簡述高寒高海拔特殊氣候條件下大壩碾壓混凝土施工技術

特來提·艾尼瓦

(塔里木河流域干流管理局，新疆 阿拉爾 843300)

1 概 述

混凝土壩裂縫長期以來是一種非常普遍的現象[1]，國內外許多專家學者致力于解決混凝土裂縫問題。施工過程中，完全防止裂縫的產生是很困難的，主要原因是缺乏對混凝土材料特性的深入了解、工程設計的安全裕度不足、成因機制不完善等[2]。因此，裂縫問題仍然是大壩建設中的一個關鍵問題。高海拔地區的基本氣候特征是干燥的氣候、顯著的日溫差和強烈的太陽輻射，在這些地區防止裂縫的形成比在溫暖潮濕的低空地區修建混凝土壩更為困難。因此，本文采用三維有限元法，以新疆某混凝土重力壩為例，結合大壩一般裂縫形成機理和成因，通過方案的優化、比較、分析，選擇科學、合理、操作性強的溫控措施和方法，指導大壩設計和施工[3]。

2 研究區概況以及溫控防裂難點

布侖口公格爾水電站地處海拔3 300 m的新疆帕米爾高原公格爾峰下，位于蓋孜河流域，它是喀什噶爾河水系的第二大河。克孜勒蘇柯爾克孜自治州所在的帕米爾高原是新疆南部的主要水源地之一，境內7條主要河流年平均徑流超過140×108m3，是克州和喀什地區共同受益的綜合利用水利水電工程。壩頂總長340 m，最大壩高117.0 m，壩基最大寬度99.8 m，壩段最大寬度32.5 m，大壩分為14個壩段。對重力壩資料的分析研究表明，重力壩具有以下特點和難點：材料性能對溫度控制有不利影響；絕熱溫升高，熱膨脹系數大。同時，重力壩的彈性模量和極限抗拉強度也沒有優勢。因此，該重力壩溫控防裂難度較大。

3 溫控防裂方案

在惡劣的環境條件和氣候條件下，采用混凝土材料降低溫度應力的主要方法是控制壩基溫度、上層和下層溫度、內外壩溫度的差異。基于這3個方面，提出重力壩的整體溫度控制概念：①根據強約束、弱約束和自由區，在空間高程方面制定溫度控制標準和措施；②對地基溫度差異的控制；加強強約束區；③加強溫度梯度的控制；④降低澆注溫度和最高溫度；⑤有效保護表面保護。

此外，內外溫差減小。根據這一概念，開發了4種溫度控制方案，這些方案的區別主要體現在澆注溫度和同時冷卻區的高度上。

3.1 混凝土配合比及參數化模型

大壩混凝土配合比見表1，混凝土的熱力學參數見表2。

表1 大壩混凝土配合比

表2 混凝土熱力學參數

從表2中可以看出，混凝土的熱膨脹系數偏大，對溫控防裂有不利影響。絕熱溫升和彈性模量是兩個最重要的熱力學參數，式(1)和式(2)是進行模擬計算時使用的計算參數模型。

絕熱溫升模型：

(1)

彈性模量模型：

E(τ)=28.6×(1-e-0.33×τ0.334)

(2)

3.2 計算模型和邊界條件

采用三維有限元法進行模擬計算，計算模型單元數為60 744個，節點數為71 049個，主要包括壩體本身和壩基下一定范圍的基礎。由于與氣溫或水溫接觸，混凝土表面的溫度梯度較大，因此網格劃分相對較細，內部網格較差，劃分網格時采用空間六面體等參元。在計算溫度場時，壩的上游和下游面是第三類邊界；通過考慮局部溫度和太陽輻射，將是蓄水后的第一類邊界，即具有相應海拔的水庫水溫。作為實際基礎無限大，應考慮基礎模型的周圍和底部是絕熱邊界，上表面是第三類邊界條件，應考慮空氣溫度和太陽輻射。在進行計算時，結合工程實際情況，地基底部為三維約束，基礎周圍為正常約束，其他結構的邊界面為自由變形面。三維有限元計算模型見圖1，模型計算邊界條件見圖2。

