碾壓混凝土壩陡坡壩段施工期溫控防裂研究

邢坦 胡文才 王振紅

摘?要：與常態混凝土壩相比，碾壓混凝土壩溫控防裂措施相對簡單，但在氣候干燥、溫差較大和太陽輻射強的西藏高海拔地區建設碾壓混凝土壩將面臨著較大的溫控壓力。針對這一問題，把常態混凝土壩溫控防裂的思路和方法應用于碾壓混凝土壩的溫控防裂，經過方案的優化組合和仿真計算，得到適合高海拔地區大壩施工期溫控防裂的目的。該方法以西藏地區某陡坡壩段為例，用三維有限單元法研究其溫控情況，篩選出實時合理的溫控防裂措施，實際應用效果良好。該方法和措施對類似地區同類工程的建設具有重要指導意義。

關鍵詞：重力壩;碾壓混凝土;溫控防裂;澆筑溫度;水管冷卻

中圖分類號：TV315?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.028

Abstract：Compared to the normal concrete dam， temperature control methods for cracking prevention of roller compacted concrete （RCC） dam are quite simpler， however， great challenges still exist for the dam construction in Tibetan area with high altitude， dry climate， large daily temperature difference and intense solar radiation. Based on the temperature control methods applied for normal concrete dams， an optimized temperature control and cracking prevention for RCC dams at high altitude areas was proposed. A steep slope dam segment in Tibet was taken as an example to verify the optimized method. Three-dimensional finite element method was employed to investigate the cracking sensitivities of dam segment under different temperature control methods and suitable temperature control measures were recommended and applied for actual dam construction. The effectiveness of these methods had been confirmed by the on-site inspection. The method and measures have important guiding significance for the similar projects in similar areas.

Key words： gravity dam; roller compacted concrete; temperature control and crack prevention; casting temperature; water pipe cooling

1?前?言

從美國的胡佛大壩開始，如何防止混凝土壩裂縫的產生已受到工程建設者的重視，并做了大量工作防止裂縫產生，特別是防止溫度裂縫的產生[1-2]，取得了不少成就[3-6]，胡佛大壩的水管冷卻技術至今仍然被廣泛應用。但到目前為止，國內外的混凝土壩依然會或多或少地產生裂縫[7-9]，危害性裂縫影響結構的承載力、防水性、耐久性和使用壽命，而且裂縫的處理將是一件既費時又耗資的事。施工前做好混凝土裂縫的預防對于確保工程質量非常重要[10-11]。

隨著科學技術的發展，碾壓混凝土壩越來越被廣泛采用，因其良好的性能和經濟的投資得到了大家的青睞[12-14]。隨著工程建設者要求的提高，碾壓混凝土中水泥摻量越來越多，摻合料也越來越多，不同部位的混凝土配合比差距比較明顯，而簡單的施工方法和簡化的溫控措施是建設者所期望的。在高海拔地區筑壩面臨惡劣的自然環境、多樣的氣候條件和艱苦的施工環境[15]，仿真計算的溫度邊界條件與內地工程有所不同，其溫控措施和標準將不僅局限于“簡化溫控措施”，需要更加合理、靈活的溫控措施來指導施工。鑒于此，筆者以高原地區街需碾壓混凝土壩陡坡段為研究對象，研究其施工階段為避免裂縫產生所需的溫控防裂措施和標準，特別是在通水冷卻方面。

2?碾壓混凝土壩陡坡段溫控方案研究

2.1?工程概況

街需水電站是雅魯藏布江中游桑日縣至加查縣峽谷段的第3級電站，工程的開發任務為發電，水庫正常蓄水位為3 374 m，相應庫容為4 748萬m3，調節庫容為985萬m3。電站裝機容量為560 MW，保證出力152 MW，多年平均發電量為27.556億kW·h。水電站大壩為混凝土重力壩，最大壩高117.0 m，最大底寬99.8 m，壩體混凝土總方量約164萬m3。大壩位于高海拔地區，氣候干燥，日溫差大，太陽輻射強，大壩結構復雜，全年施工，施工條件復雜，溫控防裂難度大。根據大壩混凝土配合比，試驗得出的混凝土熱力學性能參數見表1。

