江垭水电站碾压混凝土重力坝的温度应力分析.pdf

第 3 5卷第 3期 华 北 水 利 水 电 大 学 学 报( 自 然 科 学 版 ) v o 1 3 5 N o 3 2 0 1 4年 6月 J o u r n a l o f N o a h C h i n a U n i v e r s i t y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d E l e c t r i c P o w e r ( N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ) J u n 2 0 1 4 DOI ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 25 6 3 4 2 0 1 4 0 3 0 0 6 江垭水 电站碾压 混凝土重 力坝 的温度应力分析 李剑 ，魏克伦 ( 1 娄底市水利水电勘测设计院， 湖南 娄底 4 1 7 0 0 0 ； 2 华北水利水 电大学， 河南 郑州 4 5 0 0 4 5 ) 摘要 ： 为研 究温 度荷 载对 江垭 水电站碾 压混 凝土重力 坝的影响 ， 以其 非溢流 坝段为研究 对象 ， 建立有 限元模型 ， 根据 江垭水 电站 的水温 、 气温 、 坝体温度 、 地基温 度等监测 资料 ， 计算分 析 了大 坝运行期 的温度场 ， 研究 了 大坝在温度场 影响下的应力 变化 规律 研究结果 表明 ： 温度荷 载对大 坝运行有 较大影 响， 但是 大坝仍满 足 规范设计要求 ； 夏季持续高温时， 应避免大坝在高水位下运行 ； 冬季持续低温时， 应避免大坝在低水位下 运 行 关键词 ： 江垭 水电站 ； 碾压混凝土 ； 重 力坝 ； 温度场 ； 温度应力 中图分类号 ： T V 6 4 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 5 6 3 4 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0 2 4一 O 4 碾压 混凝 土 坝是将 常态 混凝 土坝 和碾压 土石 坝 施 工 的优点 进行 了 融合 ， 采 用 振 动 碾 压 实水 泥含 量 比较低 的 千硬性混 凝 土筑 成 的 大 坝 由于其 水 泥 使 用量小 ， 施 工简单 且 速 度 快 ， 大 坝 造价 较 低 ， 碾 压 混 凝 土坝 的应 用越 来 越普 遍 但 是 很 多碾 压混 凝 土 坝在运行期间产生不同程度的裂缝 ， 这些裂缝严重 影响了大坝的运行安全 碾压混凝土坝是大体积混 凝 土结 构 ， 大坝施 工 期 间 的水 化 热 以及 运行 期 间 的 水温 、 大气温度会使坝体产生较大的温度应力 ， 温度 应力是大坝产生裂缝 的主要原因 目前 ， 关 于 碾 压混 凝 土 重力 坝 的温度 场 及 温度 应力研究 ， 多集中在施工过程中的温度控制 、 施 工期底板应力 分析 、 运 营期 温度效 应分 析等方 面 。 在碾压 混凝 土重 力坝 的分析 中 ， 将 与坝 体接 触的水体 、 气体和地基的监测温度作为边界条件 ， 施 加到计算模型上 ， 得到更加接近于工程实际情况的 分 析结果 关 于这方 面 的研究 成果 还较 少 ， 开 展基 于 实测 温度 边 界条件 下 的碾压 混凝 土重 力坝温 度场 及 温 度应 力分析 具有 重要 的实 际意 义 笔者主要采用通用的有 限元计算软 件 A N S Y S 对 江垭水 电站碾压 混凝 土重 力坝 非溢 流坝段 进行 温 度 场 、 温 度应 力和 结构 分析 计算 分析 中主要 考 虑温 度荷载作用 ( 水温、 气温 、 坝 体温度、 地基温度 ) ， 研 究大坝的温度应力及分布规 律； 温度场及温度应力 计算分析之后 ， 计算重力坝在结构 自重、 蓄水压力 、 尾 水压 力 、 温 变等 荷载下 的应 力和 变形 ， 并研 究其 分 布 规律 ， 为碾 压混 凝 土重 力 坝 的温 度控 制 设 计 提供 技术依据 1 工 程 概 况 江 垭水 电站 位于湖 南省 张家 界市 慈利县 江垭 镇 的淡 水 河 上 ， 装 机 容 量 31 0 k W， 年 发 电 量 7 5 6亿 k W h ， 年调节水库库容 1 7 4 1亿 m ， 是湖 南 电网的调 频 、 调 峰 电站 电站 枢 纽 由大 坝 、 引水 系 统和地 下 厂房 、地 面 开 关站 组 成 引水 系统 由进 水 口 、 引水 隧道 、 尾 水调 压井 、 尾水 