渡水水电站拱坝温度应力计算方法探讨

刘志炎

（常德市水利水电勘测设计院 常德市 415003）

1 概述

渡水水电站位于石门县维新镇，在渫水二级支流——峡峪河中游。水库总库容为1 249万m3，电站装机容量为3 200 kW。工程建筑物主要有：拱坝、引水隧洞、主副厂房、升压站、上坝公路和交通桥。坝址河谷深切，呈“V”字型，两岸坡度一般为 40°～50°。地基岩性为寒武系中－上统娄山关群灰岩。该拱坝为浆砌石双曲拱坝，设计最大坝高69.2 m，坝轴线长216.35 m，跨高比为2.7，厚高比0.217。坝底厚15 m，挡水坝顶厚4 m，溢流堰顶厚6.5 m。

本文计算考虑工况为：正常蓄水+自重+温降。

2 计算方法介绍

2.1 《砌石坝设计规范》计算公式

砌石拱坝坝体内温度分布可分解为平均温度Tm、等效线性温差Td和非线性温差Tn。规范附录C.7.1.2中说明，拱坝运行期温度荷载可按下列公式分别计算：

式中Tm2、Td2——由坝体多年平均变化温度场确定的截面年平均温度变化和等效成性温差，当封拱温度等于坝体多年平均温度时，即Tm0=Tm1，Td0=Td1。

规范附录C.7.3.2中说明，在初步设计阶段多年年平均变化温度场的Tm2、Td2可按下列公式简化计算：

（1）库水位以上：

（2）库水位以下：

（3）当坝体厚度L≥10 m时：

（4） 当 L＜10 m 时：

式中Aa——多年平均气温年变幅（℃）；

Ae——下游坝面多年平均温度年变幅（℃）；

y——水深（m）。

2.2 拱坝温度荷载查算公式

2.2.1 计算公式

拱坝运行期某一高程坝体平均温度Tm和等效线性温差Td可以由以下两式计算：

式中T1——下游坝面温度变幅；

T2——上游坝面温度变幅；

ε——上游坝面温度相对于下游坝面温度的滞后；

w——坝面温度变化的圆频率。

式中L——截面厚度（m）；

T2——导温系数（m2/时或m2/月）；

P——温度变化周期（月/日）。

如果要逐层按以上公式计算 ρ1、ρ2、Q1、Q2是相当繁复的，且T2、ε需根据水温实测资料而定，下需根据气温及日照影响实测资料而定，导温系数a也需有关试验及计算确定，为简化计算，将利用查图表曲线的简便计算方法。

2.2.2 有关参考数据（表1～表3）

2.3 拱坝特性参数（表4）

3 计算结果

3.1 按照规范公式计算（表5）

3.2 按照查算公式计算（表6）

4 计算成果分析

通过拱冠梁法，把计算得出的各层拱圈温度变幅代入，计算得出应力见表7。

表1 国内某些工程实测气温年变幅资料

表2 国内几处工程实测表面水温年变幅资料

表3 导温系数

表4 渡水拱坝各层拱圈几何参数

表5 渡水拱坝Tm、Td计算（封拱温度等于坝体多年平均温度）

由表7计算结果可知，按规范公式计算得出的这组温度变幅比用图表查算出的要小，而两组温度变幅在不同高程的数值变化趋势是一样的，这说明两种方法计算出的结构都贴近现实情况，是合理的。显然，高程在150 m以上10 m高的这层拱圈的上游侧水温基本上是稳定的，上、下游之间温度差要小得多，8.18℃比9.3℃更为合理。因此可以判断，用规范中所列计算公式计算渡水拱坝温度荷载较图表查算法更为合理。

表6 渡水拱坝Tm、Td计算查表得(ap)0.5＝7.1气温年变幅 T1+2＝12 表面水温年变幅 T2(0)=10令 τ/P＝0.1

表7 渡水拱坝不同温度荷载计算应力成果对照表 kPa

5 结 语

本文针对渡水水电站的温度荷载计算，利用拱冠梁法计算得出相应的温度应力，对计算结果进行了比较分析，得出以下结论：渡水水电站拱坝温度荷载，在资料比较欠缺的情况下，使用《砌石坝设计规范》中公式计算比用图表查算计算不仅计算简便，而且得出的结果更为合理。

1黎展眉.砌石拱坝温度应荷载影响的分析[J].砌石坝技术，1989.

2黎展眉.浆砌石拱坝控制计算拉应力的研究[J].设计与施工，2002.

3黎展眉.拱坝温度荷载的计算[J].红卫技术通讯，1979.

4朱伯芳.水工混凝土结构的温度应力与温度控制[M].北京：水利电力出版社，1976.

5朱伯芳.有限单元法的原理与应用[M].北京：中国水利水电出版社，1998.

6朱伯芳.混凝土结构徐变分析的隐式解法 [J].水利学报，1983，(5)：53-57.