高寒地區碾壓混凝土壩溫度應力跟蹤及蓄水影響分析

王 建，朱振泱，鄭曉陽

(1.新疆水利發展投資(集團)有限公司)，新疆 烏魯木齊 836000;2.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

1 概述

由于我國水電能源豐富且為清潔能源，近10年內水電能源已經成為我國重點開發的對象。混凝土壩作為水電能源開發的關鍵壩型，近年來在我國成為開發的熱點，代表性成果包括小灣、拉西瓦、錦屏一級、溪洛渡、大崗山等特高拱壩，白鶴灘和烏東德等2座特高拱壩目前也已經建成發電。

隨著能源需求的不斷擴大以及水電技術的持續發展和擴張，混凝土壩工程逐漸由低海拔溫和地區轉向高寒和高海拔地區。溫控防裂需要從材料和措施2個方面考慮。材料方面主要措施比較常用的是摻入粉煤灰以改善混凝土早期的熱力學性能[1- 2];近年來科研工作者圍繞石粉摻量與碾壓混凝土性能改善進行了大量的研究[3- 7]，同時還開展了火山灰[8]凝灰巖[9]、鐵尾礦粉[10]、灰渣[11]、輝綠巖[12]作為礦物摻合料的適用性研究，一般在澆筑前即采用大量的試驗進行初步確定。溫控方面，我國在高海拔寒冷地區雖然有藏木等混凝土壩的筑壩經驗，目前高寒高海拔地區筑壩技術也越來越受重視，但已經完成的工程數量仍十分有限，而目前有關于高寒地區碾壓混凝土的研究數量則更為稀缺[13]。當前，在高寒地區正在建設或正在籌建的工程較多，工程十分重要，且氣候條件嚴苛，如山口水利樞紐(壩址多年平均氣溫為2.8℃；極端最高氣溫36.6℃；極端最低氣溫-45℃)和葉巴灘水電站(海拔近3000m，晝夜溫差大，寒潮天氣頻發)等等。

隨著我國水電開發步伐的加快，高寒地區將很快成為我國水電開發的重要地區[14]。與氣候溫和地區相比，高寒地區晝夜溫差大、年均氣溫低、寒潮頻發，許多科研問題亟待解決[13]。相對于常態混凝土，碾壓混凝土絕熱溫升較低，用于高寒高海拔地區筑壩具備一定的優勢，碾壓混凝土在高寒高海拔地區的溫控防裂措施也應得到重視。

壩體蓄水前一般需要對溫控防裂存在的問題進行系統性的復核，蓄水前的溫控分析是壩體溫控防裂的重點，目前碾壓混凝土壩在高寒地區蓄水前的溫度應力復核研究較少。蓄水問題系統性復核的最佳方式是全過程的仿真模擬，溫控的全過程仿真需要從大壩澆筑開始即對溫度測點進行跟蹤反演分析研究，反演分析出溫度場，進而計算應力場[15- 17]。

本文依托高寒地區某碾壓混凝土重力壩，采用全過程仿真模擬的方式對碾壓混凝土壩蓄水前溫度應力進行復核，并對溫控防裂措施提出建議，對后續此類大型工程溫控措施的提出提供參考。

2 計算方法

目前，混凝土溫控防裂分析的主要方法是在溫度場和應力場計算分析的基礎上，提出合理的溫控防裂方案，常用的方法為有限元方法。溫度場有限元法采用等效算法，混凝土等效熱傳導方程如下[18]：

(1)

根據這個方程，計算溫度場，同時采用彈性徐變應力場有限元計算，即可獲得應力場。

3 壩體溫度應力跟蹤及蓄水影響分析

3.1 壩體模型、澆筑信息和特征點

本文以某高寒地區碾壓混凝土壩的溢流壩段為研究對象，溢流壩段的計算模型如圖1所示。計算基礎四面和底面法向約束和絕熱邊界條件，壩段和壩段交界面為絕熱邊界條件。區域面均自由面和散熱面。

本文選取了10個特征點對大壩各個高程的溫度應力進行分析。特征點在左右岸方向對稱截面上，點在截面的位置如圖2所示。特征點中T1-T6為內部點，T7-T10為表面點，其中T1為內部最靠近基礎的特征點，T7為最靠近基礎的表面點。

圖1 計算模型

圖2 特征點所在位置

氣候條件見表1，該壩壩址區域的月平均最低氣溫0.3℃、最高氣溫16.6℃，年平均氣溫9.3℃，年平均氣溫低于同緯度低海拔地區6.0～7.0℃。日平均氣溫變幅為11.2～15.5℃，也明顯高于低海拔地區。