洞组 成 进 水 口设 快 速门、 检修 门、 拦污栅 设计建基面高程 1 4 0 0 m， 坝 顶高程 2 4 2 0 I n ， 最大坝高 1 2 8 m， 坝顶长 3 2 7 m 大 坝 为全断 面碾 压混凝 土重 力坝 2 计算模 型 2 1 材 料性 能参数 江垭 水 电站碾 压混凝 土 重力 坝的 坝体为 混凝 土 材 料 ，弹 性 模 量 3 0 G P a ， 泊 松 比 0 1 6 7 ，密 度 2 4 2 0 k g m ， 导热 系数 2 3 1 k J ( m d o C) ， 线膨胀 系数 8 11 0一， 比热容 0 9 1 k J ( k g o C) 收 稿 日期 ： 2 0 1 40 3一O 5 基金项 目： 河南省教育厅 自然科学基础研究计划项 目( 2 0 1 0 B 5 6 0 0 0 9 ) 作者简 介 ： 李剑 ( 1 9 8 O 一 ) ， 男 ， 湖南双峰人 ， 工程师 ， 主要从事水利水 电工程方面 的研究 第 3 5卷第 3期 李 剑 ， 等 ： 江垭水 电站碾压混凝土重力坝 的温度应力分析 2 7 体受拉区主要分布在大坝下游面 ， 其 中大坝下游面 水 位线 附 近受拉 区范 围随着 水深 的加 深而 减 小 从 图 9可 以看 出 ， 在 工况 2 、 工 况 4 、 工 况 6下 大 坝下游面第一主应力的最大拉应力为 4 0 9 MP a ， 主 要分布在大坝下游面靠近坝顶附近 ， 其 中大坝下游 面水位线附近第一 主应力值随着水 深的加深 而减 小 冬季温差作用 下 ， 大坝坝顶 附近第一 主应 力较 大 ， 大 坝 下 游 面 水 位 线 附 近 第 一 主 应 力 值 小 于 2 MP a ， 故满足规范要求 4 结 语 江垭 水 电站 碾压 混凝 土 重力 坝 的温度 应力 分析 表明： 大坝设计满足相关规范要求 ， 温度荷载对大坝 的非 溢 流坝 段运 行 有 较 大影 响 ， 其 中冬季 温 差 的影 响 最大 ； 夏季 温差 作 用下 ， 非 溢流 坝段 受拉 区 随着水 深的加深而增大 ； 冬季温差作用下 ， 非溢流坝段受拉 区随着水深的加深而减小 故夏季持续高温时 ， 应避 免大坝在高水位下运行 ； 冬季持续低温时 ， 应避免大 坝 在低 水位 下运 行 参 考 文 献 1 陈诚 ， 温国利 重力 坝设计 与施工 M 北京 ： 中国水利 水 电出版社 ， 2 0 1 1 2 周建平 ， 钮 新 强 ， 贾 金 生 重 力 坝设 计 二十 年 M 北 京 ： 中国水 利水 电出版社 ， 2 0 0 8 3 谢祥明 ， 郭 磊 高温地 区碾 压混凝 土重力 坝的施工期 温 度裂缝 控 制 J 天 津 大 学 学 报 ， 2 0 1 1 ， 4 4( 6) ： 5 0 4 51 0 4 王焰驹 碾 压混 凝土 重力 坝工 程 中温度 控制施 工技 术 J 水利技术监督 ， 2 0 1 4 ， 2 2 ( 2 ) ： 6 0 6 2 5 黄养连 ， 黄恩中 ， 郭利 霞 ， 等 重力 坝底板 施工期 温度应 力仿真 J 华 北水 利 水 电学 院 学报 ， 2 0 1 1 ， 3 2( 2 ) ： 2 0 2 2 6 刘延涛 ， 许政 ， 徐 锋平 碾 压混 凝土 重力 坝蓄 水 时温度 和应力 的仿 真分 析 J 石 河子大学 学报 ： 自然科 学版 ， 2 0 1 1 ， 2 9( 8)： 4 9 54 9 9 7 袁 自立 ， 马福 恒 ， 焦延 涛 石 漫滩碾 压混 凝土 重力 坝 温 度效应 分析 J 南水北 调与水利科 技 ， 2 0 1 3 ， 1 1 ( 5 ) ： 6 1 6 4 69 8 王勖成 有 限单元法 M 北京 ： 清华大学 出版社 ， 2 0 0 3 9 林 继镛 水工建 筑物 M 5版 北京 ： 中国水利 水 电出 版社 ， 2 0 0 9 1 0 薛元琦 ， 张晓飞 ， 白继 中 碾 压混凝 土拱坝温 度场 和应 力场仿真计算研究 J 人 民黄河 ， 2 0 1 4 ， 3 6 ( 1 ) ： 1 0 0 1 0 3， 1 06 1 1 水利 部 长江 水 利委 员 会 长江 勘 测规 划 设计 研 究 院 S L 1 9 1 2 o 0 8水工混凝土结构设计规范 s 北京 ： 中 国水利水 电出版社 ， 2 0 0 8 Te m p e r a t ur e S t r e s s Ana l ys i s f or RCC Gr a v i t y Da m o f Ji a n g y a Hyd r o po we r S t a t i o n LI J i a n ，W