rcc拱坝封拱温度与温度荷载的计算

rcc拱坝封拱温度与温度荷载的计算

1rcc拱坝温度荷载研究自中国第一个rcc大坝（普定拱坝）建成以来，rcc大坝已成为大坝建设的主要形式。在方案选择阶段,RCC已成为大多数拱坝的首选。据不完全统计,我国已建或在建RCC拱坝53座,最大坝高为位于贵州的大花水RCC拱坝,坝高达134.5m。有的特高拱坝已经开始研究RCC方案,如坝高277.0m的白鹤滩拱坝有人已提出RCC方案并积极开展研究工作。温度荷载是拱坝的主要荷载,一般占拱坝荷载的30%以上,而封拱温度直接影响温度荷载的大小温降荷载是大坝产生裂缝的主要原因,对拱坝温降荷载估计不足将使运行期的RCC拱坝更易产生裂缝。这就是早期修建的RCC拱坝多出现危害性裂缝的主要原因本文在分析RCC拱坝温度控制、温度荷载的基础上,用4座不同坝高的高RCC拱坝分别以坝体多年平均温度和由仿真分析计算得到的蓄水时的实际温度作为温度荷载的计算起点,用有限元等效应力法计算不同坝高的坝体应力,根据计算结果讨论不同坝高时RCC大坝的封拱温度与温度荷载。2常态混凝土与rcc拱坝封拱温度对比与常态混凝土坝相比,RCC拱坝有如下特点:(1)分缝方式。传统的常态混凝土坝一般横缝间距15~20m,而RCC拱坝只设2条诱导缝或2条诱导缝加2条横缝的方式。横缝间距最大可达80~100m;(2)封拱灌浆温度。常态混凝土拱坝在蓄水之前一般都要采用水管通水强制冷却方式,将坝体温度冷却至设计封拱温度(接近坝体多年平均温度),而RCC拱坝一般不进行封拱灌浆前的通水冷却,因此封拱灌浆时坝体温度一般均高于坝体多年平均温度;(3)封拱灌浆方式。常态混凝土坝封拱前的水冷使横缝有了足够的开度以保证可灌性,而RCC拱坝则多以诱导缝的方式,封拱前如果诱导缝张开并可灌则灌浆,否则不灌,允许拱坝运行期设诱导缝部位开裂。近几年沙牌拱坝开发的重复灌浆技术使运行后坝体降温,诱导缝或横缝重新张开后可以重复灌浆,保证坝体的整体性;(4)温控措施。常态混凝土拱坝有一整套完善、成熟的温控措施,而RCC拱坝则尽量采取自然浇筑、自然散热的降温方式,一般不采取或仅采取简化的温控措施。近几年RCC拱坝的温控有复杂化的趋势,但是通水冷却、低温浇筑等措施仅在少数拱坝高温季节浇筑的混凝土中采用由于RCC拱坝的以上特点,使RCC拱坝的温度荷载与常态混凝土坝大不相同。主要包括以下几点:(1)常态混凝土采取的温控措施控制了大坝的最高温度,坝体由最高温度降至封拱温度的温度荷载仅作用于宽15~20m的坝段上。而RCC拱坝由于不采取温控或简化温控,同时由于一般无封拱前的通水冷却,由最高温度降到封拱温度的温降荷载作用于宽度达100m的坝体甚至整个坝体,因此温度应力大,易出现裂缝;(2)常态混凝土在封拱时已完成了大部分温降,而RCC拱坝的温降要缓慢的多。运行多年后仍可能出现大量危害性裂缝,如某RCC拱坝运行4、5年后开始出现大量裂缝,目前已达百条以上,最长超过40m且还在发展,有若干条贯穿上下游;(3)RCC拱坝温度荷载大,封拱蓄水后,RCC拱坝还会有较大幅度的温降,这部分温降将全部转化成温度荷载,由坝体承担,坝踵拉应力大。