CN105421281A

CN105421281A - 混凝土拱坝温度荷载智能调节方法

Info

Publication number: CN105421281A
Application number: CN201510685719.8A
Authority: CN
Inventors: 张国新; 高安泽; 周秋景; 刘毅
Original assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Current assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Priority date: 2015-10-20
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2035-10-20
Also published as: CN105421281B

Abstract

本发明公开了一种混凝土拱坝温度荷载智能调节方法，其特征在于，包括如下步骤：计算坝体各月平均温度荷载；确定允许温度荷载，得到不同时间和部位需要消减的温度荷载增量；根据允许温度荷载及需要消减的温度荷载增量，反算大坝不同时间和部位允许温度；根据不同时间和部位需要控制达到的温度值和上游库水温度分布情况，兼顾运行期温控需要，优化施工期冷却水管布置并予以保留，确定运行期水管通水温度和流量；确定取水高程范围；根据确定的取水高程范围进行通水，并通过控制水管流量，进行温度控制。本发明通过保留施工期部分冷却水管，在运行期进行智能通水控制坝体温度，减小温度荷载，改善其工作性态，并增加安全储备，提高耐久性。

Description

混凝土拱坝温度荷载智能调节方法

技术领域

本发明涉及混凝土拱坝建设领域，具体说，涉及一种混凝土拱坝温度载荷调节方法。

背景技术

混凝土拱坝，是最重要的坝型之一，具有经济性和安全性高的优点。混凝土拱坝在保障防洪安全、供水安全、粮食安全、能源安全和生态安全方面发挥了重要作用，确保水库水电站大坝安全对于国家和人民群众极端重要。

温度荷载是拱坝最重要的荷载之一，对拱坝应力，尤其是拉应力影响较大。有些拱坝，如山西恒山拱坝和内蒙古响水拱坝，温度荷载对拱坝应力和拱端推力的影响都超过总荷载的80％，对拱坝工作性态影响巨大。坝高和水位较高的拱坝温度荷载影响稍小，但仍对拱坝工作性态影响很大。

发明内容

本发明的目的在于针对温度荷载对拱坝工作性态影响较大问题，提出一种减小温度荷载的方法，可以减小温度应力，改善大坝工作性态。

具体技术方案如下：

一种混凝土拱坝温度荷载智能调节方法，包括如下步骤：

步骤1，根据坝体的设计体型、封拱温度、基岩温度、水库水位和水库水温、多年年均环境气温、光照条件，计算得到坝体年内各月的平均温度荷载；其中，所述平均温度荷载以每月15日温度荷载代表；

步骤2，根据大坝实际情况，确定允许温度荷载，包括允许温降荷载和允许温升荷载，将步骤1中各月平均温度荷载与允许温度荷载进行比较，得到不同时间不同部位需要消减的温度荷载增量；

步骤3，根据允许温度荷载及需要消减的温度荷载增量，反算得到大坝每年不同时间不同部位允许温度值；

步骤4，根据不同时间不同部位需要控制达到的温度值和上游库水温度分布情况，并结合施工期保留的冷却水管布置情况，确定大坝通水温度和通水流量；

步骤5，根据通水温度和上游库水温度分布情况，确定取水高程范围；

步骤6，根据确定的取水高程范围进行通水，并通过控制进水水管流量，进行坝体温度控制。

进一步，该步骤1中，年内各月平均温度荷载，采用有限元方法计算并等效得到，所采用的等效公式为：

T_{m} = \frac{1}{L} {&Integral;}_{- L / 2}^{L / 2} T d x, T_{d} = \frac{12}{L^{2}} {&Integral;}_{- L / 2}^{L / 2} x T d x;

其中，T_m、T_d分别为温度荷载的平均温度和等效线性温差，L为坝体厚度，x为该点距厚度中心的距离，T为该点计算温度值。

进一步，该步骤2中，需要消减的温度荷载增量为：

ΔT_m＝T_m-T_m-per；ΔT_d＝T_d-T_d-per；

其中，ΔT_m、ΔT_d为需要消减的温度荷载增量，T_m-per、T_d-per为允许温度荷载。

进一步，该步骤3具体包括：

采用如下公式求得大坝上、下游面允许温度值T_su-per和T_sd-per：

T_{s u - p e r =} T_{m - p e r -} \frac{1}{2} T_{d - p e r}; T_{s d - p e r =} T_{m - p e r -} \frac{1}{2} T_{d - p e r};

