环境温度条件对混凝土坝长期运行的影响.pdf
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1、水利水电技术第4 3卷2 0 1 2 年第9期 环境温度条件对混凝土坝长期 运行的影响 胡 平,杨 萍,吴志朋,马晓芳 ( 中国水利水 电科学研究院,北京 1 0 0 0 3 8 ) 摘要:重点分析 了环境温度条件对水电站大坝长期运行 的影响,论证 了混凝土大坝裂缝的成 因,同 时阐述了在混凝土大坝的温控设计中,要科学地确定大坝的温度荷载,并通过合理的施工措施 ,才能 有效地预防或限制缺陷产生,保证水电站大坝的长期安全运行。 关键词 :水电站大坝 ;环境温度 ;裂缝 ;温度应力;温度控制 中图分类号 :T V 6 9 8 2 3 文献标识码 :A 文章编 号 :1 0 0 0 0 8 6 0
2、( 2 0 1 2 ) 0 9 0 0 2 6 0 4 I mpa c t o f e nv i r o nme nt t e mpe r a t ur e o n l o ng - t e r m o pe r a t i o n o f c o n c r e t e da m HU P i n g,rANG Pi n g, W U Zh i p e n g, MA Xi a o f a n g ( C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s&H y d r o p o w e r R e s e a r c h ,
3、B e i j i n g 1 0 0 0 3 8 ,C h i n a ) Ab s t r a c t :T h e i mp a c t o f e n v i r o n me n t t e mp e r a t u r e o n t h e l o n g t e r m o p e r a t i o n b e h a v i o r o f c o n c r e t e d a m i s e mp h a t i c a l l y a n a l y z e d h e r e i n a n d t h e n t h e c a u s a t i o n o f
4、 f o r ma t i o n o f c r a c k s o n c o n c r e t e d a m i S d e mo n s t r a t e d a s w e l 1 S i mu l t a n e o u s l y i t i S e x p a t i a t e d t h a t t h e t e mp e r a t u r e l o a d mu s t b e s c i e n t i fi c all y d e t e r mi n e d d u ri n g t h e t h e r ma l c o n t r o l d e
5、s i g n o f t h e d a m ;f u r t h e r mo r e, o n l y t h r o u g h r e a s o n a b l e c o n s t r u c t i o n me a s u r e s c a n t h e r e l e v a n t d e f e c t s b e e f f e c t i v e l y p r e v e n t e d o r r e s t r i c t e d t o e n s u r e t h e l o n g t e rm s a f e o p e r a t i o n
6、 o f c o nc r e t e d a m Ke y wo r d s :c o n c r e t e d a m ; e n v i r o n me n t t e mp e r a t u r e;c r a c k s ; t h e rm a l s t r e s s ;t h e r mal c o n t r o l 1 环境温度条件对混凝土坝长期运行的影响 在混凝土坝的长期运行 中,环境温度 ( 上游水库 水温 、下游气温和太 阳辐射 ) 是影响大坝安全运行的 重要边界条件。本文所介绍的大坝典型裂缝 的成因, 均与大坝施工期遗 留的隐患以及运行期的环境温度条 件有着
7、直接的关系。而如何在大坝设计之初 ,科学合 理地考虑环境 因素 的影响,也是大坝从业者的主要任 务之一。 1 1 重力坝的劈头裂缝 全世界已建成 的大坝中,不少重力坝在上游面产 生 了深度不等的劈头裂缝 ,一些大坝的劈头裂缝甚至 深入坝内达几十米 ,发展成渗漏通道 ,严重影响了大 坝的安全 运行 J 。大坝形 成劈 头裂缝 的先 决条件 , 是上游表面有裂缝 ,而大坝表面裂缝产生的最主要原 因,是来 自上游面沿坝轴线方向的温度应力。产生过 较严重劈头裂缝 的大坝 ,多为施工中实施通仓浇筑的 重力坝。由于横缝间距过大或施工期和水库蓄水初期 内外温差过大 ,都有可能导致混凝土表面温度应力超 标 ,
