高寒區混凝土壩溫度場和應力場時空演化規律研究

韓小妹，朱 峰，范瑞朋

(水利部水利水電規劃設計總院，北京 100120)

1 概述

我國高寒區混凝土壩在低溫防裂方面取得了巨大成就，很多大壩僅出現細微裂縫，甚至無裂縫，大壩耐久性和安全性大大提高。本文根據已經蓄水的觀音閣、ZM、KLSK、豐滿、DG等重力壩，石門子、拉西瓦、BEJSK等拱壩[1- 3]溫控監測數據和研究分析成果，總結出高寒區混凝土壩溫度場和應力場時空演化規律，有助于設定合理的溫控標準，制定合理的溫控措施，加強溫控施工關鍵環節的執行力度，防止高寒區混凝土壩裂縫發生。

2 溫度場分布

2.1 溫度監測結果分析

高寒區混凝土重力壩和拱壩都在不同高程、不同部位埋設了溫度計，不同工程、不同高程、不同部位的溫度計監測數據規律具有良好一致性，能良好反映出混凝土壩從施工期至蓄水后運行的溫度狀態。 隨著智能儀器發展，已建的DG重力壩、在建的葉巴灘拱壩采用了智能溫控儀器，能動態監測、分析與控制混凝土壩的溫度和溫差。通過高寒區混凝土壩的溫度監測結果，得出混凝土壩溫度場分布及規律。

2.1.1建基面基巖溫度變化情況

建基面基巖溫度受混凝土澆筑初期水化熱和庫水溫影響大，逐漸趨近于穩定溫度。根據KLSK[4]、豐滿[5]、三河口[6]等大壩基巖溫度計監測成果，在壩體混凝土澆筑后，受混凝土水化熱的影響，基巖內溫度迅速升高，基巖深處溫度變化幅度較平緩，靠近混凝土建基面受外界環境溫度變化明顯，越接近基巖面處升溫越快，之后溫度慢慢下降。蓄水后基巖溫度主要受庫水溫、滲透壓力、深層基巖地溫及該壩段的結構尺寸影響。

2.1.2不同階段溫度場溫度變化情況

高寒區壩內混凝土溫度場一般分為水化熱階段、2次升溫或降溫階段、平穩階段3個階段。

混凝土澆筑后，因水化熱原因混凝土溫度呈現逐步升高現象，基本經歷4～7d后，溫度快速達到峰值。隨著混凝土水化熱的減弱、壩體散熱等原因，溫度緩慢上升。由于受上層新澆混凝土的影響，下層混凝土會發生溫度倒灌，出現2次升溫的現象。如果混凝土分層澆筑較快，還可能出現3次，甚至4次升溫現象。2次升溫現象還與混凝土的粉煤灰含量、水分含量、骨料有關。在2次升溫階段，通過采取通水冷卻和保溫隔熱、隔濕等溫控措施，混凝土溫度達到第2個溫升峰值后，進入穩定的下降階段。混凝土溫度場典型過程線如圖1所示。

圖1 觀音閣重力壩施工期碾壓混凝土溫度過程線[7]

通水冷卻和保溫隔熱有利于降低混凝土最高溫度。當高溫季節混凝土澆筑之后開始通水冷卻，混凝土溫度先快速上升，達到第1個溫度峰值后，DG、ZM等重力壩加強通水冷卻后，混凝土溫度不出現2次升溫現象，溫度緩慢下降，期間趨勢有所停滯甚至出現波動狀況，但總體仍處于緩慢降溫階段，逐漸趨近穩定溫度。高溫季節澆筑的混凝土通常進行多期通水，有利于控制混凝土溫度，見表1。一期通水控制混凝土最高溫度；中期通水防止混凝土出現2次升溫，確保混凝土溫度緩慢下降；二期通水冷卻后，壩體溫度逐漸下降，達到穩定溫度和接縫灌漿溫度。

表1 BEJSK拱壩通水后壩體溫度監測成果表

2.1.3壩表面溫度易受外界氣溫影響

如果混凝土大壩表面未進行保溫或者保溫措施不到位，大壩表面溫度將隨外界氣溫變化而變化，三河口大壩512m高程壩面溫度典型溫度計和月平均氣溫對比過程線如圖2所示。壩體表面溫度初期受水化熱影響明顯，后期受外界氣溫影響明顯，后期溫度變幅小于氣溫變幅。因此高溫季節應及時對混凝土進行水管冷卻養護，低溫季節需要對大壩表面進行表面保溫，降低受外界氣溫的影響。