坝体温降后,坝轴线缩短,由于水压作用,横缝或诱导缝不会完全张开,因此坝体将向下游变形,从而在上游坝肩及坝踵、下游拱冠附近产生附加拉应力,这部分拉应力是采取常规施工方式进行正常封拱灌浆的常态混凝土所没有的3封拱温度的计算目前RCC拱坝没有专门的规范,体型设计、荷载取值和应力计算等均遵循常态混凝土拱坝设计规范,《混凝土拱坝设计规范SL282-2003》和《混凝土拱坝设计规范DL/T5346—2006》中应力计算方法采用拱梁分载法和有限元等效应力法,应力控制标准也与常态混凝土拱坝相同。常态混凝土拱坝在封拱灌浆前要经过通水冷却的方式将坝体温度降低到设计封拱温度,应力计算时采用的封拱温度是反映拱坝的实际情况的。而RCC拱坝由于一般没有封拱灌浆前的通水冷却措施,因此参照常态混凝土拱坝取蓄水后坝体的多年平均温度(稳定温度场)为封拱温度的计算方法低估了封拱温度。为了研究不同高度的RCC拱坝的封拱温度与温度荷载,本文对4座不同高度的拱坝进行了三维仿真模拟计算。其中3座为已建好的RCC拱坝,另一座为假定的特高RCC拱坝,如表1所示。为了研究坝高对温度荷载和温度应力的影响,以上4座拱坝均采用相同的材料参数、温度参数和水文气象参数。三维仿真模拟计算中,坝体混凝土按自然入仓,不采取温控措施,混凝土浇筑层厚度3m,浇筑间歇期均为7d。蓄水一般为拱坝完工后第2年3月份,接缝灌浆时间均安排在蓄水前1个月。表2列出了计算采用的混凝土热学性能试验值。3.1拱冠梁平均温度计算《混凝土拱坝设计规范SL282-2003》中规定,拱坝的封拱温度通过以下步骤来确定:(1)计算全坝的稳定温度场,取拱冠梁断面,得到其稳定温度场;(2)沿厚度方向求不同高程处的平均温度;(3)确定封拱温度。一般情况下,拱坝封拱温度应略低于平均温度,但是考虑RCC拱坝的特点,取平均温度为封拱温度。3.2坝体封拱温度如前所述,封拱灌浆时坝体温度一般均高于坝体多年平均温度。本文分别对4座RCC拱坝进行了仿真计算,从而求得了各自蓄水前封拱时的实际封拱温度。图1分别绘出了4座拱坝的规范封拱温度曲线与实际封拱温度曲线。本文讨论的RCC拱坝不进行封拱灌浆前的通水冷却,使得坝体温降缓慢,封拱灌浆时坝体温度高于坝体多年平均温度。坝高80m的A拱坝在坝底到30m高度处实际封拱温度高于设计值,上部实际封拱温度低于设计值,最大低于5.5℃;坝高107m的B坝在90m以下实际封拱温度高于设计值,最大差6℃,上部的实际封拱温度低于设计值;坝高134.5m的C坝除顶部不足10m的范围内实际封拱温度低于设计值外,绝大多数部位实际封拱温度高于设计值,最大差9.5℃;坝高240m的D坝则几乎全坝封拱温度高于设计值,最大差16.2℃。坝越高,封拱灌浆时的实际封拱温度也越高,这对于高坝的防裂是极其不利的。在坝体温度未降到封拱温度前就进行封拱灌浆,当坝体温度继续下降时,会产生裂缝,使横缝张开,影响了大坝的整体性和安全性。3.3实际坝高温升值与坝高对比,计算结果为温升值、温降值分别为最高、最低准稳定温度与封拱温度之差。封拱温度越高,则温降值越大,温升值越小。本文的4座坝中,坝高81m的A坝实际温升值和温降值与设计值相差不大,随坝高的增大,实际温升值和温降值加大。坝高240m的D坝的实际温降值比按设计方法计算大16.2℃。4水库容量4.1坝体应力计算根据《混凝土拱坝设计规范SL282-2003》要求,用拱梁分载法计算时,对于基本荷载组合,拉应力不得大于1.2MPa;用有限元等效应力法分析时,对于基本组合拉应力不得大于1.5MPa。