其中，T_m-per、T_d-per为允许温度荷载；

在求得的大坝上、下游面允许温度值基础上，根据热学传导理论，采用有限元分析，得到大坝不同时间不同部位允许温度值。

进一步，该步骤4具体包括：

根据坝体的设计体型、封拱温度、基岩温度、水库水位和水库水温、多年年均环境气温、光照条件，并结合施工期保留的冷却水管布置情况，采用不同的大坝通水温度和通水流量组合，采用有限元仿真分析方法，计算求得大坝温度场；

将求得的大坝温度场与步骤3中得到的允许温度值进行比较，根据不同时间不同部位需要控制达到的温度值和上游库水温度分布情况，确定合适的通水温度和通水流量。

进一步，该步骤4中，施工期保留的冷却水管布置情况包括：上游冷却水管与中、下游冷却水管分开布置。

进一步，步骤6中，根据确定的取水高程范围进行通水包括：当取水部位高于冷却水管布置高程时进行自流通水，当取水部位低于冷却水管布置高程时进行抽水通水。

进一步，该步骤6具体包括：

根据大坝内部实际监测温度值，通过安装于冷却水管上的控制装置控制进水流量；

夏季控温区域温度偏高时，通较低温度的库水进行冷却；

冬季控温区域温度偏低时，通较高温度的库水进行升温；

春季和秋季温度处于允许温度范围内时，停止通水。

与现有技术相比本发明的有益效果是：利用施工期保留的部分冷却水管，采用拱坝温度荷载智能调节方法，通过控制运行期年平均温度的方式减小了温度荷载，进而减小了温度应力，改善了大坝工作性态。

附图说明

图1是本发明拱坝温度荷载智能调节方法的流程图；

图2是本发明一实施例中拱坝体型示意图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是本发明一实施例中水库水温示意图；

图5是本发明一实施例中多年平均温度示意图；

图6是本发明一实施例中温度荷载示意图；

图7是本发明一实施例中允许温度荷载示意图；

图8是本发明一实施例中拱坝1月份和6月份需要消减温度荷载示意图；

图9是本发明一实施例中拱坝保留冷却水管布置图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

本发明通过提供一种高拱坝温度荷载智能调节方法，利用施工期保留的部分冷却水管，采用智能通水方法，控制运行期年平均温度的方式减小温度荷载，进而减小温度应力，改善大坝工作性态。

大坝混凝土普遍存在裂缝，这些裂缝绝大部分是由温度荷载引起的。拱坝一般比较单薄，受外界气温、水温影响大，坝内温度变化比较大，除了坝顶为自由边界外，其它三面均受到基岩的约束，温度变形受外界约束比较大，因此可能出现较大的温度应力。温度下降会使混凝土收缩变形，温降收缩的部位受到温度没有下降的甚至是温度升高的部位以及周边岩体约束，从而产生拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时即会产生裂缝。

拱坝温度荷载为：

T_m＝T_m1+T_m2-T_m0，T_d＝T_d1+T_d2-T_d0；

其中，T_m、T_d分别为拱坝温度荷载的平均温度和等效线性温差；T_m0、T_d0分别为封拱温度场的平均温度和等效线性温差；T_m1、T_d1分别为运行期年平均温度场沿厚度的平均温度和等效线性温差；T_m2、T_d2分别为运行期变化温度场沿厚度的平均温度和等效线性温差。可见，拱坝温度荷载可分为两部分：一部分为初始温差，即坝体年平均温度与封拱温度之差，该值不随时间发生变化；另一部分为时变温差，即外界水温、气温等变化在坝内所引起的温度变化，该值随时间做周期性变化，夏季为温升，冬季为温降。

下面结合附图对本发明步骤作进一步的详细描述。

参图1所示，图1是本发明拱坝温度荷载智能调节方法的流程图。

该方法具体包括：

1)根据坝体的设计体型、封拱温度、基岩温度、水库水位和水库水温、多年年均环境气温、光照条件，计算得到坝体年内各月(一年12个月)的平均温度荷载；其中，该平均温度荷载以每月15日温度荷载代表。

2)根据大坝实际情况，确定允许温度荷载，包括允许温降荷载和允许温升荷载，将步骤1)中各月平均温度荷载与允许温度荷载进行比较，得到不同时间不同部位需要消减的温度荷载增量。

3)根据允许温度荷载及需要消减的温度荷载增量，反算得到大坝每年不同时间不同部位允许温度值。根据允许温度荷载和实际大坝各月温度荷载情况，或需要消减的温度荷载增量，确定大坝不同时间不同部位允许温度值。如实际温度荷载在允许温度荷载范围内，则不需要对温度荷载或温度值进行控制。

