环境温度条件对混凝土坝长期运行的影响.pdf

水利水电技术第4 3卷2 0 1 2 年第9期 环境温度条件对混凝土坝长期 运行的影响 胡 平，杨 萍，吴志朋，马晓芳 ( 中国水利水 电科学研究院，北京 1 0 0 0 3 8 ) 摘要：重点分析 了环境温度条件对水电站大坝长期运行 的影响，论证 了混凝土大坝裂缝的成 因，同 时阐述了在混凝土大坝的温控设计中，要科学地确定大坝的温度荷载，并通过合理的施工措施 ，才能 有效地预防或限制缺陷产生，保证水电站大坝的长期安全运行。 关键词 ：水电站大坝 ；环境温度 ；裂缝 ；温度应力；温度控制 中图分类号 ：T V 6 9 8 2 3 文献标识码 ：A 文章编 号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 2 ) 0 9 0 0 2 6 0 4 I mpa c t o f e nv i r o nme nt t e mpe r a t ur e o n l o ng - t e r m o pe r a t i o n o f c o n c r e t e da m HU P i n g，rANG Pi n g， W U Zh i p e n g， MA Xi a o f a n g ( C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s&H y d r o p o w e r R e s e a r c h ，B e i j i n g 1 0 0 0 3 8 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e i mp a c t o f e n v i r o n me n t t e mp e r a t u r e o n t h e l o n g t e r m o p e r a t i o n b e h a v i o r o f c o n c r e t e d a m i s e mp h a t i c a l l y a n a l y z e d h e r e i n a n d t h e n t h e c a u s a t i o n o f f o r ma t i o n o f c r a c k s o n c o n c r e t e d a m i S d e mo n s t r a t e d a s w e l 1 S i mu l t a n e o u s l y i t i S e x p a t i a t e d t h a t t h e t e mp e r a t u r e l o a d mu s t b e s c i e n t i fi c all y d e t e r mi n e d d u ri n g t h e t h e r ma l c o n t r o l d e s i g n o f t h e d a m ；f u r t h e r mo r e， o n l y t h r o u g h r e a s o n a b l e c o n s t r u c t i o n me a s u r e s c a n t h e r e l e v a n t d e f e c t s b e e f f e c t i v e l y p r e v e n t e d o r r e s t r i c t e d t o e n s u r e t h e l o n g t e rm s a f e o p e r a t i o n o f c o nc r e t e d a m Ke y wo r d s ：c o n c r e t e d a m ； e n v i r o n me n t t e mp e r a t u r e；c r a c k s ； t h e rm a l s t r e s s ；t h e r mal c o n t r o l 1 环境温度条件对混凝土坝长期运行的影响 在混凝土坝的长期运行 中，环境温度 ( 上游水库 水温 、下游气温和太 阳辐射 ) 是影响大坝安全运行的 重要边界条件。