8、产生表面裂缝。 1 1 1 内外 温差影 响 当混凝土坝内部温度较高 ,外部温度较低时 ,由 于内外温差的影响 ,混凝土表面会产生较大的表面应 力 ,严重时会产生表面裂缝 。例如我国西北某坝施工 期遭遇 2 d降 1 2 的温度骤降后 ,由于没有及时采 取仓面保护,引起的瞬时内外温差 ,使得层面最大拉 应力超出混凝土的即时强度,导致表面开裂,影响深 收稿 日期 :2 0 1 1 1 1 - 0 8 基金项 目:国家科技支撑计划项 目( 2 0 0 8 B A B 2 9 B 0 5 ) ;国家 自然科学基 金项 目( 5 0 9 0 9 1 0 5 ) ;水利部行业公益科研专项( 2 0 0
9、8 0 1 0 0 7 ) 。 作者简介 :胡平 ( 1 9 5 7 一 ) ,女 ,江苏无锡人 ,教授级高级工程 师。 Wa t e r Re s o u r c e s a n dHy d r o p o w e rEn g i n e e ri n g V o 1 4 3 No 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 度 1 m左右。 1 1 2横 缝 间距影 响 通仓浇筑的重力坝 ,施工中不设纵缝 ,不进行二 期水管冷却 ,水库蓄水时 ,坝体 内部的温度还很高 , 内外温差很大 ,容易产生表面裂缝直至扩展为劈头裂 缝 。从坝体结构 的角度 ,在相 同的内外温
10、差作用下 , 大坝表面轴 向应力与横缝宽度成正 比。 笔者曾针对中国西南地 区某碾压混凝土重力坝 , 进行过不同横缝间距下表面坝轴 向应力 的敏感性分 析 。计算条件为:大坝基础约束区夏季浇筑 ,混凝土 自然人仓 ,年内气温变幅 8,最高 、最低月平均气 温相差 1 6 ,无表面保护措施 。横缝间距 分别选取 1 5 m、2 5 m、3 0 m和 5 5 m,表 1列出了不同横缝 间 距下冬季的最大表面应力。 表 1 不 同横缝 间距表面坝轴 向应 力敏 感性 分析 第一个冬季 内部 冬季气 最大内外 不同横缝 间距下最大表面应力 MP a 混凝土温度 温 温差 E 1 5 m 2 5 m 3
11、 O m 5 5 m 3 5 5 3 7 3 1 8 1 7 2 1 2 2 2 9 1 2 左右岸 日照差异对高拱坝下游坝面温度应力的 影 响 拱坝一般 比较单薄,运行期对外界气温和水库水 温的变化 比较敏感 ,坝 内温度变化 较大。拱 坝成拱 后 ,除了坝顶为 自由边界外 ,其他三面都受基岩的约 束 ,温度变形受到的外界约束 比较大,因此当环境温 度发生变化时,可能出现较大的温度应力 ,引起下游 表面裂缝 。 以中 国西 南某 特 高 拱 坝 为例 ,竣 工 时 裂缝 很 少。但在运行两年后 ,拱坝右岸下游 坝面不断 出现 裂缝 。经分析其中最 主要 的原 因是设 计温度荷载 中 未考虑非
12、线性 温差 的影 响。由于水 电站大坝坝址走 向随河流走 向而定 ,这 样就 可能导 致坝体 上下游 、 左右岸受太阳 日照的时间和角度不 同 ,尤 其是对 于 长期 暴露 于外界 的拱 坝下 游 面 ,这 种 由左 右岸 不 均匀 日照 温 升 产 生 的非 线 性 温 差最 大 可达 1 2 ( 见 图 1 ) ,由此造成 的下 游 坝 面右 岸 局部 温 度 应 力大 于 2 MP a ,已超出混凝土 的允许抗 裂能力 ,极 易导致 温度 裂缝 。 2 基于环境友好的混凝土坝温控设计 混凝 土 坝是 由人 工建 造 、又 回归 自然 的建 筑 物 ,环境友好 、浑然天成是其最佳 的运行状
13、态 。大 坝运行期 的主要 温度边界 条件 是水库 水温 和气温 , 二者是影 响大坝运行期 温度 场的主要因素 。在大坝 水利7 K 电技术第 4 3卷2 0 1 2年第 9期 胡平, 等环境温度条件对混凝土坝长期运行的影响 ( a ) 上游面 ( b ) 下游面 图 1 某拱坝 1月中旬上下游坝面实测温度场( 单位: ) 设计之初 ,科学地考虑环境 因素 的影 响 ,在 多年环 境 参数积 累的 基础 上 ,合 理 模拟 大 坝 建成 后 的环 境状况和 温度 荷 载 ,使 得建 成 后 的大 坝 能够 与周 围环境和谐 共 存 ,是 水 电站 大 坝 温控设 计 的主导 思想 。 2 1
14、 水库水温与大坝稳定温度场 大坝建成进入运行期后 ,经过多年与 自然环境的 磨合 ,施工期温度完全消散 ,坝体温度的变化只受气 温变化 的影响 ,这种与环境同步的周期性变化的温度 场 ,为大坝的稳定 ( 准稳定 ) 温度场 ,也是 温控设计 的基准温度。 水库水温是混凝土 坝的一个重要 的温度边界条 件 ,它将直接影响到大坝运行期稳定 ( 准稳定 ) 温度 场 的分布 ,从而影响到大坝 的基础 温差和温度控制 标准 。影 响水 库水 温 分 布 的 四大 要 素 为水库 的形 状 、水文气象条件 、水库运行条件 和水库初 始蓄水 条件 。随着高坝 大库 的不断 出现 ,综合类 比下 的数值 分
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