田坪水库坝体温度应力分析

1、田坪水库坝体温度应力分析 田坪水库坝体温度应力分析 【摘要】水库，一般的解释为拦洪蓄水和调节水流的水利工程建筑物，可以利用来灌溉、发电、防洪和养鱼。水库三大件：是指大坝、溢洪道、放水建筑物。而大坝作为水库的重要组成局部，它的平安至关重要。大坝最容易出现裂缝，而温度荷载是大坝产生裂缝的一个重要原因。因此，对于大坝的温度应力分析至关重要。 【关键词】水库大坝；温度荷载；温度应力 1、引言 水库大坝作为水库重要的组成局部，水库运行期间大坝的平安关系着水库下游的平安。因此对运行期间大坝的平安的研究是近几年的课题重点。水库大坝一般情况下都是混凝土重力坝，属于大体积混凝土结构范畴。混凝土结构在现代水利水电

2、工程中占据着非常重要的地位，但混凝土结构出现裂缝的现象较为普遍。有关混凝土结构开裂的研究结果说明，混凝土结构的温度应力是混凝土结构产生裂缝的重要原因之一本文以田平水库为例进行温度与应力的研究。 2、田坪水库工程 田坪水库位于湖南省宁乡县，建于楚江上，是一座以灌溉为主、结合发电的中型工程，水库集雨面积49.7平方公里，总库容4760万m3，灌溉农田13.6万亩，发电机装机容量1000千瓦。水库汛期内保护贯穿宁乡县境内的洛湛铁路、长石铁路、长常高速公路、319国道、209、311省道，保护宁乡县沩水流域、楚江流域57万亩耕地和近60万人民群众生命财产平安。灌区工程主要包括水库枢纽、渠系和建筑物。枢

3、纽主要包括大坝、三座副坝和一座1250千瓦发电机组，大坝为实体重力坝，坝顶海拔高程251.5m，大坝高41m，坝顶长121m，宽10m，可通行车辆；溢流段分为2孔，每孔设置高×宽为8.2m×8.0m的薄壳弧形闸门，由手动、电动两用的15×104N卷扬机启闭；采用鼻坎挑流消能，校核洪水位时最大下泄流量491m3/s。 2.1材料性质即物理参数 大坝实际为砌石坝，论文中将大坝假设为混凝土实体重力坝，坝体全部为C40混凝土，坝基为基岩。各种材料的物理参数见表2-1： 表2-1混凝土与基岩材料物理参数 材料 模型 弹性模量 泊松比 密度 导热系数 线膨胀系数 比热 混凝土

4、 30 0.167 2420 2.64 0.81×10-5 910 基岩 2.5 0.28 2600 2.55 0.9×10-5 950 3、稳态热分析理论 如果流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量，即系统的净热流率为0，那么系统处于热稳态。在稳态热分析中，任一节点的温度不随时间发生变化。其能量平衡方程为： KT=Q 式中：K为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；T为节点温度向量；Q为节点热流率向量，包含热生成。ANSYS利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成K、T和Q。 3.1计算工况 论文中有限元分析采用六种工况：工

5、况1，结构自重+正常蓄水位+夏季温差工况2，结构自重+正常蓄水位+冬季温差工况3，结构自重+设计洪水位+夏季温差工况4，结构自重+设计洪水位+冬季温差工况5，结构自重+校核洪水位+夏季温差工况6，结构自重+校核洪水位+冬季温差 3.2有限元模型 本论文中非溢流坝段模型最后得到的单元数为43055，节点数为58478； 非溢流坝段有限元模型如下： 图1非溢流坝段有限元模型轴测图 图2非溢流坝段有限元模型平面图 3.3计算分析 工况1，结构自重+正常蓄水位+夏季温差， 图3温度场云图 图4变形图 图3为温度场的分布云图。由图可见坝体与水和大气接触的地方由于温差作用，出现了明显的温度梯度。但距离坝体

