堆石混凝土拱壩施工期溫度監測與分析

曾 旭，姚國專，余舜堯，張文勝，徐小蓉，邱流潮

(1.遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563002；2.中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083；3.華北電力大學水利與水電工程學院，北京 102206)

0 引 言

堆石混凝土壩(Rock-Filled Concrete Dam，RFCD)筑壩技術作為大體積混凝土的新型筑壩技術[1-3]，常采用在堆石體空隙中澆筑高性能自密實混凝土(HSCC)的方式筑壩，最大的施工特點是取消了振搗、碾壓和通水冷卻措施[4- 6]。自2003年起，堆石混凝土壩工程在全國范圍內應用推廣迅速，目前已建成大壩77座，在建37座，其中拱壩占11座，如，完建的蒙山水庫(24.5 m)、佰佳拱壩(69 m)、綠塘拱壩(53.5 m)、茍江拱壩(41 m)、小源里水庫(46.6 m)、龍洞灣拱壩(48 m)；在建的風光水庫(48.5 m)、牛洞口水庫(65 m)、沙千水庫(66 m)等；正在設計的寶源堆石混凝土拱壩，壩高89.5 m，是目前最高的堆石混凝土拱壩。隨著越來越多工程的建設完成，堆石混凝土施工工藝和技術標準體系日益完善。貴州省地方標準DB52/T 1545—2020《堆石混凝土拱壩技術規范》[7]于2020年12月16日批準，2021年4月1日正式實施，涵蓋了拱壩設計、拱壩施工的相關規定。經過遵義水利水電勘測設計研究院多個項目的成功經驗，提出了堆石混凝土拱壩“通倉澆筑”的概念，即不設橫縫，簡化施工提高升倉速度，并在綠塘水庫、龍洞灣水庫、風光水庫進行了工程實踐。

拱壩是空間超靜定結構，溫度荷載是拱壩尤其是通倉澆筑拱壩需要特別關注的重要荷載[8-9]，溫度變化引起的壩塊變形受巖基或下層混凝土約束(施工期)、兩岸巖體約束(封拱后)，形成約占1/3～1/2拱壩徑向變位的溫度荷載[10]。堆石混凝土由于堆石體的存在，相對常態混凝土而言水化熱較低，簡化溫控但并不意味著不需要溫控措施[11]。近年來不少學者開展了堆石混凝土現場溫度監測試驗[8，12]和仿真分析研究[9，11]，仿真計算多采用均一化RFC模型來考慮絕熱溫升，未考慮復雜的堆石結構與高性能自密實混凝土(HSCC)之間的溫度傳導。金峰等[8]在綠塘拱壩首次提出在堆石內部布設溫度計，通過分析給出了TRFC=0.5 ×TRock+0.5 ×THSCC的近似堆石混凝土入倉溫度，比早期僅采用HSCC溫度變化代替堆石混凝土的溫升變化有了極大改進。但由于數據的有限性，未詳細分析HSCC澆筑填充流動過程中與堆石體之間的溫度交換規律。另外，初次現場試驗選擇的石塊偏小，大多為300 mm，堆石孔內埋深最大150 mm，相對較淺。因此本文選擇了通倉澆筑的龍洞灣拱壩，進行了更為細致全面的施工期溫度監測，深入分析不同位置堆石體與HSCC之間的溫度傳導規律，為堆石混凝土壩的溫控措施提出建議。

1 工程概況

龍洞灣水庫坐落于貴州省遵義市務川縣境內，當地氣候環境屬于亞熱帶高原濕潤季風氣候區，山體氣候特征明顯。氣象資料顯示，工程所在地區多年平均氣溫為15.5 ℃，年均降雨量1 271.7 mm，年均無霜期280 d，日照率年平均為23%。

龍洞灣水庫由大壩、壩頂溢流表孔、取水兼放空建筑物等組成，其中大壩主體為堆石混凝土單圓心單曲拱壩，頂拱中心角91.0°，拱圈外半徑110.0 m。壩頂高程916.00 m，壩頂寬5.0 m，壩軸線長174.7 m，壩基置于弱風化基巖中、上部，建基面高程868.00 m(起拱高程870.00 m)，最大壩高48.0 m，最大壩底厚13.5 m，厚高比0.293。在右壩肩設置有堆石混凝土重力墩，其頂部高程916.00 m，建基面高程900.00 m，上游坡面鉛直，下游坡面坡比為1∶0.5，墩長35.4 m、頂寬7.0 m、最大底寬16.0 m，最大墩高16.0 m。