本文所介绍的大坝典型裂缝 的成因， 均与大坝施工期遗 留的隐患以及运行期的环境温度条 件有着直接的关系。而如何在大坝设计之初 ，科学合 理地考虑环境 因素 的影响，也是大坝从业者的主要任 务之一。 1 1 重力坝的劈头裂缝 全世界已建成 的大坝中，不少重力坝在上游面产 生 了深度不等的劈头裂缝 ，一些大坝的劈头裂缝甚至 深入坝内达几十米 ，发展成渗漏通道 ，严重影响了大 坝的安全 运行 J 。大坝形 成劈 头裂缝 的先 决条件 ， 是上游表面有裂缝 ，而大坝表面裂缝产生的最主要原 因，是来 自上游面沿坝轴线方向的温度应力。产生过 较严重劈头裂缝 的大坝 ，多为施工中实施通仓浇筑的 重力坝。由于横缝间距过大或施工期和水库蓄水初期 内外温差过大 ，都有可能导致混凝土表面温度应力超 标 ，产生表面裂缝。 1 1 1 内外 温差影 响 当混凝土坝内部温度较高 ，外部温度较低时 ，由 于内外温差的影响 ，混凝土表面会产生较大的表面应 力 ，严重时会产生表面裂缝 。例如我国西北某坝施工 期遭遇 2 d降 1 2 的温度骤降后 ，由于没有及时采 取仓面保护，引起的瞬时内外温差 ，使得层面最大拉 应力超出混凝土的即时强度，导致表面开裂，影响深 收稿 日期 ：2 0 1 1 1 1 - 0 8 基金项 目：国家科技支撑计划项 目( 2 0 0 8 B A B 2 9 B 0 5 ) ；国家 自然科学基 金项 目( 5 0 9 0 9 1 0 5 ) ；水利部行业公益科研专项( 2 0 0 8 0 1 0 0 7 ) 。 作者简介 ：胡平 ( 1 9 5 7 一 ) ，女 ，江苏无锡人 ，教授级高级工程 师。 Wa t e r Re s o u r c e s a n dHy d r o p o w e rEn g i n e e ri n g V o 1 4 3 No 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 度 1 m左右。 1 1 2横 缝 间距影 响 通仓浇筑的重力坝 ，施工中不设纵缝 ，不进行二 期水管冷却 ，水库蓄水时 ，坝体 内部的温度还很高 ， 内外温差很大 ，容易产生表面裂缝直至扩展为劈头裂 缝 。从坝体结构 的角度 ，在相 同的内外温差作用下 ， 大坝表面轴 向应力与横缝宽度成正 比。 笔者曾针对中国西南地 区某碾压混凝土重力坝 ， 进行过不同横缝间距下表面坝轴 向应力 的敏感性分 析 。计算条件为：大坝基础约束区夏季浇筑 ，混凝土 自然人仓 ，年内气温变幅 8，最高 、最低月平均气 温相差 1 6 ，无表面保护措施 。横缝间距 分别选取 1 5 m、2 5 m、3 0 m和 5 5 m，表 1列出了不同横缝 间 距下冬季的最大表面应力。 表 1 不 同横缝 间距表面坝轴 向应 力敏 感性 分析 第一个冬季 内部 冬季气 最大内外 不同横缝 间距下最大表面应力 MP a 混凝土温度 温 温差 E 1 5 m 2 5 m 3 O m 5 5 m 3 5 5 3 7 3 1 8 1 7 2 1 2 2 2 9 1 2 左右岸 日照差异对高拱坝下游坝面温度应力的 影 响 拱坝一般 比较单薄，运行期对外界气温和水库水 温的变化 比较敏感 ，坝 内温度变化 较大。拱 坝成拱 后 ，除了坝顶为 自由边界外 ，其他三面都受基岩的约 束 ，温度变形受到的外界约束 比较大，因此当环境温 度发生变化时，可能出现较大的温度应力 ，引起下游 表面裂缝 。 以中 国西 南某 特 高 拱 坝 为例 ，竣 工 时 裂缝 很 少。但在运行两年后 ，拱坝右岸下游 坝面不断 出现 裂缝 。经分析其中最 主要 的原 因是设 计温度荷载 中 未考虑非线性 温差 的影 响。由于水 电站大坝坝址走 向随河流走 向而定 ，这 样就 可能导 致坝体 上下游 、 左右岸受太阳 日照的时间和角度不 同 ，尤 其是对 于 长期 暴露 于外界 的拱 坝下 游 面 ，这 种 由左 右岸 不 均匀 日照 温 升 产 生 的非 线 性 温 差最 大 可达 1 2 ( 见 图 1 ) ，由此造成 的下 游 坝 面右 岸 局部 温 度 应 力大 于 2 MP a ，已超出混凝土 的允许抗 裂能力 ，极 易导致 温度 裂缝 。 