本文首先分别用规范方法和仿真分析方法计算4座拱坝的温度荷载,再用有限元等效应力法计算各坝在自重+水压+温降荷载的组合作用下的坝体应力,见图3(图中拉应力为正,压应力为负)。A坝、B坝尽管实际温度荷载作用下的拉应力略大于规范方法,但上游面最大拉应力都小于1.5MPa,满足规范要求;C坝、D坝按多年平均气温作为封拱温度时的应力满足规范要求,但是按实际封拱温度计算时最大拉应力均超过规范要求,其中C坝拱端及坝踵大范围拉应力超过2.0MPa,而D坝的最大拉应力则达到了3.0~3.5MPa。由如上结果可知,按坝体稳定温度与灌浆时的实际温度计算温度荷载,进一步计算应力时,随坝高的增高,两者的差距变大。坝高越低,两者越接近;坝高到130m的C坝时,按实际温度荷载计算的应力已不满足规范要求。4.2坝家坝施工高的影响水库蓄水后,在水压力作用下,拱坝一般呈压紧状态,低水位低温季节也只有坝上部会贯穿性张开,而下部会一直是压紧状态。因此,随着坝体温度下降,坝轴线缩短,坝体向下变形,结果是增大了坝踵的拉应力。对于百米以下的拱坝,这个问题可能并不突出,但随着坝高的增大,坝体降温在坝踵引起的附加拉应力会随之增大。图4为4座拱坝在自重+水压+温降荷载的组合作用下用有限元等效应力法算出的拱冠梁坝底应力分布。应力用等效应力处理后,拉应力区深度在坝的0.3L(L表示该处坝体的水平厚度)左右。A、B两座坝的坝踵最大拉应力基本满足规范要求,但C坝的坝踵拉应力已达到2.0MPa,而D坝则达到3.5MPa,远超过规范规定的1.5MPa,如果考虑等效应力处理之前的有限元应力,坝踵开裂是难以避免的。5在坝高设计阶段的温度荷载自20世纪90年代初期建成我国第一座RCC拱坝至今,我国已建成RCC拱坝数十座,坝高不断提高,近期完工的贵州大花水拱坝坝高已达134.5m。尽管温控措施不断改进和完善,但分缝方式仍以诱导缝为主,设计阶段的温度荷载计算仍以多年平均温度作为封拱温度。目前为止已有不少RCC拱坝出现了严重裂缝。RCC拱坝可否进一步用于更高的拱坝,应采取什么样的温控措施和分缝方案是一个值得研究的问题。本文通过对4座不同坝高的RCC拱坝的仿真分析,得出以下几点认识:(1)以多年平均温度作为封拱温度计算温度荷载与仿真方法计算的温度荷载的差距随着坝高的增大而增大。100m以下的拱坝两种方法计算的坝体应力相近,都可以满足规范要求,但随着坝高的提高,两者的差距增大。对于100m以上的拱坝应该用仿真分析的方法研究温度荷载,以确定真实的封拱温度;(2)按目前的不进行二期水冷和二期水冷后的封拱灌浆,仅设诱导缝的方式,对于100m以上的高拱坝要进行充分论证,一般会有较大的超标拉应力;(3)对于100m以上的高RCC拱坝坝踵应力要特别关注,不进行二期水冷和封拱灌浆时,等后期坝体冷却至准稳定温度场后,坝踵可能会出现较大拉应力而引起坝踵开裂;(4)对于RCC高拱坝应采用冷却水管和分缝相结合的方式减小运行期的温度荷载。分缝方式应根据仿真分析结果确定,随坝高的增大,分缝间距要逐渐减小,诱导缝已不能满足要求。蓄水前要进行二次水冷,使横缝张开,并进行灌浆。二期冷却目标温度也应根据坝体应力分析结果确定;(5)用RCC建特高拱坝从应力