龍洞灣拱壩不設橫縫，采用通倉整體澆筑的方式，且取消了溫控措施。大壩主體材料采用C9015一級配堆石混凝土，抗滲等級W6，抗凍等級F50；上游面預制塊后設置厚0.5 m的C9015一級配自密實混凝土防滲層，抗滲等級W6，抗凍等級F50；上、下游壩面均采用0.5 m×0.3 m×0.3 m(長×寬×高)的C15混凝土預制塊砌筑，按“一丁一順”進行布置。該拱壩每個澆筑層厚度為1.3 m，經研究計算上下游的預制塊每層4塊較安全，中間有10 cm左右的水泥砂漿砌筑。堆石滿足最大粒徑不超過層厚要求，在300～1 300 mm區間隨機分布。

2 施工期溫度監測方案

為深入研究堆石混凝土壩在施工過程中自密實混凝土、堆石以及基巖的溫度變化情況，于2020年 8月23日起，對906.3 m高程至908.9 m高程間的連續兩層施工層進行了施工期溫度監測，澆筑層厚度為1.3 m，目前已有約4個月的實時監測數據。

受篇幅所限，本文主要圍繞堆石與混凝土的溫度變化情況進行了研究分析，暫不討論基巖測點的埋設、溫變情況。

2.1 監測儀器

研究所使用的溫度傳感器為埋入式探頭，標準量程為-30 ～+70 ℃，溫度監測數據由現場布設的自動化采集系統收集并通過GPRS傳輸至數據庫，自動化裝置的采集周期為30 min。溫度傳感器與配套的自動化采集裝置在現場試驗前已完成室內率定，結果顯示溫度測值在10～45 ℃的環境中整體誤差為±0.2 ℃，能夠滿足試驗精度要求。

2.2 儀器布設

試驗設有自密實混凝土測點、堆石測點兩種類型的測點，其中堆石測點要求在表面進行鉆孔。試驗前在骨料場提前選擇形狀完整的堆石進行預先鉆孔，所選堆石粒徑在500～700 mm左右。堆石入倉過程中，將鉆好孔的堆石運送至實驗倉內的預設位置，周圍堆石正常隨機堆放。

溫度傳感器在現場堆石完成后統一進行布設。為避免混凝土測點在澆筑后與堆石過于貼近，布設期間搭建了鋼筋支架來控制傳感器的位置。堆石中的傳感器在埋設完成后，用鉆孔產生的石粉進行孔內回填壓實，并在孔口留出3 cm左右深度的空間，利用硅酮發泡膠進行封孔以保證石粉緊密不漏，圖1展示了現場工作的部分情景。

圖1 現場試驗部分場景

2.3 布設位置

本試驗的研究區域設置在靠近左壩肩10 m以內的范圍。為驗證試驗結果的可靠性，連續布設了兩層監測倉面，每一層傳感器的布設位置大致相同，每層6個測點，共計12個測點(T1～T12)：每層在壩肩基巖附近設有一個自密實混凝土測點，并在遠離基巖處設置另一個自密實混凝土測點進行對比；混凝土測點附近設有監測堆石，堆石中有淺層與深層兩個測點，用于研究堆石與自密實混凝土的熱交換現象。需要注意的是，位于近壩肩處的混凝土測點T6、T15周圍不設堆石，在澆筑時周圍為純HSCC。

試驗期間對現場信息進行了詳細的測量，包括測點到上游面、倉底、壩肩的距離；堆石內測點的孔內埋深；澆筑管口位置及HSCC入倉溫度；HSCC流動過程中的溫度。根據測量結果繪制的實際布設位置見圖2，圖中對監測堆石的輪廓進行了簡化，但粒徑接近實際情況。未標注的測點T15距離倉底250 mm。T2、T13在堆石中埋設深度為300 mm，T4、T11埋設深度為250 mm，T3、T5、T12、T14埋設深度為100 mm。與測點位置有關的主要信息如表1所示。傳感器布設各點的溫度監測和HSCC流動情況的現場操作和記錄如圖3所示。為監測施工期間現場氣溫的日變化情況，在左壩肩露天處布設了同一型號的溫度傳感器，并進行了遮光處理以防止太陽直射。

表1 測點實際布設位置 mm

圖2 傳感器布設位置布設(單位：mm)

圖3 傳感器布設各點測溫和HSCC流動情況記錄

3 HSCC澆筑前溫度變化情況

試驗的下層倉澆筑時間為2020年8月25日，上層倉澆筑時間為2020年9月5日。圖4給出了施工期間前25 d的溫度變化情況。首先關注HSCC澆筑前兩倉內不同測點的溫變情況，表2給出了澆筑前各測點測值與氣溫的差值，由于試驗條件所限，下層倉在澆筑前10 h才開始進行所有測點的監測，上層倉在澆筑前2 d便開始了所有測點的監測。圖5a給出了下層倉澆筑前測點的溫度變化過程，圖5b給出了上層倉澆筑前測點的溫度變化過程。