2 基于环境友好的混凝土坝温控设计 混凝 土 坝是 由人 工建 造 、又 回归 自然 的建 筑 物 ，环境友好 、浑然天成是其最佳 的运行状态 。大 坝运行期 的主要 温度边界 条件 是水库 水温 和气温 ， 二者是影 响大坝运行期 温度 场的主要因素 。在大坝 水利7 K 电技术第 4 3卷2 0 1 2年第 9期 胡平， 等环境温度条件对混凝土坝长期运行的影响 ( a ) 上游面 ( b ) 下游面 图 1 某拱坝 1月中旬上下游坝面实测温度场( 单位： ) 设计之初 ，科学地考虑环境 因素 的影 响 ，在 多年环 境 参数积 累的 基础 上 ，合 理 模拟 大 坝 建成 后 的环 境状况和 温度 荷 载 ，使 得建 成 后 的大 坝 能够 与周 围环境和谐 共 存 ，是 水 电站 大 坝 温控设 计 的主导 思想 。 2 1 水库水温与大坝稳定温度场 大坝建成进入运行期后 ，经过多年与 自然环境的 磨合 ，施工期温度完全消散 ，坝体温度的变化只受气 温变化 的影响 ，这种与环境同步的周期性变化的温度 场 ，为大坝的稳定 ( 准稳定 ) 温度场 ，也是 温控设计 的基准温度。 水库水温是混凝土 坝的一个重要 的温度边界条 件 ，它将直接影响到大坝运行期稳定 ( 准稳定 ) 温度 场 的分布 ，从而影响到大坝 的基础 温差和温度控制 标准 。影 响水 库水 温 分 布 的 四大 要 素 为水库 的形 状 、水文气象条件 、水库运行条件 和水库初 始蓄水 条件 。随着高坝 大库 的不断 出现 ，综合类 比下 的数值 分析方法 ，已成为 目前 中国坝工界 的主要 应 用手段 。2 0世 纪 8 0年 代 中 国引 进 了美 国 的 MI T 模 型 ，在 对大 量水 库水 温 的 长期 实测 资 料分 析 对 比的基础 上 ，笔者参与开发 的 水库水 温数值分 析 软件( N A P R WT ) ，可 以 比较 全 面 地 考 虑 上述 四要素 ，在许 多重 大水 电工程 的温控 设计 中得 到 广泛应用 。 对于体型庞大的重力坝而言，历经数十年甚至上 百年达到稳定温度后 ，坝体大部分区域的温度将不再 变化 。因此在重力坝的温控设计 中，基础温差为大坝 内部的最高温度与稳定温度之差 。而对于体型相对单 薄的混凝土拱坝 ，由于施工中需要封拱灌浆 ，因此大 坝建成后即可形成相对稳定的温度场。但年内整个坝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 胡平， 等环境温度条件对混凝土坝长期运行的影响 g 惶 q 中 ， ， ，_ j _jf | l f 水82 8 1 0 m深孔 进 口高程 ： 一1 月 一7 月 2 月 8 月 一3 月一 9月 l 一 4 月一 10 月 一 S 日 1 1 月 。 一 6 月一 12 月 I 1 l l I I 1 8 8 0 8 7 0 8 6 0 8 5 0 8 4 0 8 3 0 g 8 2 0 8 1 0 8 0 0 7 9 0 7 8 0 7 7 0 7 6 6 8 8 0 8 7 0 8 6 0 8 5 0 8 4 0 8 3 0 g 8 2 0 驰 炬8 1 0 8 0 0 7 9 0 7 8 0 7 7 0 7 6 温度 距离 m ( a ) 水库水温 ( b ) 拱坝1 月准稳定温度场 图2 水库水温数值分析及拱坝运行期准稳定温度场计算结果 体的温度场将会 随着环境 温度作 周期性变化 。在拱 坝的温控设计 中 ，年 内最低准稳定温度是拱坝封拱 温度设计 的重要依据 。基础温差为大坝 内部 的最 高 温度与封拱 温度之差 。图 2是 笔者应 用 水库水温 数值分析 软件 J ，对 中国某 高坝进行 的水 库水温 数值分析结果以及大坝运行期稳定( 准稳定 ) 温度场 计算结果 。 2 2 考虑非线性温差的拱坝温度荷载 温度荷载是拱坝结构承受的主要荷载之一。拱坝 温度荷载的分析方法主要有两类 ：拱梁分载法和以有 限单元法为代表的数值计算方法。