2.2?計算模型

建立模型時，為了反映環境氣溫的影響，混凝土結構表面單元劃分相對密些，在高度方向，單元厚度設置考慮澆筑層厚。溫度場計算時，地基底面、四周和壩體側面設置為絕熱邊界，壩體頂面、上下游面和澆筑層面為第三類邊界條件，考慮太陽輻射的影響。應力場計算時，地基底面視為固定，四周側面設置為連桿支撐，其他邊界面均為自由變形面。網格剖分時采用空間六面體等參單元模型。計算模型和特征點布置如圖1所示。

2.3?計算方案

碾壓混凝土大壩的施工措施和常態混凝土大壩有所不同，溫控防裂措施也略有差別。為了防止混凝土溫度裂縫產生，更好地保證工程質量，結合工程實際情況，優選合理的溫控防裂措施。控制澆筑溫度、進行通水冷卻是大體積混凝土常用的溫控防裂方法，具有很好的溫控效果，但是過猶不及，措施過度也會產生負面影響。鑒于此，結合大壩的基本特征，從澆筑溫度、冷卻方式、水管布置形式、冷卻水溫、目標溫度等方面進行組合，篩選最優方案。在初擬方案的基礎上，這里又列出了4個方案進行對比分析，見表2。

2.3.1?增加中期冷卻和加密水管

增設中期冷卻和加密基礎約束區冷卻水管對壩體混凝土溫度和應力有重要影響。方案1和方案2比較發現，兩個方案的差異在于有無中冷和基礎強約束區水管間距不同。從表3和圖2～圖5可知：

（1）只進行初期通水可以削減溫度峰值，但是通水過后混凝土會有較大的溫度反彈，基礎約束區溫升達到0.5 ℃;初期冷卻結束后，混凝土內部溫度自然降低，降溫緩慢;碾壓混凝土重力壩施工期通水冷卻時間短，在施工期不會達到穩定溫度，在給定準確溫度邊界條件下，仿真計算最后一步結果達到穩定溫度場。

（2）溫度和應力的中面包絡圖顯示，夏季強約束區澆筑混凝土，溫控措施嚴格，最高溫度基本在控制范圍內，溫控措施相對寬松的非約束區混凝土最高溫度相對較高;由于是陡坡壩段，斜坡上的約束強、范圍較大，因此其應力值和范圍也偏大。

（3）早期降溫幅度小，應力較小，安全系數較大;后期降低到穩定溫度場時，混凝土的應力超過運行拉應力，最大應力達到2.09 MPa，安全系數只有1.34，存在較大開裂可能。

（4）減小水管間距，對最高溫度影響較大，水管間距由1.5 m×1.5 m變為1.5 m×1.0 m后，基礎約束區最高溫度由27.19 ℃變為25.98 ℃，降低了1.21 ℃。

（5）增加中期冷卻，降低了后期的溫降幅度，減小了后期應力。不設中冷時，強約束區最大應力為2.09 MPa，安全系數只有1.34，增加中期冷卻后，強約束區最大應力降低為1.54 MPa，安全系數增大到1.82。雖然早期應力有所增大，但依然在允許應力范圍內，安全系數大于2。

可見，對碾壓混凝土而言，降低最高溫度、縮小基礎溫差、盡早冷卻能達到較好的溫控效果。

2.3.2?降低澆筑溫度

不同澆筑溫度對陡坡壩體溫度應力有重要影響。從表4和圖6、圖7可知：

（1）當強約束區澆筑層厚1.5 m，夏季澆筑的強約束區混凝土澆筑溫度分別為15、13 ℃時，澆筑溫度每降低2 ℃，壩體混凝土最高溫度降低約1.13 ℃，最大應力相應降低0.06～0.07 MPa，抗裂安全系數分別為1.82和1.89。

（2）在相同的溫控措施下，澆筑溫度降低引起最高溫度降低，使得混凝土整體應力降低，安全系數升高。

2.3.3?控制降溫速率

考慮到早期降溫過快會導致早期應力增大，對早期溫降過程進行控制，研究其對溫度和應力的影響效果。1#特征點在3 284 m高程處，下同。從表5和圖8、圖9可知：

（1）將中冷水溫由12 ℃升高到15 ℃，目標溫度由15 ℃調整為16 ℃時，澆筑倉內最高溫度不受影響，強約束區最高溫度基本為24.85 ℃

（2）早期最大順河向應力由0.73 MPa降低到0.56 MPa，安全系數由2.56增大到3.33;后期最大順河向應力由1.48 MPa增大到1.56 MPa，安全系數由1.89降低到1.79。