圖2 三河口大壩512m高程壩面溫度典型溫度計和月平均氣溫對比過程線圖

高寒區混凝土越冬層面覆蓋保溫層后，外界氣溫的最低溫度和混凝土表面最低溫度溫差大，如BEJSK混凝土壩可達到33.5℃，見表2。

表2 BEJSK混凝土壩越冬保溫實測溫度匯總表

因此需要重視高寒區混凝土大壩來年開春保溫被的揭開時間，當寒潮來臨時，需要及時覆蓋保溫被。KLSK混凝土壩越冬層表面保溫被揭開的時間一般在4月上旬，外界環境氣溫在6℃以上，越冬層表面溫度在12.5℃以上，與越冬層面表面溫差控制在10℃以內，揭開保溫被1d之后，越冬層表面溫度降低到5.6℃，相關數據見表3。

表3 KLSK大壩4個壩段保溫前后越冬層表面溫度統計

2.1.4壩體內外溫差容易大

由KLSK、豐滿重力壩典型壩段實測溫度曲線得出，壩體表面溫度受外界氣溫影響敏感，而壩體腹心內部溫度受水泥水化熱作用高于上下游壩面，最大內外溫差達到10～15℃。由于腹心部位的壩體溫度較高，整個壩體溫度場以壩體腹心為中心，向壩體四周輻射狀分布。

KLSK大壩越冬層表面溫差匯總見表4。由表4可以看出，2007年和2008年越冬層內外溫差和上下層溫差基本滿足溫控標準；2008年越冬層因受各種因素的影響，導致29#壩段壩體內部腹心溫度較高，與越冬層面的溫差略微超過了內外溫差的控制標準，但超出的量值不大。在新混凝土開澆前，揭開保溫被，用高壓水槍清洗，越冬層面未發現表面裂縫。

表4 KLSK大壩典型壩段越冬層表面溫差統計表

2.1.5施工期高溫季節未保溫的壩體和壩面溫度隨高程增長而增加

大壩處于河谷內，兩岸山體遮擋光線，大壩各處光照時間不同，一般靠近壩頂處壩體和壩面受日照時間相對較長，因此高溫季節靠壩頂處混凝土溫度相對較高，靠近壩基的壩體溫度較低。2020年9月2日，三河口拱壩未覆蓋保溫層的壩體和上下游表面平均溫度沿高程呈現正相關分布關系，如圖3所示，各高程平均溫度在14～26℃。

圖3 三河口拱壩未覆蓋保溫層的壩體和壩面蓄水前沿高程分布平均溫度分布圖

2.1.6蓄水后壩體上游面和壩體溫度受庫水溫度影響明顯

由觀音閣重力壩、KLSK重力壩、拉西瓦拱壩溫度監測數據得出，壩體表面溫度計在蓄水以前主要受外界氣溫影響，隨著蓄水位上升，上游壩面溫度主要受壩前庫水溫度影響，水越深，壩體溫度變幅越小；下游壩面溫度由外界氣溫控制，冬、春季節，壩體下游表層溫度低于內部溫度，夏秋季節則高于內部溫度；壩體內部溫度介于上游壩面溫度和下游壩面溫度之間，壩體內部溫度變化的時間比壩體滲壓計水位變化滯后。截止2014年12月，拉西瓦拱壩壩體中部溫度隨部位高程呈現反相關關系，高程越低，溫度越高；2260m高程以下壩體內部溫度基本在15～10℃之間，2260～2417m高程壩體內部溫度基本在10～8℃之間，2417～2430m高程壩體內部溫度基本在8～6℃之間，2430～2440m高程壩體內部溫度基本在11～12℃之間。

2.2 穩定溫度場分布

盡管年內各月氣溫及上游水溫不同，高寒區拱壩在做好保溫措施下各月的準穩定溫度基本相同。根據拉西瓦拱壩7#、11#、16#壩段[8]埋設的溫度計的溫度測值，進行溫度場的繪制，分別選取蓄水前2008年7月中旬及12月中旬為典型時刻；溫度場如圖4所示。從溫度場可以看出，在7月份2320m高程以下溫度場整體已經降至6～12℃，達到準穩定溫度場；2320m高程以上混凝土由于澆筑較晚，混凝土在人工冷卻及自身水化熱的作用下，局部最高溫度24～26℃；到達12月份，2350m以下溫度場溫度已經降至6～12℃，達到準穩定溫度場。對比7月份與12月份的溫度場可以看出，2320m以下壩體混凝土溫度內部變化不大，淺表部混凝土(5m范圍)變化受外界氣溫影響較大，表部混凝土溫度分布在8～12℃。