表2 澆筑前測點溫度與氣溫的差值 ℃

圖4 施工期溫度監測數據變化曲線

圖5 HSCC澆筑前的溫變情況

從圖4可以看出，下層倉澆筑當天日照充足，最高氣溫達到了35.7 ℃，平均氣溫28 ℃；T1、T3、T6在澆筑前與氣溫高度相關，這是由于T1、T3距離倉頂較近，上方無堆石，直接受到太陽直射所致，而T6所處位置不堆放堆石，同樣受太陽直射影響較大；遠離壩肩處的監測堆石內，T2位于堆石深處，外界環境對其溫度的影響具有一定滯后性；靠近壩肩處的監測堆石位于倉底，上方堆石起到一定遮陽作用，故T4、T5溫度變幅整體較低。

結合表2可以看出，下層倉在澆筑前堆石體內部的溫度普遍比氣溫低4 ℃左右，被太陽直射的堆石以及基巖表面能達到與氣溫相近甚至更高的溫度，考慮到堆石體上表面受太陽輻射的影響溫度可能較高，可以認為堆石體整體入倉溫度較氣溫低約3 ℃。因此，在澆筑開始時刻測得氣溫為33.5 ℃，基于以上論述可以推斷此時堆石體的整體溫度應在30.5 ℃左右。

上層倉澆筑前的3天當地持續下雨，氣溫持續下降，三日內最高氣溫21.9 ℃，平均氣溫19.2 ℃。對暴露在空氣中的混凝土測點進行分析，結合表2可知，混凝土測點T10、T15在澆筑前3日內的平均溫度較氣溫相差0.5 ℃以內，表明堆石體內部空隙中的溫度與外部氣溫差異不大。位于堆石內的測點T11、T12、T13、T14澆筑前較氣溫高0.6～0.8 ℃，溫度變化較氣溫有2～6 h左右的滯后性，變化趨勢非常一致。雖然T13、T14所處的堆石位于倉底，但擺放于堆石體與壩肩之間，其周邊都不再設堆石，與外界環境接觸面較大，因此其溫度變幅與位于倉頂的T11、T12所處監測堆石較為一致。

整體看來，上層倉的堆石以及堆石體空隙中的溫度與氣溫的差異在1 ℃左右，差異較小，可大致認為在陰雨天內堆石體的整體溫度等同于同時刻氣溫。實際澆筑開始時刻測得氣溫為19 ℃，因此堆石體整體溫度應在19 ℃左右。

4 HSCC澆筑后溫度變化情況

為確定HSCC的入倉溫度，試驗中利用紅外測溫儀測量了入倉管口HSCC的表面溫度和混凝土測點被淹沒時周圍HSCC的表面溫度。下層倉中，在T1、T6接觸到HSCC后，紅外測溫儀對測點周圍HSCC的表面溫度進行了測量，測值分別為28.7 ℃和28.9 ℃，同一時刻對應溫度傳感器測值為30.3 ℃和29.8 ℃，傳感器測值較紅外測溫儀高1 ℃左右，這是因為紅外測溫儀測量的是HSCC的表面溫度，測值可能會受外界環境影響有所誤差，因此可通過該差值對入倉管口的HSCC溫度進行修正來獲取HSCC的真實入倉溫度，下層倉澆筑當天利用紅外測溫儀測得的不同時刻HSCC入倉溫度有31.3 ℃、31.6 ℃、32.6 ℃，修正后可認為當天HSCC入倉溫度約為32.8 ℃。對于上層倉采用同樣的方法確定HSCC的入倉溫度。T10、T15的兩次測值結果顯示紅外測溫儀較溫度傳感器要低4.6 ℃左右，這與下層倉1 ℃的誤差有所不同，分析可能是澆筑當天氣溫較低使得HSCC表面溫度冷卻更快，增大了測量誤差，因此在上層倉的澆筑中，應利用新差值對HSCC的入倉溫度進行修正，修正后當天的HSCC入倉溫度約為24.2 ℃。

為了更清楚地分析HSCC澆筑后各測點的溫度變化情況，并與澆筑前的溫變情況做對比，圖6、7分別給出了下、上層倉澆筑后各類型測點的溫變情況，表3集中統計了各測點的入倉溫度和溫升情況。為了比較遠壩肩處與近壩肩處混凝土測點的溫變情況，引入了代表兩者之差的變量Δ上層倉、Δ下層倉，相關計算公式如下：

Δ下層倉t=T6t-T1t

(1)

Δ上層倉t=T15t-T10t

(2)

