日照强热辐射对西藏大古水电站碾压混凝土重力坝的影响分析.docxVIP

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日照强热辐射对西藏大古水电站碾压混凝土重力坝的影响分析

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晏国顺陕亮李家正

摘要：大古水电站位于西藏高寒高海拔地区，坝址区日照辐射强烈，显著影响了环境温差的变化，加剧了施工期乃至运行期大坝结构温度场时空分布的不均匀性，增加开裂风险。选取大古水电站14号厂房坝段为研究对象，采用三维有限元法对大坝施工期温度场和温度应力进行数值模拟仿真计算，分析了日照强热辐射对大坝的影响。结果表明：日照强热辐射在坝体表面产生了约0.6MPa的拉应力，拉应力区影响深度在0.6m范围内;采取混凝土表面保温防护措施后，拉应力减少至约0.1MPa，有效降低了混凝土开裂风险。

关键词：日照强辐射;碾压混凝土重力坝;温度裂缝;三维有限元;大古水电站;高寒高海拔地区;西藏

中图法分类号：TV315文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.10.009

：1006-0081（2021）10-0047-05

0引言

中国剩余水能资源开发主要分布在西部、西南部，集中于雅鲁藏布江、金沙江、澜沧江、怒江流域[1]，这些地区气候变化剧烈，极端天气频繁，水电站建设难度大。碾压混凝土筑坝技术具有浇筑面大、连续浇筑施工效率高、不设纵缝少设横缝的优点，因此碾压混凝土坝成为高寒高海拔地区复杂环境下最有利的坝型[2-4]。在自然环境中的混凝土结构由于热传导性能较差，气候条件对混凝土的质量影响极大，混凝土内外大温差是导致坝体发生表面裂缝的主要原因[5-7]。大气的温度变化并不是直接来源于太阳的热量，而是来源于大地上空的空气。太阳辐射主要以短波为主，其中大气吸收16%，地表和海洋则吸收了51%，这51%的短波变成了热量，又被地表以长波的形式往外辐射，这些长波被大气吸收，影响了大气的温度。大古水电站坝址海拔为3500m，位于青藏高原高海拔地区，是中国太阳辐射最强的地区，空气稀薄，大气对太阳辐射的削弱作用弱，到达地面的太阳辐射强。因此，本文以大古水电站为研究对象，采用三维有限元法计算分析了日照强热辐射对大坝的影响，旨在为类似复杂环境下的工程提供参考。

1工程概况

大古水电站位于西藏自治区山南地区桑日县境内，是雅鲁藏布江中游桑日县至加查县峡谷段的第2级电站，上游距规划的巴玉水电站约8km，下游距规划的街需水电站和已建成的藏木水电站分别为7km和18km。电站坝址控制流域面积15.74万km2。拦河坝为碾压混凝土重力坝，坝高126m，电站装机容量66万kW，采用坝后式厂房布置。厂房坝段结构复杂，材料分组多，本文以14号厂房坝段为典型坝段进行研究分析。

2数值模拟

2.1结构模型

14号坝段结构模型见图1，材料分区见图2。坐标轴X方向为顺水流方向，指向下游为正;坐标轴Y方向为坝轴线方向（横河向），指向左岸为正;坐标轴Z方向为垂直向，向上为正，与结构实际高程一致。

本文采用长江科学院自主研发的大型水工数值分析软件包（Ckysts1.0），进行结构温度场和温度应力三维有限元线弹性仿真计算，网格划分共计335414个节点，309790个单元。

2.2计算条件

依据大古水电站相关建设单位技术报告[8-11]，结合混凝土浇筑进度，参考相关类似工程经验以及行业规程规范[12]确定计算条件。

2.2.1环境温度

（1）年气温作用。年气温作用是指气温年变化对混凝土结构的影响，其变化相对缓慢。根据大古气象站气象要素月平均气温统计，采用下式拟合：

[Tc（t）=10.2+7.9sin2π365（t-100）]??????（1）

式中：[Tc（t）]为随时间变化的气温;t为计算时刻至1月1日的时间。

（2）日照温度作用。日照温度变化主要是太阳辐射作用引起，大坝混凝土表面受到日照直射辐射、散射辐射的作用，表面温度要高于该时刻的大气温度。日照影响相当于气温增高值[ΔTα]，由下式计算：

[ΔTα=R/β]????????????????（2）

式中：R為物体表面吸收的热辐射，材料吸收系数取0.65;β为物体表面放热系数。太阳辐射统计和受日照影响的气温增高换算值列于大古气象站气象要素统计表1中。

由表1看出，大古水电站受日照影响相当于年平均气温增加10.5℃。5月份日照最强，相当于气温增高12.5℃;12月份日照最弱，相当于气温增高7.6℃;年变幅A=（12.5-7.6）/2=2.4℃。因此，在计算分析中按年平均气温提高10.5℃，气温年变幅增加2.4℃的情况进行大古水电站日照温度作用影响的敏感性分析，拟合式如下：

[Tc（t）=20.7+10.3sin2π365（t-100）]????（3）

2.2.2材料力学和热学性能

（1）混凝土及基岩弹性模量。混凝土各龄期