石漫滩碾压混凝土重力坝温度效应研究

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1、石漫滩碾压混凝土重力坝温度效应研究摘要：温度是混凝土坝的主要荷载之一，不利的温度荷载导致坝体产生裂缝，特别在运行期，不利水压荷载与温度荷载的组合使得裂缝进一步扩展，严重危害大坝安全运行。石漫滩碾压混凝土重力坝裂缝严重，尤其是部分坝段存在有规律的横向裂缝。现采用大型通用有限元软件ANSYS,依据石漫滩水库的水温和气温等监测资料，分析了大坝运行期的温度场和温度应力场，从温度效应角度揭示了该坝横向裂缝产生和发展的主要原因及其危害，为大坝加固处理提供技术支撑。关键词：碾压混凝土重力坝；裂缝成因；温度场；温

2、度应力场中图分类号：TV642文献标识码：A文章编号:16721683(2013)05006104温度是混凝土坝的主要荷载之一，当库水位变化幅度很小时，温差对混凝土坝应力影响较水压力的大。运行期间不利温度荷载不仅易导致坝体产生裂缝，还可能促使施工期出现的裂缝进一步扩展，比如低温会造成混凝土表面的冻融破损和深层的冻胀破坏，不仅影响大坝的使用寿命，还严重威胁着大坝的安全［1］。朱伯芳院士通过分析温度对坝体应力场的效应，认为非线性温差和寒潮是引起运行期裂缝的主要原因，表面永久保温是防止运行期出现裂缝的有

3、效办法[23]。本文以石漫滩碾压混凝土坝为研究对象，采用有限元数值计算方法，依据气温和水温等监测资料，分析该坝在运行期的温度场和温度效应，从力学的角度分析和研究该坝裂缝产生的原因，为大坝运行管理和除险加固处理提供技术支撑。1工程概况石漫滩水库位于河南省舞钢市境内的淮河上游洪河支流滚河上，原水库因遭遇"75•8"特大洪水漫坝溃决失事。水库复建于1993年9月，1997年12月主体工程完工，水库枢纽工程由拦河坝、溢洪道、取水底孔、发电站等建筑物组成，水库总库容1.2亿m3,是一座以工业供水、防洪为主，

4、结合灌溉、旅游、养殖等综合利用的大（2）型水利工程。拦河坝为全断面碾压混凝土重力坝，最大坝髙40.5m,坝顶高程112.50m,坝顶长645m,共分22个坝段，坝段长度16.0〜42.0m不等；1号-9号坝段为右岸非溢流坝段，长320.0m,10号-16号坝段为溢流坝段，长132.0m,17号-22号坝段为左岸非溢流坝段，长193.0m,其中19号坝段为底孔坝段，长18.0mo石漫滩水库复建投入运行以来，大坝坝体出现较多裂缝，尤其是坝体上部可观察到多条垂直坝轴线分布的贯通裂缝，且具有较好的规律性：

5、上游面（水位108.20m以上）发现竖向裂缝45条，坝顶面顺水流向裂缝39条，坝下游面竖向裂缝77条，且坝顶裂缝大多与上、下游竖向裂缝位置对应。相关资料表明，这些坝体裂缝多产生于蓄水后的运行期［45］。大坝的9号非溢流坝段在上游面、坝顶和下游面存在2条贯通性裂缝，本文选取该坝段为典型坝段，计算运行期温度场和温度应力场，分析坝体裂缝成因。2三维有限元模型2.1计算模型本文采用ANSYS软件对9号非溢流坝段进行了热-结构耦合分析。对于三维有限元模型，规定计算坐标系为：X轴为顺河流向（垂直坝轴线），指向

6、下游为正；Y轴为垂直向，指向上方为正；Z轴为平行坝轴线，指向右岸为正。确定的计算模型范围为：X方向，以坝轴线为零点，上下游各取约1.5倍坝高（坝高为39.5m）［6］；Y方向从坝基面（坝基高程为73.00in）向下取1.5倍坝高；Z方向，取一个坝段长为42mo进行热-结构耦合分析时，热单元类型选用S0LID70,结构单元选用S0LID45,两种类型单元联合使用。完成热分析后，将S0LID70单元转换为S0LID45单元，进行温度应力分析［6］。9号非溢流坝段三维有限元模型见图1,模型总单元数为58

7、520个、总节点数为674302个。2.2边界条件石漫滩大坝已经运行10多年，从温度监测资料看，混凝土水化过程基本完成，坝体温度场已趋于稳定，主要受水温、气温、地温等边界温度条件影响，呈周期性波动变化［5］o根据大坝、基岩和库水温度监测资料［5］,对温度场计算边界条件做以下假定：上游坝面温度取相应高程的库水温度；下游坝面的温度取气温加上太阳辐射温升；横缝内温度根据观测资料给定；建基面15m以下基础温度不随水温、气温变化而变化，取恒定值（观测均值）。进行温度应力场分析时，基岩上下游边界面上结点的6个

8、位移分量中，只约束上下游方向（X方向）位移分量，其余5个分量自由；基岩坝轴向边界面上结点的6个位移分量中，只约束轴向（Z方向）位移分量，其余5个分量自由；在模型底部边界面结点6个位移分量中，只约束3个线位移分量，其余分量为自由；由于横缝作用，坝体轴向边界面上的节点无约束［7］。3计算参数和计算工况2.1计算参数根据设计和施工资料选取混凝土及基岩的计算参数，见表1O2.2计算工况石漫滩大坝坝块间设横缝。一般地，运行期产生的坝体裂缝与不利气温和荷载变化相关。从现场安全检查成果和监测资料