基于监测数据的高拱坝运行期温度荷载与应力分析研究

史波 唐朝

摘要：高拱坝在建设期往往会布置大量温度计来监测坝体温度变化情况，拱坝温度是高拱坝施工期及运行期控制的一个重要项目。以某高拱坝为例，在分析运行期温度变化规律与分布的基础上，计算拱坝运行期实测温度荷载，并与设计值进行差异性分析，进而分析对拱坝应力的影响程度。研究成果可为同类工程提供参考并反馈工程设计和指导工程实践。

关键词：高拱坝;温度;监测数据;温度荷载;温度应力

高拱坝在长期运行过程中载荷变化对坝体安全有较大的影响，而坝体载荷变化主要的影响因素为长期运行期间的温度载荷。文章通过对某电站枢纽实际坝体数据的采集和仿真分析，说明了长期运行工况下坝体温度载荷对坝体载荷变化的影响。

1 工程概况

某电站枢纽位于亚热带地区，为Ⅱ等大（2）型工程，由碾压混凝土双曲拱坝、溢流表孔、排沙底孔、引水发电隧洞等主要建筑物组成。

坝体共布置温度计99支，分别布置在高程700m、712m、730m、750m、770m、790m的拱冠和两坝端，温度计在上述高程按照5：5：5：4：4：3布置，上下游温度计距离坝面0.10m，用于监测库水温及气温，其余按等间距布置。

2 坝体实测温度变化过程与分布分析

2.1 坝体实测温度变化过程分析

通过分析坝体典型高程（760m）温度测值变化过程可知：

（1）下游坝面：高高程下游坝面温度计均受气温影响显著，呈现明显年周期变化规律，坝面多年平均值为18.58之间，多年平均变幅在1.10℃～17.48℃之间，均值为9.43℃，拱坝下游面温度多年平均变幅小于气温变化量。

（2）上游坝面：上游坝面总体可反应库水温变化情况，呈现年周期变化规律，多年平均值在15.15℃～20.08℃之间，表现为上部（深度55m以内）水温相对较高，温度在20℃左右，下部水温相对较低，温度在15℃左右;上游坝面多年年变幅平均值在1.09℃～12.74℃之间，均值为5.34℃，小于下游壩面温度变幅。

（3）坝体内部：坝体内部温度总体处于稳定状态，温度变幅总体小于上游坝面温度变幅，受环境影响相对较小。

2.2 坝体实测温度分布分析

选取坝体拱冠梁温度监测断面，绘制该断面2018年和2020年典型时间温度分布见图1。由温度分布图可见：

（1）拱冠梁温度场总体沿水平梯度方向分布，在坝体底部附近由于受坝基边界热传导作用的影响逐渐转变为竖直梯度方向分布。

（2）由高低温季节对比可以看出，环境温度对坝体影响主要发生在坝体顶部、坝体下游面和坝体上游面浅水部分，坝体内部、坝体底部和坝体上游面水深55m以下温度基本保持稳定。

（3）由2018年和2020年温度纵向对比图和过程线可以看出，2018年和2020年同季节温度分布基本一致，坝体内部温度变化基本已稳定;坝体内部最高温度约为21℃（坝体中上部），最低温度约为15℃（靠近基岩部分）。

3 拱坝实测温度荷载分析

本工程拱坝为碾压混凝土拱坝，为发挥碾压混凝土快速施工的特点，坝内未埋深冷却水管，尽管拱坝施工过程中经历过多次停工，封拱灌浆时由于坝内温度较高而导致横缝未完全张开，拱坝实际封拱温度高于设计封拱温度。故有必要计算实际温度荷载和应力与设计的差异引起的对拱坝应力的影响。

根据以上公式，结合本工程封拱灌浆温度等监测资料，计算温升和温降工况温度荷载情况，并与设计温度荷载进行对比，图2绘制了设计温度荷载和实际温度荷载对比图，可见：

（1）温升工况下，设计温度荷载主要表现为上下游方向的梯度变化，即下游坝面（中上部，设计温升最大值约为12.05℃）至上游坝面（中下部）温度逐渐降低，实际封拱时由于坝体中上部温度较高，实际温度荷载变化主要表现在坝体中上部，实际温升最大值约为5.96℃;实际温升荷载相对于设计值有一定减小。