3.2 計算工況

本文的計算為全過程仿真計算，計算溫度場時，根據大壩內部測點的溫度情況，對混凝土材料的熱學參數和通水冷卻措施進行了反演以獲得準確的溫度場。在此基礎上，利用應力分析有限元，對壩體的應力場進行分析計算，對壩體的歷史溫度應力進行評價，同時結合預測的邊界條件，假定2種蓄水方案進行溫度應力的預測分析，評價2種方案的溫度應力情況，獲得蓄水前的溫控防裂方案。

表1 氣候條件 單位：℃

工況1：根據實測數據對大壩內部的溫度進行跟蹤反演分析。頂面越冬保溫采取在混凝土表面布置噴水花管+薄膜+縱橫向雙層3cm厚橡塑海綿+三防布+腳手架管和扣件。壩體上下游面保溫措施：噴水花管+薄膜+3cm橡塑海綿+扁鋼+三防布。壩體左右岸方向側面為絕熱邊界條件。大壩蓄水前不進行補充通水冷卻。大壩蓄水的時間為5月1日。

工況2：在工況1的基礎上，對大壩進行補充通水冷卻，補充通水冷卻在2—3月份進行，通水冷卻的目標溫度為15℃。

3.3 計算結果分析

溢流壩段準穩定溫度場計算結果如圖3(a)所示，準穩定溫度在6～9℃之間。最高溫度如圖3(b)所示，碾壓混凝土溫度峰值在35℃左右，高標號混凝土溫度可達到40℃以上。

應力云圖分析結果如圖3(c)和圖3(d)、圖4(a)和圖4(b)所示，除高標號混凝土和基礎附近表面混凝土外，壩體的應力較小，應力集中區域也較小。

圖3 工況1穩定溫度場和溫度應力云圖

特征點最高溫度、最大應力、最大應力發生的時間匯總見表2—3。對比工況1和工況2，壩體內部應力略有減小，但減小的幅度十分有限：①根據分析結果，內部點最大應力和最小安全系數出現的時間均在蓄水達到準穩定溫度場時期，由于設計提出的蓄水前冷卻方案的目標溫度明顯高于準穩定溫度，故蓄水前的冷卻并不會增加最大應力；②碾壓混凝土彈性模量發展較慢，蓄水后彈性模量仍又一定上升空間，此時補充通水可一定程度降低內部應力，但效果十分有限。

圖4 工況2穩定溫度場和溫度應力云圖

如表1所示，該地區冬季的最低水溫明顯高于氣溫，蓄水時表面溫度并非最低溫度，故表面應力最大時刻并不發生在蓄水時刻。蓄水前補充通水冷卻措施對壩體最大應力影響不明顯，如表2—3所示，表面應力方面，2個工況最大完全一致，除特征點7以外所有特征點的最小安全系數均超過允許值(1.65)，開裂風險較小：由于表面應力安全系數最小時間發生在第1個越冬季節，蓄水前的補充通水冷卻并不能改變表面最小安全系數。

表2 工況1特征點最高溫度、最大應力和最小安全系數

表3 工況2特征點最高溫度、最大應力和最小安全系數

根據分析結果，對于高寒地區碾壓混凝土壩，盡管氣候條件惡劣，但在充分的通水冷卻等溫控措施的前提下，壩體內部應力小于允許抗拉強度，施工和運行期間開裂風險均較小。由于高寒地區特殊的氣候和水溫條件，蓄水前的溫控防裂措施并不能改變蓄水及運行期的壩體應力狀態，為保障大壩的安全，高寒地區碾壓混凝土壩施工期的溫控措施應得到切實充分的貫徹。同時，由于最低水溫僅1.4℃左右，壩體底部水溫也僅為5℃左右，如壩體出現裂縫問題，在低溫水的作用下，壩體裂縫進一步擴展的可能性很大。壩體在蓄水前應對壩體表面進行充分的檢查，如發現裂縫問題，應對裂縫進行修補，避免施工期間出現的裂縫在低水溫滲透條件下進一步擴展進而危害壩體安全。

4 結論

根據分析結果，可以得到以下結論：

(1)對于高寒地區碾壓混凝土壩，盡管氣候條件惡劣，但在充分的通水冷卻等溫控措施的前提下，壩體應力或接近小于允許抗拉強度，施工和運行期間開裂風險均較小。

(2)由于高寒地區特殊的氣候和水溫條件，蓄水前的溫控防裂措施并不能改變蓄水及運行期的壩體應力狀態，為保障大壩的安全，高寒地區碾壓混凝土壩施工期的溫控措施應得到切實充分的貫徹。

(3)由于最低水溫僅1.4℃左右，壩體底部水溫也僅為5℃左右，如壩體出現裂縫問題，在低溫水的作用下，壩體裂縫進一步擴展的可能性很大。壩體在蓄水前應對壩體表面進行充分的檢查，如發現裂縫問題，應對裂縫進行修補，避免施工期間出現的裂縫在低水溫滲透條件下進一步擴展進而危害壩體安全。