嚴寒地區拱壩溫控防裂研究和實踐

盧冰華

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

混凝土拱壩一般較薄，對環境溫度的變化比較敏感，壩內溫度變化和內外溫差比較大，溫控防裂是混凝土拱壩施工中的關鍵技術之一，控制不當，將會直接產生危害性裂縫[1]。本工程地處高寒地區，氣候條件惡劣，溫控防裂難度很大，應根據壩址氣溫、水溫、地溫等自然條件，制定合理的溫度控制標準及溫控防裂措施[2]。在壩體混凝土澆筑初期進行一期冷卻以削減混凝土內部最高溫度，對混凝土齡期滿足要求的混凝土進行中期冷卻，使壩體溫度繼續降低，削減混凝土內外溫差，入冬前以及封拱灌漿前對當年澆筑的混凝土進行后期冷卻，使壩體溫度降至封拱溫度，以便進行壩體封拱灌漿[2-4]。同時，對混凝土采用全齡期養護、全過程表面保溫、三期冷卻等綜合措施有效防止壩體產生裂縫[5]。

1 工程概況

嚴寒地區某混凝土雙曲拱壩，最大壩高94m。壩址區多年平均氣溫為5.0℃；極端最高氣溫39.4℃；極端最低氣溫-41.2℃；多年平均降水量為153.4mm；多年平均蒸發量為1619.5mm；多年平均風速3.7m/s；極端最大風速32.1m/s。其特征是：氣候干燥，夏季炎熱，冬季嚴寒，氣溫年較差懸殊，日較差明顯，寒潮出現次數多，日溫差大[6]。

2 基本資料

拱壩壩址區氣象要素見表1，氣溫驟降詳見表2。

表1 壩址區氣溫要素表 單位：℃

表2 壩址區氣溫驟降特征表

3 溫控防裂措施

溫度應力對拱壩安全影響非常顯著，加之工程位于高維度嚴寒地區，氣溫日較差年較差均較大，給溫控防裂和安全封拱帶來極大的挑戰。

采用典型壩段與全壩分析相結合的方式來進行仿真分析。即首先對典型壩段進行仿真分析，初步擬定溫控方案，然后再對全拱壩進行仿真計算分析，研究施工期及運行期全拱壩的溫度及應力變化規律，據此確定溫控總體方案。

嚴寒地區混凝土高拱壩，在壩體冷卻及封拱灌漿時機選擇存在幾個難點：①壩體混凝土多年平均溫度6～8℃，設計封拱溫度2～4℃，需解決降溫過快帶來應力超標問題；②設計封拱溫度較低，采用人工制冷水無法實現；③混凝土冬季長間歇，當年澆筑的混凝土在年底無法實施封拱灌漿，影響壩體擋水。

針對上述問題進行專題研究。采用多期冷卻有效地避免了溫度下降過快產生過大的溫度應力，大大減少了混凝土開裂的風險。封拱前的壩體冷卻采用冬季低溫河水，解決了人工制冷水無法將壩體溫度降到4～6℃的難題。

在混凝土澆筑前，依據現場實際條件對大壩進行溫控繁衍仿真計算，并對已澆壩段依據監測數據進行反饋分析，以指導和調整現場溫控施工措施[7-8]。在大量計算分析的基礎上，結合施工期溫控仿真繁衍計算，并對溫控措施進行敏感性分析，得出優化改進后的溫控措施方案，針對關鍵壩段提出不季節合理可行的溫控措施和溫控梯度控制要求[9]。關鍵壩段施工期溫度控制措施見表3。

表3 大壩主河床壩段混凝土施工期溫控制措施

4 溫控措施效果分析

大壩溫度監測、應力監測、變形監測等數據顯示，綜合溫控措施完全滿足混凝土防裂要求。

4.1 壩體溫度反饋分析

結合灌漿要求和溫控需要，對重點壩段進行了溫度和橫縫開合度的監測，對施工期、蓄水期和運行期壩體內部及其邊界溫度分布和變化情況進行跟蹤和反饋，同時，為施工期溫控措施效果分析提供科學依據。重點壩段溫度監測特征值見表4。

由表4可知，實測溫度體現了混凝土澆筑以后在水化熱作用下的升溫和降溫過程，這一過程也很好地反映了溫控措施的作用。混凝土澆筑后，根據溫控要求，進行了一期、中期和后期冷卻，且混凝土日降溫速度控制在每天0.5～1.0℃范圍內，整體看通水冷卻降溫幅度控制較好，3個重點壩段日降溫控制達標率為91.7%，部分超標，原因是一期冷卻水采用天然河水，其水溫無法控制。根據實測混凝土溫度來看，一期冷卻降溫幅度滿足設計要求，中期冷卻后混凝土溫度均在18℃以下，也滿足設計要求。

表4 重點壩段溫度特征值統計表

另外根據施工進度及封拱灌漿要求，對6#、9#、13#壩段滿足一期灌漿和二期灌漿要求的灌區的壩體溫度進行了統計，壩體平均溫度與封拱溫度對比見表5。

表5 6#、9#、13#壩段壩體平均溫度與封拱溫度對比表 單位：℃

由表6可知，一期灌漿時溫度偏高，二期灌漿時因剛經歷過一個冬天，封拱溫度較一期明顯降低，均滿足設計要求，同時也說明后期冷卻措施效果較好。

4.2 壩體橫縫變形反饋分析

拱壩是整體受力，對壩體整體性要求較高[10]。根據壩體灌漿和封拱要求，對重點壩段進行了橫縫灌漿前后開合度的監測，灌漿前后橫縫開合度特征值見表6。

由表6可知，灌漿之前橫縫隨著溫度的降低或升高發生張開或者閉合的變化，變形與溫度的負相關性十分顯著。灌漿以后則不然，雖然溫度仍然發生著升降變化，橫縫卻從此進入穩定狀態，不再發生開合變化，趨于穩定，說明縫隙兩側的壩體已經連接起來，成為一個連續的整體。

表6 灌漿前后橫縫開合度特征值統計表

4.3 壩體接縫灌漿反饋分析

壩體接縫灌漿成果進行了統計，并對其進行鉆孔取芯和壓水試驗。壩體接縫灌漿成果見表7。

表7 壩體接縫灌漿成果表

根據鉆孔取芯檢查孔，能看見明顯的結石，結石的巖芯中，巖芯與混凝土之間膠結率達到100%，沖填率達100%，結石平均厚度3mm。說明灌漿質量效果較好。

5 結語

本工程在混凝土澆筑前，依據現場實際條件對大壩進行溫控仿真計算，并對已澆壩段依據監測數據進行反饋分析，以指導和調整現場溫控施工措施。采用多期冷卻有效地避免了溫度下降過快產生過大的溫度應力，大大減少了混凝土開裂的風險。封拱前的壩體冷卻采用冬季低溫河水，解決了人工制冷水無法將壩體溫度降到封拱溫度的難題。大壩溫度監測、應力監測、變形監測等數據顯示，綜合溫控措施完全滿足混凝土防裂要求。

本工程采用多期冷卻及在冬季進行后期冷卻并進行封拱灌漿的方法，解決了嚴寒地區混凝土拱壩順利封拱擋水難題，創造了巨大的經濟效益，為我國同類地區混凝土拱壩建設積累了經驗，具有較強的借鑒意義。