黃丹雛 何明明 黃梓莘

摘 要：在嚴(yán)寒地區(qū)修建混凝土拱壩，超低極端氣溫、超大年內(nèi)溫差和冬季突發(fā)寒潮等環(huán)境溫度荷載是造成混凝土結(jié)構(gòu)拉裂破壞的重要因素，因此開展長(zhǎng)期保溫防裂措施的研究意義重大。采用等效原理，提出了保溫層-混凝土復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)等效模擬概念，建立了有限元數(shù)值仿真中不同厚度混凝土與表面保溫層等效單元;利用嚴(yán)寒地區(qū)長(zhǎng)期實(shí)測(cè)資料和同類工程經(jīng)驗(yàn)，選定結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真的氣溫、水溫和材料熱力學(xué)參數(shù)，開展溫降工況下不同保溫層厚度的壩體溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值計(jì)算與分析。結(jié)果表明：嚴(yán)寒地區(qū)壩體在無保溫層時(shí)的壩體表面混凝土溫度變化規(guī)律與氣溫基本相同，采取保溫措施后保溫層對(duì)壩體表面的保溫效果較為明顯，保溫效果隨保溫層厚度的增加而增強(qiáng);無保溫層時(shí)上下游壩面出現(xiàn)大面積的拉應(yīng)力區(qū)，增加保溫層后壩體的拉應(yīng)力區(qū)有所減小且應(yīng)力隨保溫層厚度的增加而逐漸減小。

關(guān)鍵詞：嚴(yán)寒地區(qū);混凝土拱壩;等效放熱系數(shù);保溫層;溫度應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TV642 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.031

Abstract： To build concrete arch dam in severely cold regions， the influences of environmental temperature loads， such as extreme cold temperature， huge year temperature difference and sudden cold wave in winter， are considered as key factors for tensile failure of concrete structures. Thus， it is of great significance to carry out long-term thermal insulation and crack prevention research.In this paper， the equivalent unit of different thicknesses concrete and surface insulation layer in finite element numerical simulation was established by using the equivalent principle. The calculation method of unit equivalent heat release coefficient was proposed. The temperature， water temperature and material thermodynamic parameters of the structural numerical simulation were selected by using the long-term measured data and similar engineering experience in the severely cold area. The numerical calculation of the temperature field and stress field of the dam body with different thickness insulation layer under temperature drop conditions was carried out. The analysis results show that the change of concrete temperature on the surface of the dam body without insulation layer in the cold area is basically the same as the temperature. After the insulation measures are taken， the effect of the insulation board on the surface temperature of the dam is obvious， and the effect depends on the thickness of the insulation board. When there is no insulation layer， a large area of tensile stress area appears on the upstream and downstream dam surface. After the insulation layer is increased， the tensile stress area of the dam body is reduced and the stress value decreases with the increase of the thickness of the insulation layer. The research results provide reference for the insulation of similar projects.

Key words： severely cold; concrete arch dam; equivalent exothermic coefficient; thermal insulation layer; temperature stress

拱壩是一種復(fù)雜的超靜定結(jié)構(gòu)，其受力狀態(tài)與氣溫和水溫關(guān)系密切。嚴(yán)寒地區(qū)混凝土壩運(yùn)行的氣候條件差，一年中極端最低和最高氣溫極差可能超過50 ℃，其保溫防裂措施非常重要[1-5]。如新疆石門子水庫壩區(qū)多年平均氣溫4.1 ℃，極端最高氣溫33.2 ℃，極端最低氣溫-31.5 ℃，在壩體表面噴涂3～5 cm 厚的聚氨酯保溫層后，當(dāng)外界氣溫在-20 ℃左右時(shí)壩體混凝土表面溫度為6～8 ℃，保溫效果良好[6-7]。溫度荷載對(duì)拱壩應(yīng)力和內(nèi)力的影響往往會(huì)超過水荷載，特別是對(duì)于薄拱壩的影響，如山西恒山拱壩和內(nèi)蒙古響水拱壩溫度荷載對(duì)拱壩應(yīng)力和拱端推力的影響都超過總荷載的80%[8]。有關(guān)研究[9-11]表明，高寒地區(qū)大體積混凝土裂縫主要是由溫度應(yīng)力引起的，而保溫是防止產(chǎn)生表面裂縫的最有效措施。

[2] 王軍，李妮.嚴(yán)寒地區(qū)常態(tài)混凝土拱壩施工溫控措施[J].水利水電技術(shù)，2014，45（6）：71-73.

[3] 劉輝，李紹輝.北疆某碾壓混凝土重力壩施工技術(shù)[J].水利水電技術(shù)，2013，44（11）：53-56.

[4] 諶祖輝，孫根民，張津生.北疆某碾壓混凝土重力壩施工的幾項(xiàng)技術(shù)措施[J].水利水電技術(shù)，2012，43（6）：77-80.

[5] 古力米熱·哈那提，美麗古麗·買買提，孟波.基于主成分與廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)耦合的寒區(qū)水庫裂縫開合度預(yù)測(cè)模型[J].干旱區(qū)地理，2011，34（4）：584-590.

[6] ZHONG J， WANG E， ZHOU Y， et al. Contributions of Flexible-Arch Configurations in Shimenzi Arch Dam： New Evidence from Field Measurements[J].Math Probl Eng，2014（5）：1-9.

[7] 劉光廷，胡昱，王恩志，等.石門子碾壓混凝土拱壩溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)與仿真計(jì)算[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，42（4）：539-542.

[8] 朱伯芳.寒冷地區(qū)有保溫層拱壩的溫度荷載[J].水利水電技術(shù)，2003，34（11）：43-46.

[9] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京：中國電力出版社，2003：48-51.

[10] 凌騏，黃淑萍.嚴(yán)寒地區(qū)混凝土壩表面保護(hù)材料的敏感性研究[J].水電能源科學(xué)，2009，27（4）：117-119.

[11] 邵戰(zhàn)濤，朱岳明，強(qiáng)晟，等.高寒地區(qū)混凝土重力壩溫控防裂研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，30（1）：6-8.

[12] 朱伯芳.有限厚度帶鍵槽接縫單元及接縫對(duì)混凝土壩應(yīng)力的影響[J].水利學(xué)報(bào)，2001，32（2）：1-8.

[13] 丁寶瑛，王國秉.混凝土壩分縫澆筑對(duì)溫度應(yīng)力的影響[G]//中國水利水電科學(xué)研究院科學(xué)研究論文集（第9集）.北京：水利電力出版社，1982：53-66.

[14] 鄭國芳，張子明.有保溫層的拱壩溫度荷載研究[J].紅水河，2003，22（2）：7-13.

【責(zé)任編輯 張智民】