EI Ke 1 un ( 1 L o u d i I n s t i t u t e o f S u r v e y&D e s i g n f o r Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o p o w e r ，L o u d i 4 1 7 0 0 0 ， C h i n a ； 2 N o ah Ch i n a Un i v e r s i t y o f Wa t e r Re s o u r c e s a n d El e c t r i c P o we r ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 4 5，C h i n a ) A b s t r a c t ： I n o r d e r t o r e s e a r c h t h e i n fl u e n c e o f t e mp e r a t u r e l o a d o n r o l l e r c o m p a c t e d c o n c r e t e( R C C )g r a v i t y d a m o f J i a n g y a H y d r o p o w e r S t a t i o n，t a k i n g t h e n o n - o v e r fl o w d a m s e c t i o n a s a r e s e a r c h o b j e c t ，a d a m s e c t i o n S fi n i t e e l e me n t mo d e l i s e s t a b l i s h e d B a s e d o n mo n i t o r i ng d a t a o f wa t e r t e mp e r a t ur e，a i r t e mpe r a t u r e，d a m b o d y t e mpe r a t u r e a nd f o u n da t i o n t e mp e r a t ur e a b o u t J i a n g y a Hy dr o po we r St a - t i o n，t h e t e mpe r a t u r e fie l d o f t he da m d ur i n g o pe r a t i o n pe r i o d i s c a l c ul a t e d a n d a n a l yz e d，a n d s t r e s s va r i a t i o n l a w o f da m un de r t h e i n f l u e n e e o f t e mp e r a t ur e f i e l d i s r e s e a r c he d The r e s u l t s s h o w t ha t t e mp e r a t u r e l o a d h a s a g r e a t i n flue nc e o n t he da m o p e r a t i o n，bu t d a m s t i l l me e t c o d e de s i g n r e qu i r e me n t s ；wh e n t h e h i g h t e mpe r a t u r e i s p e r s i s t e n t i n s umme r，t h e d a m s ho u l d a v o i d o p e r a t i o n un d e r h i g h wa t e r l e v e l ；wh e n t h e l o w t e mp e r a t u r e i s p e r s i s t en t i n wi nt e r，t he d a m s h o ul d a vo i d o pe r a t i o n un de r l o w wa t e r l e v e 1 Ke y wo r ds：J i a n g y a Hy dr o p o we r St a t i o n；r o l l e r c o mp a c t ed c o n c r e t e；g r a v i t y d a m；t e mpe r a t u r e fie l d；t e mp e r a t ur e s t r e s s ( 责任编辑 ： 陈海涛 )