2.3.4?增大水管間距

在方案3滿足溫控防裂的基礎上，探討經濟合理的溫控措施。從放寬冷卻水管間距角度出發，研究其對壩體混凝土溫度和溫度應力場的影響。由表6和圖10、圖11可知：將水管間距由1.5 m×1.0 m改為1.5 m×1.5 m時，混凝土內最高溫度由24.85 ℃升高到26.05 ℃，相差1.2 ℃;最大順河向應力由1.48 MPa增大到1.61 MPa，安全系數由1.89降低到1.74。

3?陡坡壩段溫控措施和標準

施工期的混凝土溫度發展，不僅要防止溫度過高，也要防止溫度過低影響混凝土材料性能，在時間上要控制其發展過程，避免過快的溫降速率產生較大的冷縮現象。同時，空間上也要防止較大的溫度梯度發生，避免因溫度變化不協調而相互約束產生裂縫。根據計算結果，在空間上也根據約束情況進行了相應分區，不同的分區采用不同的溫控標準和措施，既滿足防裂需求，又經濟合理。陡坡壩段溫控措施空間分布模式如圖12所示。

3.1?允許澆筑溫度

根據大壩碾壓混凝土的材料參數性能，混凝土澆筑溫度設定為（月平均氣溫+3） ℃，但冬季不得低于6 ℃，夏季強約束不高于13 ℃，弱約束區不高于14 ℃，自由區不高于16 ℃，運行澆筑溫度情況見表7。

3.2?水管冷卻模式

（1）水管布置。大壩基礎強約束區水管布置為1.5 m×1.5 m（水平×豎直）方式，弱約束區和自由區混凝土水管布置為1.5 m×2.0 m（水平×豎直）。

（2）一期冷卻。混凝土下料澆筑即可開始一期通水冷卻，冷卻時間20 d左右。前10 d水溫為10～12 ℃，流量為1.5～2.5 m3/h，11～20 d水溫為12 ℃，流量為0.8～1.2 m3/h。每24 d改變一次通水方向，同時要求最高溫度峰值過后最大日降溫速率≤0.5 ℃/d，通水溫度與混凝土溫度相差不大于20 ℃。

一期冷卻控溫的目標是削減混凝土溫度峰值，混凝土最高溫度應滿足要求，一期冷卻結束時混凝土溫度在20 ℃左右，一冷降溫幅度不大于8 ℃。一冷結束后進行控溫，控溫時間為30～60 d。

（3）中期冷卻。為了防止一期冷卻結束后混凝土溫度回升，減小后期的溫降，實現混凝土“小溫差、慢冷卻、早保護”的溫控理念，一冷結束后應進行必要的控溫，高溫季節澆筑的混凝土入冬前進行必要的大面積中期降溫。

中期通水水溫為12～15 ℃，通水流量為0.6～1.0 m3/h，最大日降溫速率≤0.3 ℃/d，保持混凝土溫度緩慢降到15～16 ℃。

通水水溫與混凝土內部溫度之差不超過15 ℃。中期通水前通過悶溫測出壩體溫度，復核并保證通水水溫滿足水溫與混凝土的溫差要求。

3.3?最高溫度控制

考慮碾壓混凝土的一般溫控措施和有限元三維仿真計算結果，并結合工程實際情況，擬定允許最高溫度見表8。

4?結?語

（1）重力壩的陡坡壩段基礎約束面大，壩體受地基約束明顯，再加上現在的碾壓混凝土水泥和摻和料越來越多，混凝土溫度越來越高，溫升越來越快，溫控措施應更為嚴格。冷卻水管、控制澆筑溫度是防止裂縫產生的重要手段，通過加密冷卻水管和降低澆筑溫度可以很好地降低基礎溫差。

（2）不同于傳統的通水冷卻降溫方式，中期冷卻可防止混凝土溫度反彈，降低后期溫降幅度，減小溫降應力，使得“小溫差、慢冷卻、早保護”的溫控理念在碾壓混凝土壩中實現。

（3）對高原地區的街需碾壓混凝土壩陡坡段進行溫控研究，應結合工程實際進行跟蹤反饋，以期對類似工程發揮更好的參考價值。

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【責任編輯?張?帥】