小灣水電站混凝土拱壩溫度裂縫分析

王淑平 段秀華

(1.太原理工天成電子信息技術有限公司，山西太原 030006; 2.太原市市政工程設計研究院，山西太原 030002)

0 引言

混凝土是一種由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而形成的非均質脆性材料。由于混凝土施工和本身變形、約束等一系列問題，硬化成型的混凝土中存在著眾多的微孔隙、氣穴和微裂縫。微裂縫通常是一種無害裂縫，但是在混凝土受到荷載、溫差等作用之后，微裂縫就會不斷的擴展和連通，最終形成我們肉眼可見的宏觀裂縫，也就是混凝土工程中常說的裂縫。

對混凝土拱壩而言，溫度荷載更是主要的荷載之一。最常見的是溫差引起的裂縫，溫度裂縫多發生在大體積混凝土表面或溫差變化較大地區的混凝土結構中。主要影響因素是水泥水化熱引起的混凝土內部和混凝土表面的溫差過大。世界各國因溫度裂縫的發生而導致拱壩失事和破壞的事例并不少見，大壩裂縫的發生和發展，不僅使大壩的安全穩定性受到影響，還增加了額外的處理投入，基于以上認識，本文參照有關大壩混凝土防裂理論，結合工程實際，提出相應的預防措施。

1 拱壩裂縫與控制

1.1 拱壩裂縫

理論和實踐都已表明[1-3]，溫度應力是混凝土拱壩產生裂縫的主要原因。因此研究溫度應力與混凝土拱壩裂縫產生之間的內在聯系、影響因素、溫度應力的控制措施，從而消除和控制混凝土拱壩裂縫，這是混凝土拱壩筑壩技術發展的關鍵因素之一，也是保證拱壩安全的必要手段。

1.2 工程概況

小灣水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，電站裝機容量為4 200 MW，壩高297 m，建成后為目前世界上最高的拱壩。壩頂高程1 245 m，壩頂弧長892.79 m，拱冠梁頂寬12 m，底寬72.91 m，采用通倉澆筑，基礎約束強，因此基礎溫差控制嚴格，為目前拱壩規范中最嚴格的標準。

另外壩址地形、地質條件復雜，施工場地狹窄，拱壩混凝土澆筑規模大、強度高，且對質量、溫控和外觀有很高的要求。

由于小灣地區高溫季節長，晝夜溫差比較大，且大壩混凝土標號高，因此對混凝土溫控防裂技術有很高的要求。嚴格控制混凝土的出機溫度、入倉溫度、澆筑溫度，加強混凝土一、二期冷卻及養護工作，將混凝土內部最高溫度控制在允許范圍之內，達到控制混凝土基礎溫差、上、下層溫差和內外溫差的目標，從而控制混凝土溫度應力，防止產生裂縫。

2 施工中的溫度應力與控制

2.1 溫度應力的計算

混凝土拱壩施工過程中，與溫度應力有關的三個特征值是:澆筑溫度Tp，混凝土的水化熱溫升Tr，最終穩定溫度Tf。施工中混凝土最高溫度為Tp+Tr，并且拱壩內溫差沿高度分布是不均勻的，也就是溫度應力是與澆筑塊長度有關。

此外，由于混凝土并不是理想彈性體，在常應力作用下，隨著時間的延長，應變不斷增加，即計算溫度應力時還應考慮混凝土徐變影響;而在應變保持不變時，混凝土中應力將隨時間延長而衰減，即還應將混凝土的應力松弛因素也計入溫度應力。

在考慮這些諸多因素后，文獻[1]建議基礎澆筑塊的最大溫度應力用式(1)計算:

其中，σT為澆筑塊最大水平正應力;Kp為考慮徐變影響的混凝土應力松弛系數;R為約束系數;kr為考慮早期升溫的折算系數;ε0為自生體積變形，膨脹為正，收縮為負;c為自生體積變形齡期影響系數;B為水化熱溫度應力系數;E為混凝土彈性模量;μ為泊松比;α為混凝土線膨脹系數。

2.2 施工中溫度應力控制

從式(1)可見，施工中溫度應力控制應從澆筑過程的兩個特征溫度Tp和Tr及約束系數入手，同時在混凝土本身物性上加以選擇控制。因為除兩個特征溫度外，式(1)中的系數基本都取決于混凝土的物理特性，但混凝土組成原材料的物性有時會受到生產條件限制，所以溫度應力控制還應從控制特征溫度方面采取措施。

