rcc拱壩封拱溫度與溫度荷載的計算

rcc拱壩封拱溫度與溫度荷載的計算

1rcc拱壩溫度荷載研究自中國第一個rcc大壩（普定拱壩）建成以來，rcc大壩已成為大壩建設(shè)的主要形式。在方案選擇階段,RCC已成為大多數(shù)拱壩的首選。據(jù)不完全統(tǒng)計,我國已建或在建RCC拱壩53座,最大壩高為位于貴州的大花水RCC拱壩,壩高達(dá)134.5m。有的特高拱壩已經(jīng)開始研究RCC方案,如壩高277.0m的白鶴灘拱壩有人已提出RCC方案并積極開展研究工作。溫度荷載是拱壩的主要荷載,一般占拱壩荷載的30%以上,而封拱溫度直接影響溫度荷載的大小溫降荷載是大壩產(chǎn)生裂縫的主要原因,對拱壩溫降荷載估計不足將使運行期的RCC拱壩更易產(chǎn)生裂縫。這就是早期修建的RCC拱壩多出現(xiàn)危害性裂縫的主要原因本文在分析RCC拱壩溫度控制、溫度荷載的基礎(chǔ)上,用4座不同壩高的高RCC拱壩分別以壩體多年平均溫度和由仿真分析計算得到的蓄水時的實際溫度作為溫度荷載的計算起點,用有限元等效應(yīng)力法計算不同壩高的壩體應(yīng)力,根據(jù)計算結(jié)果討論不同壩高時RCC大壩的封拱溫度與溫度荷載。2常態(tài)混凝土與rcc拱壩封拱溫度對比與常態(tài)混凝土壩相比,RCC拱壩有如下特點:(1)分縫方式。傳統(tǒng)的常態(tài)混凝土壩一般橫縫間距15~20m,而RCC拱壩只設(shè)2條誘導(dǎo)縫或2條誘導(dǎo)縫加2條橫縫的方式。橫縫間距最大可達(dá)80~100m;(2)封拱灌漿溫度。常態(tài)混凝土拱壩在蓄水之前一般都要采用水管通水強(qiáng)制冷卻方式,將壩體溫度冷卻至設(shè)計封拱溫度(接近壩體多年平均溫度),而RCC拱壩一般不進(jìn)行封拱灌漿前的通水冷卻,因此封拱灌漿時壩體溫度一般均高于壩體多年平均溫度;(3)封拱灌漿方式。常態(tài)混凝土壩封拱前的水冷使橫縫有了足夠的開度以保證可灌性,而RCC拱壩則多以誘導(dǎo)縫的方式,封拱前如果誘導(dǎo)縫張開并可灌則灌漿,否則不灌,允許拱壩運行期設(shè)誘導(dǎo)縫部位開裂。近幾年沙牌拱壩開發(fā)的重復(fù)灌漿技術(shù)使運行后壩體降溫,誘導(dǎo)縫或橫縫重新張開后可以重復(fù)灌漿,保證壩體的整體性;(4)溫控措施。常態(tài)混凝土拱壩有一整套完善、成熟的溫控措施,而RCC拱壩則盡量采取自然澆筑、自然散熱的降溫方式,一般不采取或僅采取簡化的溫控措施。近幾年RCC拱壩的溫控有復(fù)雜化的趨勢,但是通水冷卻、低溫澆筑等措施僅在少數(shù)拱壩高溫季節(jié)澆筑的混凝土中采用由于RCC拱壩的以上特點,使RCC拱壩的溫度荷載與常態(tài)混凝土壩大不相同。主要包括以下幾點:(1)常態(tài)混凝土采取的溫控措施控制了大壩的最高溫度,壩體由最高溫度降至封拱溫度的溫度荷載僅作用于寬15~20m的壩段上。而RCC拱壩由于不采取溫控或簡化溫控,同時由于一般無封拱前的通水冷卻,由最高溫度降到封拱溫度的溫降荷載作用于寬度達(dá)100m的壩體甚至整個壩體,因此溫度應(yīng)力大,易出現(xiàn)裂縫;(2)常態(tài)混凝土在封拱時已完成了大部分溫降,而RCC拱壩的溫降要緩慢的多。運行多年后仍可能出現(xiàn)大量危害性裂縫,如某RCC拱壩運行4、5年后開始出現(xiàn)大量裂縫,目前已達(dá)百條以上,最長超過40m且還在發(fā)展,有若干條貫穿上下游;(3)RCC拱壩溫度荷載大,封拱蓄水后,RCC拱壩還會有較大幅度的溫降,這部分溫降將全部轉(zhuǎn)化成溫度荷載,由壩體承擔(dān),壩踵拉應(yīng)力大。