6、外表一定深度内，温度就不再变化。图4为结构变形图，最大变形为6.21mm。变形比拟小在允许范围总的来看，工况一下的计算结果都在平安范围内。 工况2，结构自重+正常蓄水位+冬季温差， 图5温度场云图 图6变形图 图5为温度场的分布云图。由图可见与水和大气接触的地方由于温差作用，出现了明显的温度梯度。但距离坝体外表一定深度内，温度就不再变化。图6为结构变形图，最大变形为6.455mm。变形比拟小，在允许范围内。总的来看，混凝土各个方向的压应力也都小于混凝土抗压强度标准值，是平安的。但是，混凝土的拉应力出现超过混凝土抗拉强度标准值的现象，最大拉应力一般出现在坝体外表，因此要注意坝体外表裂缝的出现，及

7、时对坝体进行加固。 工况3，结构自重+设计洪水位+夏季温差， 图7温度场云图 图8变形图 图7为温度场的分布云图。由图可见与水和大气接触的地方由于温差作用，出现了明显的温度梯度。但距离坝体外表一定深度内，温度就不再变化。图8为结构变形图，最大变形为6.71mm。变形比拟小在允许范围内。总的来看，工况三下非溢流坝段和溢流坝段的计算结果都在平安范围内。 工况4，结构自重+设计洪水位+冬季温差， 上游设计洪水位水深为39.5m，下游设计洪水位水深为3.5m。 结构应力分析结果如下： 图9温度场云图 图10变形图 图9为温度场的分布云图。由图可见与水和大气接触的地方由于温差作用，出现了明显的温度梯度。

8、但距离坝体外表一定深度内，温度就不再变化。图10为结构变形图，最大变形为6.98mm。变形比拟小在允许范围内。总的来看，混凝土各个方向的压应力也都小于混凝土抗压强度标准值，是平安的。但是，混凝土的拉应力出现超过混凝土抗拉强度标准值的现象，最大拉应力一般出现在坝体外表，因此要注意坝体外表裂缝的出现，及时对坝体进行加固。 工况5，结构自重+校核洪水位+夏季温差， 图11温度场云图 图12变形图 图11为温度场的分布云图。由图可见与水和大气接触的地方由于温差作用，出现了明显的温度梯度。但距离坝体外表一定深度内，温度就不再变化。图12为结构变形图，最大变形为7.52mm。变形比拟小在允许范围内。 工况

9、6，结构自重+校核洪水位+冬季温差， 图13温度场云图 图14变形图 图3-76为温度场的分布云图。由图可见与水和大气接触的地方由于温差作用，出现了明显的温度梯度。但距离坝体外表一定深度内，温度就不再变化。图3-77为结构变形图，最大变形为7.79mm。变形比拟小在允许范围内。总的来看，混凝土各个方向的压应力也都小于混凝土抗压强度标准值，是平安的。 结论 夏季温差下的最大拉应力都小于C40混凝土最大抗拉强度标准值，比拟平安。 本研究中，计算得出混凝土的压应力都比拟小，都在平安范围内。但对于混凝土拉应力就没有那么理想，无论是结构应力分析中还是温度应力分析中，得到的混凝土拉应力都大于混凝土抗拉标准

10、值，最大拉应力位置大都出现在大坝外表，因此，根据这一现象要注意对混凝土大坝的外表进行加固处理。 在温度应力分析中，在温度变化的区域最容易出现应力较大的情况。由于大坝外表与大气和水相接触，由于热传导的因素，在大坝外表稍微向里的局部温度发生梯度变化，而大坝内部的温度根本上保持原来的温度不变。在温度发生梯度变化的区域，应力比温度不发生变化的区域要大。 本研究中，热分析主要分为夏季温差和冬季温差。夏季温差得到的结果较为理想，而冬季温差得到的结果那么相对较差，在大坝外表出现最大拉应力，容易出现裂缝。因此，在冬季要注意对大坝的巡查与养护。 参考文献 【1】王小敏. 大坝变形分析与仿真研究D. 武汉：武汉大学大地测量学与测量工程系，2021 【2】 王铁梦.建筑结构的裂缝控制M.上海：上海科技出版社，1993 【3】 宋恩来. 温度作用对运行期间混凝土坝的影响J. Dam and safe 2003：16-18 【4】 谭小蓉. 大体积混凝土温度应力有限元分析J. 四川建材 2021，37：31-32. 【5】 季日臣.桩基承台大体积混凝土温度应力与防裂