1.中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222；
摘要：某工程位于严寒地区，气候条件恶劣，夏季酷热，多风少雨，蒸发量极大，冬季严寒。经计算，库底水温度较低，又因为坝体采用上下游喷涂聚氨酯保温，坝体温度难以散发出去，造成坝体长期处于高温区，相应的底孔及引水钢管过流时，低温库水与高温坝体温差大，极易引起冷激问题，使得坝体产生过大温度应力，超过坝体混凝土抗拉强度，产生裂缝。本文对碾压混凝土大坝过流孔洞进行了设计，并提出了适合本工程合理设计方案，在保证大坝质量的情况下，节约投资，方便施工。
关键词：碾压混凝土重力坝；严寒地区；过流孔洞；冷激
1 概述
某水库工程大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高75.5m。大坝设有溢流表孔、泄水底孔、发电引水压力钢管、电梯井坝段及纵横向廊道，结构复杂。泄水底孔尺寸为3×4m，底高程为976.0m；压力引水钢管管径4.5m，进口底高程979.0m。
坝址区地处位于严寒地区，气候条件恶劣，夏季酷热，多风少雨，蒸发量极大，冬季严寒。
2过流孔洞设计
2.1 坝体过流冷激问题及防范设计
严寒地区混凝土坝体设置过流孔洞时，由于坝体混凝土温度高，而水流温度相对较低，造成混凝土内外温差过大，混凝土在温度荷载的作用下产生较大的拉应力，导致坝体混凝土出现环状裂缝，如果裂至廊道部位，水流将会沿着裂缝进入坝体，造成坝体渗漏，坝体结构失稳，极易出现漏坝、塌坝事故，危及整个工程安全。
因此，在过流孔洞设计时，采用如下设计方案：孔壁迎水面采用钢板护衬，钢板壁厚6mm，采用10cm肋板加固，钢板背水侧喷涂硬质聚氨酯泡沫5cm作为保温隔热材料。
2.2 坝体温度场
大坝碾压混凝土温控设计采用上游面喷涂10cm聚氨酯、下游采用8cm聚氨酯进行坝体保温。因为保温层随着坝体浇筑升高同时施工，造成坝体混凝土内部温度散热途径只有层面及冷却水降温，散热效率极低，造成混凝土坝内部温度过高。本枢纽工程经过坝体温度场计算，大坝建成后坝体温度场如图1所示。
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图1 坝体建成后温度场
2.3库水温计算
坝址工程区最高气温40.9℃，最低气温-42.0℃，最大温差达到82.9℃，月平均气温分布不均，1月份月平均气温最低-15.3℃，7月份月平均气温最高20.2℃，相差较大。蒸发量多年平均1571.8mm；最大风速17.3m/s，冻土最大深度239cm。
坝址区各月气温、降水量统计见表1，4～10月份水温统计见表2。
表1坝址区平均气温和降水量统计表
表24～10月份水温统计表单位：℃
2.4孔洞周围温度应力计算
2.4.1温度应力控制
允许拉应力计算公式为：[σ]=Eεt/K，式中 E为混凝土弹性模量，εt为极限拉伸，K为安全系数。E和εt都与混凝土龄期有关，对于后期混凝土均按龄期90d计算，取K=1.4。常态混凝土极限拉伸值取0.85e-4，碾压混凝土极限拉伸值取0.7e-4。
C25常态混凝土允许拉应力为：
[σ]=Eεt/K=25.5e9×0.85e-4/1.4=1.548MPa
2.4.2计算边界条件
（1）计算选用有限元分析软件ANSYS，进行热—结构耦合分析，计算坝体过流孔洞受过流冷激的影响。孔内过水温度取5.0℃，坝体内部温度取30.0℃，则温差为25.0℃。
建立孔洞的三维有限元模型，为避免周边约束对孔洞计算结果的影响，边界左右两侧采用水平向约束，上下两侧采用铅垂向约束。
（2）计算参数
计算模型中，孔洞周围混凝土强度标号C25，主要物理力学参数值见表4，水、混凝土主要热力学参数值见表5，聚氨酯硬质泡沫材料参数值见表6。
表4C25混凝材料主要物理力学参数值
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（3）计算工况及结果
为研究过水孔洞受过水冷激温度应力分布，按不喷涂隔热材料和喷涂隔热材料分别计算过，计算结果如下：
（1）不喷涂隔热材料，应力主要由温度场通水后降低产生，温度相差越大，通水时温度场变化产生的应力也越大。从结果表可见，孔洞周围混凝土在通水时会产生很大的温降荷载及环向应力，结构全断面受拉且超过混凝土温度应力允许值应力，计算结果见表7。
（2）喷涂隔热材料，隔热材料会阻止热量传递，隔绝过流冷水与混凝土，不会产生较大的温降荷载，环向应力在混凝土允许温度应力内。应力计算结果见表7，环向应力见图2。
表7 环向应力计算结果表（MPa）
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图2 环向应力图（喷涂隔热材料；Pa）
3．结论及建议
本文通过热-结构耦合方式，计算出严寒地区过流孔洞过流冷激时，不喷涂隔热材料时，运行期过流孔洞内外侧因混凝土温度与通水温度之间温差，产生超过混凝土允许的温度拉应力，极易造成裂缝。喷涂隔热材料后，能有效阻止热量传递，产生较小的环向应力，保证了工程的安全运行，对严寒地区同类工程设计有一定的借鉴意义。
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作者简介：
计海力：（1985-）男中水北方勘测设计研究有限责任公司工程师 300222 天津市河西区洞庭路60号