混凝土拱壩是分層澆筑的，一般情況下，每一澆筑層為1.5 m～3.0 m厚，兩次澆筑層間隔5 d～15 d左右。當然，每一澆筑層在實際澆筑時，還要再分若干鋪筑薄層，逐層向上澆筑。這些澆筑層在澆筑過程中，其溫度是多種因素影響的。如果混凝土入倉溫度為T1，經平倉、振搗、鋪筑層澆筑完畢，上面覆蓋新混凝土時，下面原混凝土鋪筑層的溫度就是澆筑溫度Tp。其大小與混凝土入倉溫度、氣溫、日照及施工操作等有關，可按下式計算[1]:

其中，Tp為澆筑溫度;T1為入倉溫度;Ta為氣溫;T'為太陽輻射熱;β為表面放熱系數;φ1，φ2均為平倉前后的溫度系數。

式(2)中兩個溫度系數的確定，可根據經驗或施工過程中量測，或參考相應的文獻[1]。

由式(2)可得到降低澆筑溫度的基本方法，再結合施工經驗和操作，以達到控制澆筑溫度Tp的目的。

1)降低混凝土出倉溫度，具體方法有:預冷骨料、冷水拌料、地籠取料等。

2)減少混凝土運輸中的溫升，從溫升快慢來排序的話，依次是皮帶機運料溫升最快，其次是汽車運料，大型吊罐運料溫升最慢，可根據現場實際條件確定運輸混凝土料的方法。

3)加快澆筑速度，以減少澆筑過程中的溫升，力爭在最短時間內覆蓋新混凝土。

4)在加強施工管理的前提下，將全倉面平澆改成臺階式澆筑，盡量縮短混凝土層面的暴露時間。

5)在夏季澆筑混凝土時，應采用邊澆筑邊覆蓋保溫被的倉面隔熱措施。

6)在炎熱地區或盛夏季節，調整施工時間，盡量在夜間或陰天時澆筑，所以施工中掌握較準確的天氣預報是必要的。

7)夏季澆筑時，還可以向倉面噴霧或在倉面上搭建涼棚。

上述方法只是一些原則性作法，實際施工時應根據當地條件和以往積累的施工經驗，選擇更符合實際的降溫方法。

采取上述措施的目的，無非是使澆筑溫度符合要求，降低溫度應力，減少或消除裂縫。為此規定了小灣水電站拱壩各部位的溫控標準，施工中應參照執行。

此外，用數值模擬方法，對小灣拱壩全施工過程進行了三維有限元仿真計算，給出了封拱前的豎向應力變化值[4]，施工中可以參考。當然，仿真計算得到的是最終殘留應力值，施工中的最大應力值應比計算值為高，使用時注意。

要降低水化熱溫升，可以用減少水泥用量的方法:

1)加摻合料——粉煤灰。

在規范范圍內最大限度的發揮了粉煤灰的良好性能，降低混凝土的水化熱。據有關文獻，粉煤灰摻量20%，可以降低水化熱10%～25%。

2)采用天然骨料、大骨料。

用四級配的天然骨料取代了人工骨料。根據經驗，采用天然骨料混凝土比采用人工碎石的混凝土可以節約水泥用量10%左右。

3 結語

由溫度應力產生的裂縫一般是不可避免的，但是只要把溫度應力控制在規范允許的范圍之內，就可以減少大的裂縫的出現。控制溫度應力一般是現場進行溫控。在澆筑混凝土時，采用溫度傳感片和測溫儀，從澆筑開始測溫，并及時抹壓和保溫保濕養護。澆筑完后根據溫控指標，及時調整保溫保濕養護條件。

溫度影響系數受多種因素影響，其中溫度、濕度、散熱界面(土、空氣等)，初凝時間、風速、溫差等影響較大，特別是風速和溫差較大時，溫度影響系數則大大降低，最高溫升也將降低，但為防止降溫過快，形成大的溫度梯度，夏季選用蓄水養護，秋冬季加蓋草袋、海綿，如果工地氣候具有風大、干燥特征，拆模后應及時采取防風，保溫措施，并及時回填土。

小灣拱壩作為高拱壩，其溫控防裂是保證壩體正常施工和安全運行的重要措施。無論在施工期和運行期，溫度荷載都是引起壩體開裂及裂縫擴展的重要原因。本文提出的預防溫度裂縫的措施可供施工和運行時參考。

[1]朱伯芳.拱壩設計與研究[M].北京:中國水利電力出版社，2002.

[2]黎展眉.普定碾壓混凝土拱壩裂縫成因探討[J].水利發電學報，2001(1):96-102.

[3]李春貴.泰順仙居水電站混凝土拱壩施工中的溫控及防裂措施[J].浙江水利科技，2003(4):60-69.

[4]王樹和，朱伯芳.小灣拱壩封拱以前溫度應力仿真計算[D].北京:中國水利水電科學研究院，2000:37-38.