壩體溫降后,壩軸線縮短,由于水壓作用,橫縫或誘導(dǎo)縫不會完全張開,因此壩體將向下游變形,從而在上游壩肩及壩踵、下游拱冠附近產(chǎn)生附加拉應(yīng)力,這部分拉應(yīng)力是采取常規(guī)施工方式進(jìn)行正常封拱灌漿的常態(tài)混凝土所沒有的3封拱溫度的計算目前RCC拱壩沒有專門的規(guī)范,體型設(shè)計、荷載取值和應(yīng)力計算等均遵循常態(tài)混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范,《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范SL282-2003》和《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范DL/T5346—2006》中應(yīng)力計算方法采用拱梁分載法和有限元等效應(yīng)力法,應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)也與常態(tài)混凝土拱壩相同。常態(tài)混凝土拱壩在封拱灌漿前要經(jīng)過通水冷卻的方式將壩體溫度降低到設(shè)計封拱溫度,應(yīng)力計算時采用的封拱溫度是反映拱壩的實際情況的。而RCC拱壩由于一般沒有封拱灌漿前的通水冷卻措施,因此參照常態(tài)混凝土拱壩取蓄水后壩體的多年平均溫度(穩(wěn)定溫度場)為封拱溫度的計算方法低估了封拱溫度。為了研究不同高度的RCC拱壩的封拱溫度與溫度荷載,本文對4座不同高度的拱壩進(jìn)行了三維仿真模擬計算。其中3座為已建好的RCC拱壩,另一座為假定的特高RCC拱壩,如表1所示。為了研究壩高對溫度荷載和溫度應(yīng)力的影響,以上4座拱壩均采用相同的材料參數(shù)、溫度參數(shù)和水文氣象參數(shù)。三維仿真模擬計算中,壩體混凝土按自然入倉,不采取溫控措施,混凝土澆筑層厚度3m,澆筑間歇期均為7d。蓄水一般為拱壩完工后第2年3月份,接縫灌漿時間均安排在蓄水前1個月。表2列出了計算采用的混凝土熱學(xué)性能試驗值。3.1拱冠梁平均溫度計算《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范SL282-2003》中規(guī)定,拱壩的封拱溫度通過以下步驟來確定:(1)計算全壩的穩(wěn)定溫度場,取拱冠梁斷面,得到其穩(wěn)定溫度場;(2)沿厚度方向求不同高程處的平均溫度;(3)確定封拱溫度。一般情況下,拱壩封拱溫度應(yīng)略低于平均溫度,但是考慮RCC拱壩的特點,取平均溫度為封拱溫度。3.2壩體封拱溫度如前所述,封拱灌漿時壩體溫度一般均高于壩體多年平均溫度。本文分別對4座RCC拱壩進(jìn)行了仿真計算,從而求得了各自蓄水前封拱時的實際封拱溫度。圖1分別繪出了4座拱壩的規(guī)范封拱溫度曲線與實際封拱溫度曲線。本文討論的RCC拱壩不進(jìn)行封拱灌漿前的通水冷卻,使得壩體溫降緩慢,封拱灌漿時壩體溫度高于壩體多年平均溫度。壩高80m的A拱壩在壩底到30m高度處實際封拱溫度高于設(shè)計值,上部實際封拱溫度低于設(shè)計值,最大低于5.5℃;壩高107m的B壩在90m以下實際封拱溫度高于設(shè)計值,最大差6℃,上部的實際封拱溫度低于設(shè)計值;壩高134.5m的C壩除頂部不足10m的范圍內(nèi)實際封拱溫度低于設(shè)計值外,絕大多數(shù)部位實際封拱溫度高于設(shè)計值,最大差9.5℃;壩高240m的D壩則幾乎全壩封拱溫度高于設(shè)計值,最大差16.2℃。壩越高,封拱灌漿時的實際封拱溫度也越高,這對于高壩的防裂是極其不利的。在壩體溫度未降到封拱溫度前就進(jìn)行封拱灌漿,當(dāng)壩體溫度繼續(xù)下降時,會產(chǎn)生裂縫,使橫縫張開,影響了大壩的整體性和安全性。3.3實際壩高溫升值與壩高對比,計算結(jié)果為溫升值、溫降值分別為最高、最低準(zhǔn)穩(wěn)定溫度與封拱溫度之差。封拱溫度越高,則溫降值越大,溫升值越小。本文的4座壩中,壩高81m的A壩實際溫升值和溫降值與設(shè)計值相差不大,隨壩高的增大,實際溫升值和溫降值加大。壩高240m的D壩的實際溫降值比按設(shè)計方法計算大16.2℃。4水庫容量4.1壩體應(yīng)力計算根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范SL282-2003》要求,用拱梁分載法計算時,對于基本荷載組合,拉應(yīng)力不得大于1.2MPa;用有限元等效應(yīng)力法分析時,對于基本組合拉應(yīng)力不得大于1.5MPa。