对河湾拱坝无缝方案 第 5期 王云飞 。 等 ： 河湾 电站 Mg O混凝 土拱坝温度应力仿真分析 第 5 0卷 表 4 仿 真分 析应 力结果摘要 M P a 及分缝方案进行仿真计算分析 ， 可以得出以下结论 ： ( 1 ) 无 缝 方 案仿 真分 析结 果 表 明 ：在 自然入 仓 情况下 ， 坝体下游面及 中面部分范围内最大拉应力 均超过 2 ． 0 MP a ， 大于允许拉应力 ． 不分缝不可能满 足设 计要 求 。 ( 2 ) 分缝方案仿真分析结果表 明：分缝措施可 以大大改善坝体应力状况。由于 6 4 9 ． 0 m高程 以下 无法进行分缝施工 ， 约在 6 5 2 m高程 以下 ， 坝体最大 拉应力仍大于坝体允许拉应力 ， 坝体极有可能开裂 ． 不满足设计要求 ； 约在 6 5 2 m高程以上 ， 坝面应力均 小 于允 许拉 应力 ， 满 足设 计要 求 。 ( 3 ) 上 、下游面附近的最大拉应力 出现在建成 后 的第一个冬季 ， 因此 ， 要特别注意建成后第一个冬 季表面防裂[ 4 ] 。要注意长间歇垫层混凝土的防裂。 通过对河湾拱坝施工期仿真分析计算 ，进而指 导 现场 施工 ， 拱 坝在整个 施工期 未 出现危 害性 裂缝 ， 说 明分缝措施得当。拱坝于 2 0 1 3年 4月开始蓄水 ， 迄今已有 1 年 ， 拱坝下游面未发现较大裂缝 ． 埋设于 坝体内的观测仪器显示拱坝运行正常 ，但仍需加强 观测 。 参考 文献 ： [ 1 ]赵小莲， 张仲卿． 招徕河碾压混凝土拱坝施工期的温度应 力分析[ J ] ． 中国农村水利水电， 2 0 0 4 ， 2 8 ( 1 1 ) ： 5 7 — 6 0 ． [ 2 ]彭成佳， 兰春杰， 杨家修， 等．普定碾压混凝土拱坝温度场 仿真研究E J ] ． 武汉大学学报： 工学版， 2 0 0 5 ， 3 8 ( 1 ) ： 8 8 — 9 3 ． [ 3 ]杨卫中， 赵其兴． Mg O混凝土筑拱坝技术应用及研究[ J ] ． 水利规划与设计， 2 0 0 8 ， 1 3 ( 0 4 ) ： 4 - 9 ． [ 4 ]张国新 ， 杨卫中， 罗恒 ， 等． Mg O微膨胀混凝土的温降补 偿在三江拱坝的研究和应用[ J ] ． 水利水电技术， 2 0 0 6 ， 3 5 ( 8 ) ： 2 0 — 2 3 ． ( 上接 第 4 5页 ) 冲刷试验结果表明： 在校核、 设计及正常水位 闸 门开度小于 5 m工况运行 ， 均不会 冲至基岩 ， 其 中， 在校核及设计工况 ， 仅覆盖层顶面有轻微冲刷 ． 深度 不到 0 ． 6 m。 即在敞泄或开发小于等于 5 m工况下运 行 ， 不会造 成严重的冲刷 破坏 ； 在正常水位局开工 况 ， 冲刷深度随闸门开度的增加而增加 ， 在局开 7 r f l 及 9 m工况 ， 均已冲至基岩 ， 冲刷深度为 1 ． 0 ～ 1 ． 5 m， 故运 行 中应尽 量 避免 大开度 运行 。 在 闸 门局 开工况 ， 受坝 后 Ⅲ 区回流 的影 响 ． 覆 盖层泥 沙 回淤至 坝趾处 ． 在冲坑与坝趾问堆积 ，与冲坑之 问的平均坡度 为 l ： 3～1 ： 4。 5结语 根据水力学经验公式计算 、 数值模拟分析及水 工模型试验结果 ． 拟定对下游消能防冲设施采取以 下调整 措施 ： ( 1 )根据现场实际地形情况 ， 结合河床砂砾石 覆盖层开挖料可利用率高 ， 消力戽下游水平开挖范 围可增大至 4 0 ～ 4 5 m．其后以 1 ：4斜坡段接至下游 河床疏浚高程 4 5 5 ． 5 0 m： ( 2 ) 取 消 斜 坡 段及 下 游 海漫 ， 即 将 位 于泄 洪 闸 和冲砂闸下游 防冲区一 斜坡段及其后约 7 ． 5 m水平 段 共 5 5 m长范 围的钢筋笼 ( 填装 大卵 石 ) 、 钢筋 混凝 土防护 取消 ： ( 3 ) 消力戽下游坎后 C 2 0 钢筋混凝 土护坦置于基 岩上 ， 末 端增 设 2 m 深齿 坎嵌 入基 岩 ， 并 沿 护坦设 置 间、 排距为 3 m x 3 m的 + 2 5 锚筋， 长 5 m， 入岩 4 m； 根据水力计算结果 ，大部分情况下水流衔接状 态 均为稳 定戽 流 ，在大 流量情况 下局 部淹 没戽 流运 行。根据模型试验结果 ，优化后 的方案水流衔接条 件较好 ， 满足主体建筑物安全运行 ． 同时减少了下游 防护工程量 。 节省了工程投资。 参考文献： [ 1 ]武汉大学水利水电学院． 水力学计算手册[ M] ．第 2版． 北 京 ： 中国水利水电出版社， 2 0 0 6 ． [ 2 ]毛昶熙，周名德，柴恭纯．闸坝工程水力学与设计管理 [ M] ． 北京： 水利电力出版社， 1 9 9 5 ． [ 3 ]华东水利学院．水工设计手册——泄水与过坝建筑物 [ M] E 京： 水利电力出版社， 1 9 8 2 ． [ 4 ]郭子中． 消能防冲原理与水力设计[ M] ． 北京 ： 科学出版 社 。 1 9 8 2 ． 49