圖4 拉西瓦拱壩11#壩段2008年溫度場

蓄水后，拉西瓦大壩2400m高程以下混凝土內部實測溫度隨外界氣溫變化不大，2400m 高程以上混凝土溫度隨外界氣溫變化的而變化。基礎約束區混凝土平均穩定溫度為9℃，脫離約束區混凝土實測溫度在5～10℃范圍內變化。截止2015年3月，拉西瓦壩體基礎實測溫度變化較平穩，基本在9.2～12.95℃，整體受上部水位變化影響較小。

3 應力場監測結果分析

目前很多混凝土大壩應力應變監測主要采用多向應變計組和無應力計儀器，通過應變計監測數據，采用疊加法，計算出壩體混凝土實際應力。根據豐滿、DG等重力壩、拉西瓦、三河口等拱壩的應力應變監測數據，各工程應力應變數據一致性相對較差，同一應變計的過程線數據起伏較大，異常數據比較多，三河口拱壩和拉西瓦拱壩的應力應變場分布及規律明顯不同。應力應變分布和規律不僅與混凝土溫度有關，還與施加的自重荷載、水荷載等有關，本文根據豐滿、DG等重力壩、拉西瓦、三河口等拱壩的應力應變監測數據，結合溫度監測數據，剔除異常數據，總結分析應力應變場主要分布及規律趨勢。

3.1 混凝土溫度應力應變過程線與溫度過程線規律相同

由DG(圖5)、豐滿等重力壩典型應力應變變化過程線得出，混凝土溫度應力應變與溫度值明顯線性正相關，規律相似，應變初期變化較大，后期逐漸下降，直至收斂，蓄水前基本為壓應變。

圖5 DG重力壩11#壩段3348m高程五向應變計組和無應力計測值過程線[9]

3.2 蓄水后應力應變基本處于受壓狀態，局部處于受拉狀態

水庫蓄水初期，壩體有較明顯壓應力增大趨勢；后期庫水位抬升階段，壩體低高程亦有較小的壓應力增大趨勢，高程部位壩體應力變化不明顯；庫水位穩定后，壩體應力變化不大。上游側和中部測點應力受溫度影響較小，下游側測點應力受拱壩整體穩定影響較大。截至2014年12月28日，拉西瓦拱壩各測點應力基本趨于穩定或呈較穩定的周期性變化，僅有個別測點有較小的壓應力增大趨勢，壩體混凝土主要以壓應力為主，局部出現拉應力，拉應力值都小于設計混凝土允許抗裂應力2.1MPa。

4 應力應變反演結果與實測數據對比分析

根據溫度監測數據，三河口拱壩和拉西瓦拱壩均進行了應力應變演算分析，其應力計算結果與通過應變實測數據計算的應力結果均有明顯差異。拉西瓦拱壩應力實測結果與反演分析計算結果分別見表5和表6。由表5—6得出，實測的變形拉應力最大為1.9MPa，明顯大于計算值0.33MPa，但小于設計混凝土抗裂強度2.1MPa，實測的最大壓應力10.1MPa，略大于計算值8.17MPa。由于應力實測值和計算值的外界工況存在一定的差異，此外應變計組的埋設位置存在局限性，再加上應變計組初值的選取、資料的復雜性和混凝土徐變試驗資料的復雜性和局限性；應力實測值與計算值均存在一定的差異。

表5 拉西瓦拱壩典型壩段應力實測結果特征值表

表6 拉西瓦拱壩反演應力計算結果表

5 結語

由于高寒區低溫歷時長，日溫差大，寒潮頻繁，混凝土表面蒸發大，因此高寒區混凝土壩表面有無保溫防護、高溫季節澆筑有無通水冷卻，澆筑混凝土季節等因素，均影響混凝土溫度場和應力場時空分布及變化趨勢。目前各混凝土壩溫度監測數據相對穩定和有規律性，容易直接總結溫度場時空分布及變化規律；而很多混凝土壩的應力應變監測數據起伏較大，異常數據多，混凝土壩的應力還受混凝土壩體型和承受荷載有關，需要結合溫度監測數據和大壩受力特點，才能綜合分析應力應變場主要分布及規律趨勢。