石漫滩碾压混凝土重力坝温度效应分析

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，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，最大坝高40.5 m，坝顶高程112.50 m，坝顶长645 m，共分22个坝段，坝段长度16.0～42.0 m不等；1号-9号坝段为右岸非溢流坝段，长320.0 m，10号-16号坝段为溢流坝段，长132.0 m，17号-22号坝段为左岸非溢流坝段，长193.0 m，其中19号坝段为底孔坝段，长18.0 m。

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：上游面（水位108.20 m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39.5 m）[6]；Y方向从坝基面（坝基高程为73.00 m）向下取1.5倍坝高；Z方向，取一个坝段长为42 m。

进行热-结构耦合分析时，热单元类型选用SOLID70，结构单元选用SOLID45，两种类型单元联合使用。完成热分析后，将SOLID70单元转换为SOLID45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58 520个、总节点数为674 302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]。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15 m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

3.1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1。

3.2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分析来看，库水位年变幅一般在2.0 m范围内[5]，由此初步推测坝体顺水流向的裂缝应主要由温度应力引起。考虑到裂缝大多在大坝蓄水后运行期而非施工期中出现[5]，本文以多年平均气温边界条件下的坝体稳定温度场为基准温度场，以运行期月平均变化温度场的温度变化增量为大坝运行期的温度荷载，以此探讨运行期大坝裂缝的成因。

根据工程区气象条件，1月-2月气温最低，7月-8月气温最高。为此，选择“正常蓄水位+1月温降”和“正常蓄水位+7月温升”2种工况进行计算（简称为“1月温降”和“7月温升”）。“1月温降”荷载指一年中温度最低的1月-2月坝体准稳定温度场与年平均气温边界条件下坝体稳定温度场（基准温度场）之差产生的温度荷载；“7月温升”荷载指一年中温度最高的7月-8月坝体准稳定温度场与年平均气温边界条件下的坝体稳定温度场（基准温度场）之差产生的温度荷载。通过这两种温度荷载工况，可分析坝体在冬季温降和夏季温升作用下可能产生的温度应力，判断坝体混凝土是否会产生开裂。

4坝体温度场及温度应力成果分析

4.1坝体温度场分析

将多年平均气温和水温对应的准稳定温度场作为计算坝体温度应力的基准温度场。根据文献[5]的监测资料，坝址区多年平均气温为15.5 ℃，上下游水温按不同深度取相应的多年平均水温。考虑日照辐射影响，坝体表面暴露在空气中的部分，温度取为18 ℃。经计算，9号非溢流坝段基准温度场等值线见图2。

将最低月平均气温对应的准稳定温度场作为计算坝体温度应力的“1月温降”工况温度场。根据气温监测资料和相关气象资料，坝址区1月平均气温为1.6 ℃，水温按不同深度取相应的1月平均水温。经计算，9号非溢流坝段“1月温降”温度场等值线见图3。

将最高月平均气温对应的准稳定温度场作为计算坝体温度应力的“7月温升”工况温度场。根据气温监测资料和相关气象资料，坝址区7月平均气温为27.5 ℃，水温按不同深度取相应的7月平均水温。经计算，9号非溢流坝段“7月温升”温度场等值线见图4。

基准温度场以及1月温降、7月温升准稳定温度场的计算结果表明：气温和库水温度对运行期间混凝土坝的影响仅限于坝体表层，即影响深度较浅。坝体上游面因为库水的存在，混凝土温度随水温变化而变化，其他坝体上部及下游离表面较近的混凝土受外界气温的影响，温度变化较为剧烈，混凝土温度梯度较大，变幅也较内部更大，坝体内部温度较稳定，变幅不大。比如，在灌浆廊道内常年稳定在11.6 ℃～12.6 ℃，与监测资料吻合[5]。

4.2坝体温度应力成果分析

4.2.1温降温度应力分析

计算得出的温降时温度应力等值线见图5-图8。

4.3坝体裂缝成因分析

综合温度场与温度应力研究结果可知，在“正常蓄水+1月温降”工况下，坝体下游面最大Z向拉应力为222 MPa，坝体上游面最大Z向拉应力为116 MPa。相关规范规定C20混凝土的设计轴心抗拉强度110 MPa[8]，因此，温降荷载引起的沿坝轴向的拉应力σz超过规范要求，可能会导致坝体混凝土的开裂。在“正常蓄水+7月温升”工况下，温升荷载引起的沿坝轴向的应力σz主要为压应力，其满足规范要求。根据文献[4]，9号非溢流坝坝段存在的2条贯通性裂缝开裂时间分别为2002年12月26日和2008年02月05日。文献[5]的气温监测资料表明，在这两个时间段内，坝址区正经历寒潮期，降温幅度分别达到-6 ℃和-8 ℃。这也进一步验证了本文的推断，温降荷载引起的温度应力是导致石漫滩大坝产生裂缝的主要原因。

5结论

基于运行期的气温和坝体温度监测资料，选取“正常蓄水+1月温降”和“正常蓄水+7月温升”两种典型工况，以9号非溢流坝段为研究对象，借助ANSYS 软件对石漫滩碾压混凝土重力坝进行了热-结构耦合分析，综合工程运行管理档案和分析结果，分析了该坝运行期裂缝的成因，得到如下结论。

（1）“正常蓄水+1月温降”是该坝的不利工况，大幅温降在坝体表面产生的拉应力超出了混凝土的抗拉强度，导致了大坝坝体上部出现多处有规律横向裂缝的现状。

（2）裂缝产生后，将进一步改变坝体的温度场，在今后运行过程中，若再次遭遇大幅温降的不利工况，裂缝可能向坝体[JP3]内部继续发展，导致坝体承载能力下降，危害大坝的运行安全。

（3）目前该水库已评定为“三类坝”，建议加固处理时，应针对性地采取保温措施，以避免裂缝进一步发展。

参考文献：

[1]宋恩来.温度作用对运行期混凝土坝的影响[J].大坝与安全，2003，（2）：1618.

[2]朱伯芳.建设高质量永不裂缝拱坝的可行性及实现策略[J].水利学报，2006，37（10）：11551162.

[3]朱伯芳.混凝土拱坝运行期裂缝与永久保温[J].水利发电，2006，32（8）：2124.

[4]马福恒，李子阳，戴群.河南省石漫滩水库大坝安全综合评价报告[R].南京：南京水利科学研究院，2012.

[5]马福恒，沈振中，袁自立.河南省石漫滩水库大坝原型观测资料分析报告[R].南京：南京水利科学研究院，2012.

[6]李子阳，马福恒，沈振中.河南省石漫滩水库大坝结构性态安全评价报告[R].南京：南京水利科学研究院，2012.

[7]邓仕涛.基于ANSYS的丹江口大坝加高结构性态及温度应力研究[D].南京：河海大学，2008.