2）温降工况下，设计温降荷载在坝体中上部表现为沿高程方向的梯度变化，坝顶温降相对较大（5.98℃），坝体中下部表现为上下游方向的梯度变化;实际温降荷载分布主要在坝体中上部，实际最大温降8.85℃;实际温降荷载相对于设计值有一定增大，坝体中上部温降荷载增大约3℃～5℃，中下部温降荷载增大约1℃～3℃。

4 温度应力差异性分析

4.1 有限元计算模型

建立本工程三维有限元计算模型，拱坝左右岸、上下游及底部坝基模拟范围均大于2倍坝高，模型全部采用八结点六面体等参单元剖分，坝厚方向剖分6层网格。模型共剖分单元45408个，节点总数51105。

4.2 温升工况应力差异分析

拱冠梁断面设计与实际温度荷载情况下坝面应力的对比后可见：

（1）上游面：上游面整体大主应力相对于设计水平有所减小，实际温度荷载相对于设计值的差异使得坝体上游面拉应力有所减小。实际温度荷载计算所得坝体上游面小主应力除高高程近坝基区域有所增大外，整体小主应力相对于设计荷载有所降低，压应力最大值约-3.8MPa，出现在拱冠梁高程774m附近。因此，整体而言实际温度荷载相对于设计值的差异使得坝体上游面压应力有所增大，但未超过混凝土设计强度。

（2）下游面：实际温度荷载计算所得下游坝面大主应力相对于设计值在高程774m以上有所减小，但变化幅度不大，在高程774m以下大主应力有所增大，除局部应力集中外未出现拉应力。实际温度荷载计算所得下游坝面小主应力除近坝基区域有所降低（局部应力集中）外，整体而言小主应力较设计情况有所增大，即实际温度荷载相对于设计值的差异使得下游坝面整体压应力水平有所降低。

总体来看，温升工况下，实际温度荷载小于设计温度荷载，使得上游坝面压应力有所增大而下游坝面压应力有所减小。

4.3 温降工况应力差异分析

拱冠梁断面设计与实际温度荷载情况下坝面应力的对比后可见：

（1）上游面：实际温降荷载计算所得上游坝面近坝基位置附近的拉应力普遍较设计荷载计算值增大约0.5～1.0MPa，但该区域为局部应力集中;整体而言高程774m以上区域大主应力有所减小，而高程774m以下区域大主应力有所增大，除近坝基应力集中区域外未出现拉应力。实际温度荷载计算所得上游坝面靠近拱冠梁区域及高高程区域小主应力较设计荷载计算值有所减小，即坝面压应力有所增大，且高程越高区域增加幅度越大，但未超过混凝土设计强度。

（2）下游面：实际温度荷载计算所得下游坝面大主应力较设计荷载计算值在高程：74m以下区域均有所增大，即拉应力有所增加，其中最大值达到0.99MPa，為局部应力集中，除应力集中区域外坝面最大拉应力约0.8MPa，未超过强度设计值，实际温度荷载相对于设计值的差异使得下游面整体主拉应力水平有所提高。实际温度荷载计算所得下游坝面小主应力较设计荷载计算值在高程774m以上有所减小但变化幅度不大;在高程774m以下区域小主应力有所增大，除近坝基应力集中区域外坝面压应力未超过设计强度。

总体来看，温降工况下，实际温度荷载相对于设计值的差异对坝体应力影响最不利之处表现为坝体下游面整体拉应力水平有所加大。

5 结语

本文基于温度实测数据对高拱坝温度荷载与应力进行了分析研究，结果表明：

（1）环境温度对坝体影响主要发生在坝体顶部、坝体下游面和坝体上游面浅水部分;

（2）温升工况下，实际温度荷载小于设计温度荷载，使得上游坝面压应力有所增大而下游坝面压应力有所减小。温降工况下，实际温度荷载相对于设计值的差异对坝体应力影响最不利之处表现为坝体下游面整体拉应力水平有所加大;

（3）拱坝实际封拱温度往往高于设计封拱温度，导致坝体应力水平与设计值有所差异，主要不利位置发在下游坝面（温降）。故高拱坝在施工过程中需重视混凝土温度控制，同时运行期注意寒潮等极端天气影响。

参考文献：

[1] SL 744-2016，水工建筑物荷载规范[S].

[2]宋健. 考虑温度荷载的高拱坝静动力分析与影响因素[D]. 大连：大连理工大学， 2016.