渡水水電站拱壩溫度應力計算方法探討

2012-07-14 07:28:10劉志炎

湖南水利水電 2012年2期

劉志炎

（常德市水利水電勘測設計院常德市 415003）

1 概述

渡水水電站位于石門縣維新鎮，在渫水二級支流——峽峪河中游。水庫總庫容為1 249萬m3，電站裝機容量為3 200 kW。工程建筑物主要有：拱壩、引水隧洞、主副廠房、升壓站、上壩公路和交通橋。壩址河谷深切，呈“V”字型，兩岸坡度一般為 40°～50°。地基巖性為寒武系中－上統婁山關群灰巖。該拱壩為漿砌石雙曲拱壩，設計最大壩高69.2 m，壩軸線長216.35 m，跨高比為2.7，厚高比0.217。壩底厚15 m，擋水壩頂厚4 m，溢流堰頂厚6.5 m。

本文計算考慮工況為：正常蓄水+自重+溫降。

2 計算方法介紹

2.1 《砌石壩設計規范》計算公式

砌石拱壩壩體內溫度分布可分解為平均溫度Tm、等效線性溫差Td和非線性溫差Tn。規范附錄C.7.1.2中說明，拱壩運行期溫度荷載可按下列公式分別計算：

式中Tm2、Td2——由壩體多年平均變化溫度場確定的截面年平均溫度變化和等效成性溫差，當封拱溫度等于壩體多年平均溫度時，即Tm0=Tm1，Td0=Td1。

規范附錄C.7.3.2中說明，在初步設計階段多年年平均變化溫度場的Tm2、Td2可按下列公式簡化計算：

（1）庫水位以上：

（2）庫水位以下：

（3）當壩體厚度L≥10 m時：

（4）當 L＜10 m 時：

式中Aa——多年平均氣溫年變幅（℃）；

Ae——下游壩面多年平均溫度年變幅（℃）；

y——水深（m）。

2.2 拱壩溫度荷載查算公式

2.2.1 計算公式

拱壩運行期某一高程壩體平均溫度Tm和等效線性溫差Td可以由以下兩式計算：

式中T1——下游壩面溫度變幅；

T2——上游壩面溫度變幅；

ε——上游壩面溫度相對于下游壩面溫度的滯后；

w——壩面溫度變化的圓頻率。

式中L——截面厚度（m）；

T2——導溫系數（m2/時或m2/月）；

P——溫度變化周期（月/日）。

如果要逐層按以上公式計算 ρ1、ρ2、Q1、Q2是相當繁復的，且T2、ε需根據水溫實測資料而定，下需根據氣溫及日照影響實測資料而定，導溫系數a也需有關試驗及計算確定，為簡化計算，將利用查圖表曲線的簡便計算方法。

2.2.2 有關參考數據（表1～表3）

2.3 拱壩特性參數（表4）

3 計算結果

3.1 按照規范公式計算（表5）

3.2 按照查算公式計算（表6）

4 計算成果分析

通過拱冠梁法，把計算得出的各層拱圈溫度變幅代入，計算得出應力見表7。

表1 國內某些工程實測氣溫年變幅資料

表2 國內幾處工程實測表面水溫年變幅資料

表3 導溫系數

表4 渡水拱壩各層拱圈幾何參數

表5 渡水拱壩Tm、Td計算（封拱溫度等于壩體多年平均溫度）

由表7計算結果可知，按規范公式計算得出的這組溫度變幅比用圖表查算出的要小，而兩組溫度變幅在不同高程的數值變化趨勢是一樣的，這說明兩種方法計算出的結構都貼近現實情況，是合理的。顯然，高程在150 m以上10 m高的這層拱圈的上游側水溫基本上是穩定的，上、下游之間溫度差要小得多，8.18℃比9.3℃更為合理。因此可以判斷，用規范中所列計算公式計算渡水拱壩溫度荷載較圖表查算法更為合理。