4)根据不同时间不同部位需要控制达到的温度值和上游库水温度分布情况，并结合施工期保留的冷却水管布置情况，确定大坝通水温度和通水流量。施工期冷却水管必须部分保留，尤其是大坝中下游部位的冷却水管。

5)根据通水温度和上游库水温度分布情况，确定取水高程范围；

6)根据确定的取水高程范围进行通水，并通过控制进水水管流量，进行坝体温度控制。

在本实施例中，步骤1)中，年内各月平均温度荷载T_m＝T_m01～T_m12和T_d＝T_d01～T_d12，采用有限元方法计算并等效得到，所采用的等效公式为：

T_{m} = \frac{1}{L} {&Integral;}_{- L / 2}^{L / 2} T d x, T_{d} = \frac{12}{L^{2}} {&Integral;}_{- L / 2}^{L / 2} x T d x;

其中，T_m、T_d分别为温度荷载的平均温度和等效线性温差，L为坝体厚度，x为该点距厚度中心的距离，T为该点计算温度值。上述年内各月平均温度荷载也可采用其它方法计算并等效获得。

温度荷载也可采用公式求得，具体公式可参见《水工建筑物荷载设计规范》。

在本实施例中，步骤2)中，需要消减的温度荷载增量为：

ΔT_m＝T_m-T_m-per；ΔT_d＝T_d-T_d-per；

在本实施例中，该步骤3)具体包括：

T_{s u - p e r =} T_{m - p e r -} \frac{1}{2} T_{d - p e r}; T_{s d - p e r =} T_{m - p e r -} \frac{1}{2} T_{d - p e r};

其中，T_m-per、T_d-per为允许温度荷载；

在求得的大坝上、下游面允许温度值基础上，根据热学传导理论，采用有限元分析，得到大坝不同时间不同部位允许温度值。大坝不同时间不同部位允许温度值也可采用其它分析方法获得。

在本实施例中，该步骤4)具体包括：

根据坝体的设计体型、封拱温度、基岩温度、水库水位和水库水温、多年年均环境气温、光照条件，并结合施工期保留的冷却水管布置情况，采用不同的大坝通水温度和通水流量组合，采用有限元仿真分析方法，计算求得大坝温度场。大坝温度场也可采用其他分析方法求得。

在本实施例中，步骤4)中，施工期保留的冷却水管布置情况包括：上游冷却水管与中、下游冷却水管分开布置，便于运行期通水冷却减小温度荷载。

在本实施例中，步骤6)，采用自动控制装置，进行智能通水控制坝体温度，根据确定的取水高程范围进行通水包括：当取水部位高于冷却水管布置高程时进行自流通水，当取水部位低于冷却水管布置高程时进行抽水通水，从而实现减小温度荷载的目的。

在本实施例中，步骤6)具体包括：

大坝取水口确定后，在冷却水管进水口部位全部安装自动控制装置，根据大坝内部实际监测温度值，通过安装于冷却水管上的控制装置控制进水流量(流量调节)；

夏季控温区域温度偏高时，通较低温度的库水进行冷却；

冬季控温区域温度偏低时，通较高温度的库水进行升温；

春季和秋季温度处于允许温度范围内时，停止通水。

通过以上步骤1)至步骤6)，本发明采用控制大坝运行期年平均温度的方式减小温度荷载，进而减小温度应力，并配合封拱温度控制和表面温度控制，来改善大坝工作性态方式，防止坝体的温度裂缝，从而提高了结构安全性。

下面以一拱坝为例，对本发明进行实例说明：

实例：拱坝

步骤1，根据坝体的设计体型、封拱温度、基岩温度、水库水位和水库水温、多年年均环境气温、光照条件等，计算得到坝体一年12个月的平均温度荷载，该平均温度荷载以每月15日温度荷载代表。

拱坝体型如图2、3所示，坝高294.5m，最大底宽73.12m。图标号为：1、拱坝中心线；2、坝轴线；3、坝体上游轮廓线；4、坝体上游基岩开挖线；5、推力墩，6、拱冠梁中心线，7、诱导缝。

库水温度如图4所示，正常水位为1240m。

多年平均温度如图5所示。

计算得到的一年前6个月的平均温度荷载如图6所示，后6个月与前6个月相同，其中7月对应6月，8月对应5月，9月对应4月，10月对应3月，11月对应2月，12月对应1月，相对应的各月温度场相同，下面各步骤中均只考虑1～6月份做为代表。