式中，TNt為編號為N的溫度計在t時刻的溫度。

從圖6b可以看出，HSCC澆筑后混凝土測點T1、T6達到的最高溫度分別為38.2 ℃和42.9 ℃，對應的水化熱溫升為5.4 ℃和10.1 ℃，T6要比T1的溫升幅度更高，高約5 ℃，這是因為T1周邊堆石較多，T6周邊幾乎為純HSCC，而HSCC的用量更大所產生的水化熱就更大。從圖6c可以看出，堆石內4個測點在澆筑后的第3、4d內達到了最高溫度，最高溫度均在37 ℃左右，堆石整體溫升幅度約為6.5 ℃，說明堆石在施工過程中起到了吸收混凝土水化熱的作用。對于單個堆石T2、T3所處堆石的溫升幅度約5 ℃，T4、T5所處堆石的溫升幅度約8.6 ℃，顯然后者在混凝土釋放水化熱的過程中吸收了更多的熱量，由于兩堆石所達到的最高溫度十分接近，影響兩者溫升幅度差異的主要因素為堆石的入倉溫度。從表3可以看出，T2、T3的入倉溫度要高于T4、T5，結合上一節的分析以及圖2可知，這是由于T2、T3所處的堆石上方無堆石遮光，所受太陽輻射較強所致。

圖6 澆筑后下層倉各類型測點的溫變情況

表3 測點入倉溫度和溫升情況

綜上，下層倉試驗結果表明，相比較于純混凝土澆筑，采用堆石混凝土澆筑方法一方面可以減少混凝土用量，減少水化熱，另一方面堆石自身也可以吸收混凝土釋放的水化熱，降低混凝土內的溫升幅度；在太陽輻射較強時可以考慮采用遮光布等措施來降低堆石的入倉溫度，使其能夠在混凝土澆筑后吸收更多的水化熱。

從圖7b可以看出，近壩肩處混凝土測點T15的最大溫升幅度較遠壩肩處測點T10高約7 ℃，這一現象與下層倉一致，同樣是因為近壩肩處混凝土更多，水化熱更大，且缺少堆石的吸熱所致。從圖7c可以看出，由于該倉堆石的入倉溫度較低，澆筑后堆石的溫升幅度非常大，最大溫升幅度均超過了10 ℃，遠壩肩處堆石的最大溫升幅度要低于近壩肩處堆石，分析可能是由兩方面原因造成的，一是近壩肩處堆石周邊混凝土更多，吸收水化放熱更多；二是遠壩肩處堆石接近倉頂，散熱條件較好，而外界環境溫度較低，因此堆石在吸熱溫升后會將部分熱量傳遞給外界，而不會進一步溫升。

圖7 澆筑后上層倉各類型測點的溫變情況

結合上下層倉的試驗結果進行分析可知，堆石的使用能夠降低混凝土用量，從而降低混凝土的整體水化熱，同時通過自身吸熱來降低混凝土的溫升幅度，一定程度上減少溫度裂縫的產生；由于堆石所能達到的最高溫度不會高于混凝土的溫度，因此堆石吸收熱量的大小主要取決于入倉溫度，在夏季晴天施工時由于太陽輻射較強，需要對倉內堆石體進行一定的遮光處理，以避免堆石溫度過高，影響其吸熱效果，在陰天內則不需要額外的遮光處理。此外，在壩肩處由于混凝土用量較大，混凝土溫升幅度也會更高，在確保工程安全的前提下可考慮在壩肩處堆放更多的堆石來降低溫升幅度；結合表3還可以得到，兩層試驗倉內混凝土測點的最大溫升幅度均在15 ℃以內，整體溫升幅度較小，在氣候溫和地區可采取不分橫縫的整體澆筑方式。

5 結 語

龍洞灣堆石混凝土拱壩采用通倉整體澆筑的施工方法，本文通過現場試驗獲得了較為精準的測點位置、澆筑管口位置、HSCC入倉溫度以及HSCC流動過程中的溫度等數據，來研究施工期壩體內的溫度變化情況。研究所得結論如下：

(1)在夏季晴天施工時，堆石與基巖的入倉溫度整體較氣溫低3 ℃左右，在陰雨天內，堆石的入倉溫度與氣溫較接近。

(2)堆石在自密實混凝土澆筑后能夠迅速吸熱達到較高的溫度，在自密實混凝土水化熱期間有明顯的吸熱過程，能夠有效降低混凝土的溫升幅度，抑制溫度裂縫的產生。

(3)混凝土的水化熱溫升都在15 ℃以下，堆石混凝土的整體溫升幅度較低，在氣候溫和地區可采取不分橫縫的整體澆筑方式。

(4)夏季施工時，適當采用遮光布等方式避免堆石被陽光直曬，可能會降低堆石的入倉溫度，有效提升堆石對混凝土水化熱的吸熱作用。

致謝：本文得到清華大學金峰教授悉心指導，工作開展過程中得到中國農業大學水利與土木工程學院、遵義黔通達檢測試驗有限責任公司、貴州黔冠建設工程有限公司、長春工程學院張喜喜的大力幫助，在此表示衷心感謝!