本文首先分別用規(guī)范方法和仿真分析方法計算4座拱壩的溫度荷載,再用有限元等效應(yīng)力法計算各壩在自重+水壓+溫降荷載的組合作用下的壩體應(yīng)力,見圖3(圖中拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù))。A壩、B壩盡管實際溫度荷載作用下的拉應(yīng)力略大于規(guī)范方法,但上游面最大拉應(yīng)力都小于1.5MPa,滿足規(guī)范要求;C壩、D壩按多年平均氣溫作為封拱溫度時的應(yīng)力滿足規(guī)范要求,但是按實際封拱溫度計算時最大拉應(yīng)力均超過規(guī)范要求,其中C壩拱端及壩踵大范圍拉應(yīng)力超過2.0MPa,而D壩的最大拉應(yīng)力則達(dá)到了3.0~3.5MPa。由如上結(jié)果可知,按壩體穩(wěn)定溫度與灌漿時的實際溫度計算溫度荷載,進(jìn)一步計算應(yīng)力時,隨壩高的增高,兩者的差距變大。壩高越低,兩者越接近;壩高到130m的C壩時,按實際溫度荷載計算的應(yīng)力已不滿足規(guī)范要求。4.2壩家壩施工高的影響水庫蓄水后,在水壓力作用下,拱壩一般呈壓緊狀態(tài),低水位低溫季節(jié)也只有壩上部會貫穿性張開,而下部會一直是壓緊狀態(tài)。因此,隨著壩體溫度下降,壩軸線縮短,壩體向下變形,結(jié)果是增大了壩踵的拉應(yīng)力。對于百米以下的拱壩,這個問題可能并不突出,但隨著壩高的增大,壩體降溫在壩踵引起的附加拉應(yīng)力會隨之增大。圖4為4座拱壩在自重+水壓+溫降荷載的組合作用下用有限元等效應(yīng)力法算出的拱冠梁壩底應(yīng)力分布。應(yīng)力用等效應(yīng)力處理后,拉應(yīng)力區(qū)深度在壩的0.3L(L表示該處壩體的水平厚度)左右。A、B兩座壩的壩踵最大拉應(yīng)力基本滿足規(guī)范要求,但C壩的壩踵拉應(yīng)力已達(dá)到2.0MPa,而D壩則達(dá)到3.5MPa,遠(yuǎn)超過規(guī)范規(guī)定的1.5MPa,如果考慮等效應(yīng)力處理之前的有限元應(yīng)力,壩踵開裂是難以避免的。5在壩高設(shè)計階段的溫度荷載自20世紀(jì)90年代初期建成我國第一座RCC拱壩至今,我國已建成RCC拱壩數(shù)十座,壩高不斷提高,近期完工的貴州大花水拱壩壩高已達(dá)134.5m。盡管溫控措施不斷改進(jìn)和完善,但分縫方式仍以誘導(dǎo)縫為主,設(shè)計階段的溫度荷載計算仍以多年平均溫度作為封拱溫度。目前為止已有不少RCC拱壩出現(xiàn)了嚴(yán)重裂縫。RCC拱壩可否進(jìn)一步用于更高的拱壩,應(yīng)采取什么樣的溫控措施和分縫方案是一個值得研究的問題。本文通過對4座不同壩高的RCC拱壩的仿真分析,得出以下幾點認(rèn)識:(1)以多年平均溫度作為封拱溫度計算溫度荷載與仿真方法計算的溫度荷載的差距隨著壩高的增大而增大。100m以下的拱壩兩種方法計算的壩體應(yīng)力相近,都可以滿足規(guī)范要求,但隨著壩高的提高,兩者的差距增大。對于100m以上的拱壩應(yīng)該用仿真分析的方法研究溫度荷載,以確定真實的封拱溫度;(2)按目前的不進(jìn)行二期水冷和二期水冷后的封拱灌漿,僅設(shè)誘導(dǎo)縫的方式,對于100m以上的高拱壩要進(jìn)行充分論證,一般會有較大的超標(biāo)拉應(yīng)力;(3)對于100m以上的高RCC拱壩壩踵應(yīng)力要特別關(guān)注,不進(jìn)行二期水冷和封拱灌漿時,等后期壩體冷卻至準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場后,壩踵可能會出現(xiàn)較大拉應(yīng)力而引起壩踵開裂;(4)對于RCC高拱壩應(yīng)采用冷卻水管和分縫相結(jié)合的方式減小運行期的溫度荷載。分縫方式應(yīng)根據(jù)仿真分析結(jié)果確定,隨壩高的增大,分縫間距要逐漸減小,誘導(dǎo)縫已不能滿足要求。蓄水前要進(jìn)行二次水冷,使橫縫張開,并進(jìn)行灌漿。二期冷卻目標(biāo)溫度也應(yīng)根據(jù)壩體應(yīng)力分析結(jié)果確定;(5)用RCC建特高拱壩從應(yīng)力