圖1 三維有限元計算模型

圖2 計算模型的邊界條件

3.3 溫度控制措施的時間優化

為了優化溫控措施，混凝土的溫度變化主要應在混凝土硬化發展過程中或及時進行控制，使混凝土能夠按照設定的溫度變化過程進行開發。可采取保溫措施，限制混凝土內外溫度差，減少混凝土附近環境溫度變化的影響。水管的措施可以降低內部溫度，以限制地基溫度、內部溫度和外部溫度的差異。冷卻過程也可分為3個冷卻階段。每個相都有一個模水溫、流速和冷卻速率，以滿足理想冷卻過程的需要。從圖3可以看出，混凝土的溫度變化過程是嚴格控制的。分為3個階段，每個階段對目標溫度和冷卻速度有嚴格的要求，實現了混凝土的緩慢冷卻，保證了隨時間變化的較小溫度梯度，防止裂縫的產生。

圖3 混凝土溫度變化的控制過程

3.4 大壩溫控措施的空間優化

在空間優化溫度控制措施中，混凝土的溫度變化主要可控制在結構空間，特別是在基礎約束區混凝土和高溫季節澆筑的混凝土。控制限制了基礎和上層、下層引起的約束，以降低溫度應力：①降低基礎約束區的澆注溫度，冷卻水管的加密，最高溫度的控制，以及地基溫度差的限制；②同時冷卻區的設置和上下層溫度下溫差的降低。隨著混凝土向高方向澆筑，通過控制各層的冷卻方式，協調各層的冷卻過程，進而控制高方向混凝土的溫度梯度，降低混凝土之間的相互約束，最終，減少開裂的風險。

3.5 不同溫控措施的效果比較

溫度控制措施可以在時間上進行優化，產生效果顯著。計算結果表明，在3級水管冷卻條件下，混凝土的溫度變化是穩定的，防止了混凝土早期應力隨溫度的快速下降而超標。此外，還可以避免隨后由于顯著的溫度下降而引起的過度應力。考慮到第一階段和中期的強烈冷卻效果，第二階段的冷卻時間應適當延遲，防止最大應力的出現，以強調混凝土的蠕變效應，減少隨后在該過程中經歷的應力(從1.49 MPa到1.40 MPa)。同時，混凝土強度不斷提高，相應地混凝土的安全系數也顯著提高。見圖4和圖5。

圖4 不同方案下典型特征點的溫度/過程時間曲線

圖5 不同方案下典型特征點的應力/過程時間曲線

溫度控制措施可根據空間分布進行優化，顯著降低應力。由計算結果(圖5)可知，同時冷卻區的最大高度為27 m，3個灌漿區可從中期冷卻開始同時冷卻。此外，由于上下灌漿區之間的溫差較小，且同時變形，對混凝土的限制相對較小，最大應力達1.40 MPa。從二期冷卻開始，同時冷卻區的高度達到18 m，強約束區的最大應力增加至1.48 MPa。如果同時冷卻區高度達到18 m，且從中期冷卻開始溫度下降，則最大應力為1.49 MPa。方案1和方案3明顯優于方案2。

基于時空優化的溫控措施，可以降低澆注溫度，降低最高溫度。因此，應在允許的工程條件下降低澆注溫度，以有效地控制溫度，防止裂縫的形成(方案1和方案2的比較)。

4 結 論

1)考慮到高海拔地區的基本氣候特征，混凝土壩的溫控防裂措施難以實施。此外，大壩的尺寸、體型和結構與其他大壩相似，但大壩混凝土的材料性質與其他大壩混凝土有很大不同。雖然彈性模量參數適中，但絕熱溫升和熱膨脹系數較大，因此大壩混凝土的材料參數對抗裂措施不利。

2)根據研究結果，在施工過程中應按照“早保溫、小溫差、慢冷卻”的原則進行溫度控制，并在空間和時間上優化溫控措施。基礎溫度、上層和下層溫度以及內部和外部溫度的差異也應減少。

3)智能供水系統有助于溫度下降過程的合理化和優化。根據實時測得的溫度，對所需流量進行反饋、計算、調整，方便自動干預冷卻水供應，使溫度得到有效控制。建議大壩在施工過程中采取智能化供水降溫措施。