步骤2，根据大坝实际情况，确定允许温度荷载，这里采用2月底3月初的温度荷载做为允许温降荷载，采用4月底5月初的温度荷载做为允许温升荷载，则允许温升荷载如图7所示。对比实际温度荷载和允许温度荷载情况，得到冬季1月份和夏季6月份需要消减的温度荷载，如图8所示。2月初和5月底的也需要进行消减，其余月份在允许温度荷载范围内，不需要进行消减控制。

步骤3，根据步骤2，采用温度场有限元分析方法，确定拱坝不同时间各部位的温度场，这里1月份、6月份温度值与步骤1中给出的温度场不同，2月初和5月底的也有不同，其余月份相同。

步骤4，根据不同时间不同部位需要控制达到的温度值和上游库水温度分布情况，并结合施工期保留的冷却水管布置情况，确定大坝通水温度和通水流量。具体地，根据坝体的设计体型、封拱温度、基岩温度、水库水位和水库水温、多年年均环境气温、光照条件等，并结合施工期保留的冷却水管布置情况，采用不同的大坝通水温度和通水流量组合，采用有限元仿真分析方法，计算得到大坝温度场。将该温度场与允许温度值进行比较，根据不同时间不同部位需要控制达到的温度值和上游库水温度分布情况，最后选择确定合适的通水温度和通水流量。

施工期冷却水管必须部分保留，尤其是大坝中下游部位的冷却水管。且在施工期布置冷却水管时，应采用上游冷却水管与中下游冷却水管分开的方式进行布置，便于运行期通水冷却减小温度荷载。某个坝段某高程平面冷却水管布置示意图如图9所示，图中标号81为上游冷却水管进出水口，标号82为中下游冷却水管进出水口。

步骤5，确定不同高程冷却水管的取水高程，1月份取水高程在960m高程，水温在18℃，6月份取水高程在1100m高程，水温在12℃；

步骤6，在冷却水管进水口部位全部安装自动控制装置，根据大坝内部实际监测温度值，控制进水流量。夏季控温区域温度偏高时，通较低温度的库水进行冷却；冬季控温区域温度偏低时，通较高温度的库水进行升温。春季和秋季温度处于允许温度范围内时，停止通水。

综上所述，本发明采用控制大坝运行期年平均温度的方式减小温度荷载，进而减小温度应力，并配合封拱温度控制和表面温度控制，来改善大坝工作性态方式，防止坝体的温度裂缝，从而提高了结构安全性。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims

1.一种混凝土拱坝温度荷载智能调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的混凝土拱坝温度荷载智能调节方法，其特征在于，所述步骤1中，年内各月平均温度荷载，采用有限元方法计算并等效得到，所采用的等效公式为：

T_{m} = \frac{1}{L} {&Integral;}_{- L / 2}^{L / 2} T d x, T_{d} = \frac{12}{L^{2}} {&Integral;}_{- L / 2}^{L / 2} x T d x;

3.根据权利要求1所述的混凝土拱坝温度荷载智能调节方法，其特征在于，所述步骤2中，需要消减的温度荷载增量为：

ΔT_m＝T_m-T_m-per；ΔT_d＝T_d-T_d-per；

4.根据权利要求1所述的混凝土拱坝温度荷载智能调节方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

T_{s u - p e r} = T_{m - p e r} - \frac{1}{2} T_{d - p e r}; T_{s d - p e r} = T_{m - p e r} - \frac{1}{2} T_{d - p e r};

其中，T_m-per、T_d-per为允许温度荷载；

5.根据权利要求1所述的混凝土拱坝温度荷载智能调节方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

6.根据权利要求1所述的混凝土拱坝温度荷载智能调节方法，其特征在于，所述步骤4中，施工期保留的冷却水管布置情况包括：上游冷却水管与中、下游冷却水管分开布置。

7.根据权利要求1所述的混凝土拱坝温度荷载智能调节方法，其特征在于，步骤6中，所述根据确定的取水高程范围进行通水包括：当取水部位高于冷却水管布置高程时进行自流通水，当取水部位低于冷却水管布置高程时进行抽水通水。

8.根据权利要求1所述的混凝土拱坝温度荷载智能调节方法，其特征在于，所述步骤6具体包括：

夏季控温区域温度偏高时，通较低温度的库水进行冷却；

冬季控温区域温度偏低时，通较高温度的库水进行升温；

春季和秋季温度处于允许温度范围内时，停止通水。