如图 3所示 ，坝体 内温度分布可 以分解为三部分 ：平均温度 、等效 线性温差 和非线性温差 。 目前大多数拱坝设计中采用拱梁分载法 ，计算温 度荷载时对边界条件进行 了大量 假定与简化 ，温度荷载仅考虑坝 体断 面平均 温度 和等效 线性 温 差，而忽 略 了非线 性温 差 的影 响。实际上 ，温差荷载沿拱坝上 下游方 向及拱弧线方 向的分布是 非线性的 ，坝体上下游表面附近 的温度梯度相对 内部更大，且下 游面的影响深度要大于上游面的 7 1 ： ( a ) 实际温度 距离 m ( c ) 拱坝7 月准稳定温度场 影响深度。如果设计时忽略非线性温差的影响，就有 可能导致运行期拱坝下游表面出现较大的拉应力 ，产 生危害性裂缝。而采用三维有限元仿真计算方法 ，可 以精确地模拟温差荷载沿拱坝上下游方 向及拱弧线方 向的非线性分布 ，得到在不同边界条件下坝体的温度 场。以此确定的坝体稳定温度 、温升温降荷载 ，将更 为准确可靠。 本节以坝高 2 5 0 m的某高拱坝为计算模型 ，分别 采用上述 2种方法，确定坝体的温升温降荷载。计算 中初始温度为封拱温度 ，水库上游水位 2 4 0 1 1 3 ，下游 水位 3 5 m，上游沙位采用百年淤积高程 ，堆高 8 5 irr l ， 沙压取 3 9 9 4 4 MP a 。表 2为应力计算 参数。图 4为 拱坝下游面典型点线性及非线性温差下的温降荷载计 算结果比较 。 7 、 I ： 一 7 _ ： l ： f1 、 7 1 ： 、 ， 、 、 ， 、 、 、 ( b ) 平均温度 ( c ) 等效线性温差 ( d ) 非线性温差 ， 图 3坝体温度分布示意 水利水电技术第4 3卷2 0 1 2年第9期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表2 应力计算参数 弹模 比热 k J 导热 系数 k J 线胀系数 密度 G P a ( k g o C) ( m h x1 0 一 k g m一 泊桑 比 4 0 0 9 3 3 8 1 8 6 9 5 2 45 0 0 1 9 p 趟 赠 R 翻 线 性 一 _ 一一 一 、 一 非 性 t | I | | 上游 ( a ) 线性温差与非线性温差( 温降) 下游 计算结果显示 ：在上下游水位 以下 ，等效 线性 温差应力与非线性温差应力结果相 近 ，所 以在计 算 拱坝整体安全时 ，可 以近似采用线性温差等效应 力 来计算 ；但考虑非线性 温差后 ，暴 露在空气 中的坝 体下游 面的温度梯度 ，远大于线性温差 ，相应产 生 的应力也远大于线性温差 的结果 。因此 ，在考虑 拱 坝下游表面的防裂措施 时 ，需要 采用非线性温差荷 载来研究。 3 结语 胡平， 等环境温度条件对混凝土坝长期运行的影响 ( 1 ) 全世界已建 成 的大坝 中 ，绝 大部 分裂缝 产 生 的原因 ，与大坝施工期遗 留的隐患 以及 运行期 的 环境温 度 条件 有 关。例 如重 力 坝上 游面 的 劈头 裂 缝 、高拱坝下游坝面 因左右岸 E t 照差异产 生的裂缝 等 。而这些 问题都可 以通过温控设计和温控措施得 以解决。 ( 2 ) 为了达到水 电站大坝 建成后与 环境和谐共 处 、长期安全运行 的 目的，在设计之初 ，科学合 理 地模 拟环境 因素的影响 ，是大坝温控设计 的基础。 ( 3 ) 大坝运行期 的主要温度边界条件是水库水温 和气温 ，二者是设计 中确定大坝温度 荷载 的重要参 数。水库水温数值计算方法和以有限单元法为代表的 拱坝温度荷载数值计算方法 ，可以比较准确 的模拟大 坝运行期 的主要温度边界条件和拱坝的温度荷载 ，目 前 已在中国大坝的设计和温度应力分析中得到广泛应 用 参考文献 ： 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 ，1 9 9 9 清华 大学水利水 电工程 系 二滩水 电站拱坝 右岸 3 3 3 4 坝 段 裂缝 分析研究 R 北京 ：清华大学 ，2 0 0 7 丁宝瑛 ，胡平 ，黄淑萍 水库水 温的近似分 析 J 水 力发 电 学报 ，1 9 8 7 ( 1 9 ) ：l 7 - 3 3 中国水利水 电科学研究院 水库水 温数值分析软件 ( N A P R WT) c P 北京 ：中华人民共和国国家版权局 ，2 0 0 4 胡平，刘毅，唐忠敏，等 水库水温数值预测方法及其工程应 用 J 水利学报 ，2 0 1 0 ( 9 ) ：1 0 4 5 1 0 5 3 吴志朋 保温对高拱坝工作性态 的影响 D 北京 ：中国水利 水电科学研究院 ，2 0 0 8 ( 责任编辑陈小敏) ( 上接 第 1 l页) f 2 核心撰 写组 ，P a c h a u ri R K，R e i s i n g e r A I P C C气候变 化 2 0 0 7： 综合报告 R 瑞 士 日内瓦 ：政府 间 气候 变 化 专 门委 员 会 ， 2 0 0 7： 1 0 4 3 李武彦 ，程万一 ，韩孟书 ，等 豫 西旱作农业 区提高天 然降水 利用率增产技术研究 J 中国水 土保持 ，1 9 9 5( 4 ) ：3 3 3 6 4 Na k i d e n o v i 6 N，A l c a mo J ，D a v i s G，e t a 1 S p e c i a l R e p o rt o n E m i s s i o n s S c e n a rio s ：a s p e c i a l r e p o o f W o r k i n g Gr o u p l l I o f t h e I n t e r g o v e r n m e n t a l P a n e l O O C l i ma t e C h a n g e E B O L 2 0 1 1 1 1 2 0 h t t p ： w w w o s t i g o v e n e r g y e i t a t i o n s p rod u c t b i h l i o j s p ?o s t i i d =1 5 0 0 9 8 6 7 5 P a r r y M L，C a n z i a n i O FP a l u t i k o f J P e t a1 C o n t ri b u t i o n o f Wo r k i n g Gr o u p I I t o t h e F o u r t h As s e s s me n t Re p o rt o f t h e I n t e r g o v 一 水利水电技术第4 3卷2 0 1 2年第 9期 6 7 8 e r n me n t a l P a n e l o n C l i m a t e C h a n g e R C a m b r i d g e ，U K：C a m b rid g e Uni v e r s i t y Pr e s s，2 0 07： 1 9 7 6 Al l e n Cl i ma t e c h a n g e r i s k a n d v u l n e r a b i l i t y：P r o mo t in g a n e ffic i e n t a d a p t a t i o n r e s p o n s e i n A u s t r a l i a E B OL 2 0 1 1 1 0 1 1 h t t p ： www c l i ma t e c h a n g e g o v a u i mp a c t pu b l i c a t i o n s p u b s 一 s k v u l n e E - ab i l i t y p d f 熊伟 未来气候变化 情景下 中国主要粮 食作物 生产 模拟 D 北京 ：中国农业大学 ，2 0 0 4 徐影 ，高学杰 气候变化情景预估 E B O L 2 0 1 2 0 5 0 5 h t t p： n e e C i l i a g o v c n W e b s it e i n d e x p h p ? Ch a n n dl D =2 4 &W C HI D ：3 ( 责任编辑于尧尧) 0之4 加 j l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m